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提出了一种用于对人体皮肤的微血管成像的手持式扫频光学相干层析系统。对比分析了功率强度差分(PID)、散斑方差(SV)以及基于对数强度的差分标准差(DSDLI)3种算法对实际成像分辨率等的影响,并用3种算法获得的人体皮肤在体截面和正面图说明3种血流成像算法的成像性能。结果表明:相比于PID和SV算法,DSDLI算法重建的血流图像中的血管更加清晰,血管信息更多,且能捕获到其他两种算法重建图像中看不到的血管。
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第
卷
第
期
中
国
激
光
年
月
CHINESEJOURNALOFLASERS
A
p
ril
基于对数强度差分标准差的光学相干层析成像性能分析
张 兰 兰
,
高 万 荣
,
史 伟 松
南京理工大学电子工程与光电技术学院
江苏 南京
摘要
提出了一种用于对人 体 皮 肤 的 微 血 管 成 像 的 手 持 式 扫 频 光 学 相 干 层 析 系 统
对 比 分 析 了 功 率 强 度 差 分
散斑方差
以及基于对数强度的差分标准差
种算法对实际成像 分 辨率 等 的影 响
并用
种算
法获得的人体皮肤在体截 面 和 正 面 图 说 明
种 血 流 成 像 算 法 的 成 像 性 能
结 果 表 明
相 比 于
和
算 法
算法重建的血流图像中的 血 管 更 加 清 晰
血 管 信 息 更 多
且 能 捕 获 到 其 他 两 种 算 法 重 建 图 像 中 看 不 到 的
血管
关键词
医用光学
微循环
手持式
扫频光学相干层析术
分辨率
中图分 类号
文献标 识码
doi
:
.
/
CJL.
Anal
y
sisofIma
g
in
g
PerformanceofO
p
ticalCoherenceTomo
g
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p
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BasedonDifferentialStandardDeviationofLo
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GScaleIntensit
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f
ElectronicandO
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Nan
j
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Universit
y
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f
ScienceandTechnolo
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Nan
j
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Jian
g
su
China
Abstract
Ke
y
words
OCIScodes
收稿日 期
收到修 改稿日期
基金项 目
国家自然科学基金
作者简 介
张兰兰
女
硕士研究生
主要从事生物医学成像方面的研究
导师简 介
高万荣
男
博士
教授
博士生导师
主要从事生物医学成像方面的研究
引
言
微循环是一项用于描述脉管系统中负责血液和
营养物通过身体分布的小血管的术语
微循环在身
体内具有几个关 键 功 能
包括血压
体温的调节
组
织内的血流和营养物的递送以及代 谢 废 物 的 去 除
微循环中的结构和功能变化与各种各样的病理状况
如糖尿病
阿尔茨海默病
癌症
雷诺氏病
和银屑病
等
相关
等
已经证明
监测
微循环中的变化可以在临床诊断之前提供疾病的早
期警示
由于检测微循环中的早期变化可提供疾病
的早期警示
因此微循环成像技术在 临 床 诊 断 中 至
关重要
目前的一些血管造影方法
如荧光素光学造 影
和吲哚箐绿血管造影
可用来诊断血管病变
但是需
要向人体注入外源 造 影 剂
该过程对人体有 害 并 且
可能产生 过 敏 反 应
光 学 相 干 层 析 术
克 服
了传统血管造影的上述限制
无需注入造影剂
在
早期
研 究 获 得 样 品 结 构 信 息 的 基 础 上
已 有
许多相 关 技 术 被 提 出
以 扩 展
的 可 视 化 微 循
中
国
激
光
环的能力
如多 普 勒 光 学 相 干 层 析 术
和 散
斑方差光学相干层析术
等
于
年被 提 出
该 技 术 通 过 测 量 背 向
散射光的回波对生物组织中的内部微结构进行高分
辨率
横截面成像
比常规超声成像的分 辨率高
个 数 量 级
并 在
年 间 得 到 了 快 速 的 发 展 和 应
用
现已广泛应用于工业检测和生物医学等领域
第一代
为 时 域
第 二
代
为傅里叶域
根 据 光 源 和
探 测 方 式 的 不 同
又 可 以 分 为 谱 域
和扫频
在
中
采用低相干 宽带光 源
可使 生物
样品的后向散射光与参考光发生干涉
只有后向散
射光与返回参考光的光程差在相干长度以内
二者才
能发生干涉
从而实现成像
该系统使用低速的单点
探测器进行信号探测
因此一次只能探测到生物样品
中一个相干长度的干涉信息
通过移动参考臂中的
平面镜
可获得样品不同深度对应的干涉信号
从频域 探 测 干 涉 信 号
参 考 臂 中 的 平
面镜不需 要 扫 描
成 像 速 度 大 大 提 高
利
用光谱仪和一维探 测 阵 列 代 替 单 点 探 测 器
实现干
涉信号的探测
获得 的 干 涉 信 号 经 光 栅 衍 射 分 光 后
会聚到线阵
上
不同光谱分量的干涉光强度信
号分别由
各个像素点采集
将
曝光一次
采集到的信号经傅 里 叶 变 换
重构样品不同深 度 处
的信号
的光源是扫频激光光源
发出的光
具有波长时变特性
利用高速响应的单点探
测器采集光谱信息
光源发出的光经历一次完整的
周期后
一次
扫描的干涉光谱 信 号 即 采 集 完 毕
再通过傅里叶变换
最终利用干涉信 号 重 建 样 品 不
同深度处的信号
比较上述
种
采 用 并 行 探 测 的
方式
参 考 镜 不 需 扫 描
成 像 速 度 快
并 且 相 较 于
系统
不 需 要 搭 建 光 谱 仪
结 构 简 单
且 高
速点探测器的使用使得其灵敏度更高
因此
在成像速度
探测灵敏度等方面具有优势
本文搭建了一套手持式
系统 来对人 体
皮肤的微血管进行 成 像
并利用不同的算 法 重 建 血
流图像
得到了一些结构图像无法显示的信息
从而
为临床 医 学 中 相 关 疾 病 的 诊 断 提 供 了 更 可 靠 的
依据
原
理
2.1SSOCT
成像系统
搭建的
成 像 系 统 原 理 图 如 图
所 示
利用该系统可实现人体皮肤的在体成像
图
成像系统原理图
系统采用迈克耳孙干涉仪结构
使用的光源为
美国
公 司 生 产 的 高 速 扫 频 光 源
型 号 为
光源的中心波长 为
扫描频率
为
带宽为
具体探测过程为
从高
速扫频光源输出的光经接口
进入环流器中
由环
流器的接口
输出
并进入一个分束 比 为
的
光纤耦合器中
进入光纤耦合器的光被分为两束
一
束进入参考臂
另一束进入样品 臂
两束光在进入
参考臂和样品臂之前
分别通过一个偏振控制器
使
得两束光的偏振态 尽 可 能 一 致
以获得条纹对比 度
较高的干涉光谱信号
进入 样品臂 的参考 光束先 经过一 个 准直 透 镜
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