（光学工程专业论文）基于单探测器的偏振相干层析技术研究.pdf

摘要 偏振光学相干层析技术( 偏振o c t ) 利用偏振干涉光成像，通过检测生物组织 背散射光中所含组织双折射性质信息，诊断存在于生物组织表层下面的早期病 变，在检测具有双折射性质的生物组织以及诊断能够改变病变组织双折射性质的 疾病方面，具有极高的效率，是一种无损、高分辨率的医学功能成像手段。 目前国内外对偏振o c t 的研究主要集中于双探测器偏振o c t 技术。双探测 器偏振o c t 技术使用两个探测器分别接收偏振态相互垂直的两束干涉光来检测 生物组织的双折射性质，待处理数据量大、算法复杂、系统成本高，即使两个探 测器参数存在微小差异，也会为检测结果引入较大噪声。论文针对双探测器偏振 o c t 技术存在的上述不足，提出基于单探测器的偏振o c t 系统，即利用单个探 测器接收干涉光，通过检测偏振光在生物组织中传播时偏振态变化引起的干涉光 光强波动，获取生物组织的双折射性质。 论文的主要工作有： l 、建立具有双折射性质的生物组织模型。利用基于米氏散射理论( m i e t h e o r y ) 的蒙特卡罗( m o n t ec a r l o ) 方法，模拟偏振光在生物组织中传播时，其 背散射光的斯托克斯( s t o k e s ) 矢量沿生物组织纵深方向的分布。根据斯托克斯 矢量的分布和偏振光沿生物组织快慢轴传输产生相位差两种理论，分析生物组织 背散射光偏振态变化的机制，将生物组织对偏振光的微观和宏观影响相融合，并 结合菲涅尔一阿拉果定律阐述单探测器偏振o c t 技术检测生物组织双折射性质 的原理。 2 、搭建单探测器偏振o c t 系统。对光学系统信噪比建模，模拟分析四种不 同光学系统结构对信噪比的影响，分析在相同的系统参数下，各光学系统所能达 到的最佳信噪比。以研究结果为依据，综合考虑光路调整的便捷性，设计单探测 器偏振o c t 光学系统。 3 、建立生物组织特性( 如双折射率、厚度、折射率等) 对偏振o c t 干涉信 号的调制模型，模拟不同生物组织特性参数对偏振o c t 系统的a 型扫描( 单次 纵向扫描) 信号傅里叶频谱的影响。结果证实，a 型扫描信号傅里叶频谱的形状 由生物组织的厚度、折射率和光轴方向决定，频谱谱峰位置由双折射率决定。由 于频谱体现了生物组织偏振o c t 图像的灰度分布规律，而灰度分布的变化正是 单探测器偏振o c t 反映组织特性的手段，因此上述结果说明，单探测器偏振o c t 系统获得的灰度图像中含有生物组织的厚度、折射率、双折射率等特性信息，从 而为这些信息的检测提供了途径。 4 、搭建单探测器偏振o c t 系统，以新鲜牛软骨作为样品实现二维扫描成像 实验，获得具有明暗相间条纹的灰度图像，这些条纹反映了生物组织的双折射性 质。根据条纹间距与组织双折射率的关系计算得到牛软骨双折射率，其结果与己 知的牛软骨双折射率能很好吻合，证实该系统检测生物组织双折射性质的正确性 和可行性。 5 、搭建双探测器偏振o c t 系统，并获得反映牛软骨双折射性质的相位差图 像，通过该图像与单探测器偏振o c t 系统所得图像的对比，进一步证明单探测 器偏振o c t 系统检测生物组织双折射性质的可行性和可靠性。 关键词：偏振o c t ，单探测器，双折射，斯托克斯矢量，光学特性参数，傅 里叶频谱 玎 a bs t r a c t p o l a r i z a t i o n s e n s i t i v eo p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h yo s o c t ) i san o n i n v a s i v e ， h i g h - r e s o l u t i o nm e d i c a lf u n c t i o n a li m a g i n gt e c h n o l o g y i tm e a s u r e st h ec h a n g eo f b i r e f r i n g e n c ei nb i o l o g i c a lt i s s u e sc a u s e db yp a t h o l o g i c a lc h a n g e s ，t h u sc a nd i a g n o s e t h ee a r l yd i s e a s e s p s - o c ti sap o w e r f u lt o o lf o rr e s e a r c ho ft i s s u ew i t hh i g h b i r e f r i n g e n c e ，a n di se f f e c t i v ei nd i a g n o s i n gd i s e a s e sw h i c hi s a b l et o s t r o n g l y c h a n g et h eb i r e f r i n g e n c eo f t i s s u e t i l ln o w ，t h er e s e a r c ho fp s - o c tf o c u s e sm a i n l yo nt h ed u a l - d e t e c t o rp s o c t , w h i l et h e s i n g l e - d e t e c t o r p s - o c ti s h a r d l y t o u c h e d w ep r o p o s e do u r s i n g l e - d e t e c t o rp s - o c ti nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w h i c hd e t e c t st h ei n t e r f e r e n c el i g h t o s c i l l a t i o nc a u s e db yp o l a r i z a t i o nc h a n g e so fl i g h tt r a v e l i n gi nb i o l o g i c a lt i s s u ea n d d e s c r i b e st h e b i r e f r i n g e n c eo f t i s s u ew i t ht h eo s c i l l a t i o n c o m p a r e dw i t h d u a l - d e t e c t o rp s - o c t , o u rs y s t e ms i m p l i f i e st h ed a t ap r o c e s s i n g ，d e c r e a s e st h ed a t a q u a n t u ma n dl o w e r st h ee x p e n s e t h em a i nr e s e a r c h e so ft h i sd i s s e r t a t i o na les h o w na st h ef o l l o w i n g ： 1 ab i r e f r i n g e n tb i o l o g i c a lt i s s u em o d e li sb u i l ta n dt h es t o k e sv e c t o rd i s t r i b u t i o n o fp o l a r i z e dl i g h tt r a v e l i n gi nb i o l o g i c a lt i s s u ei ss i m u l a t e dw i t hi t a c c o r d i n gt ot h e s i m u l m i o nr e s u l ta n dp o l a r i z e dl i g h ti n t e r f e r e n c et h e o r y , t h ep r i n c i p l eo f s i n g l e - d e t e c t o rp s o c td e t e c t i n gt i s s u eb i r e f r i n g e n c ei sp r e s e n t e d 2 d e s i g nas i n g l e d e t e c t o rp s o c t ，a n db u i l dt h es i g n a l - t o n o i s er a t i o ( s n r ) m o d e la c c o r d i n gt oi t t h ei n f l u e n c eo ff o u rd i f f e r e n to p t i c a ls y s t e ms t r u c t u r e so n s n ri ss i m u l a t e d c o m p a r et h eh i g h e s ts n ro fo p t i c a ls y s t e mw i t he a c hs t r u c t u r e t h ea n a l y s i si st a k i n ga st h ek e yt oc h o o s es u i t a b l eo p t i c a ls y s t e ms t r u c t u r ei n s i n g l e d e t e c t o rp s - o c t 3 b u i l du pab i o l o g i c a lt i s s u em o d e l ，a c c o r d i n gt ow h i c hs i m u l a t i o n sa r ed o n et o f i n do u tt h er e l a t i o n s h i po fa s c a ns i g n a lf f ta n dd i f f e r e n tt i s s u ec h a r a c t e r s i n c et h e f f ti n d i c a t e st h eg r a ys c a l ed i s t r i b u t i o ni np s - o c ti m a g e ，w h i c hd e s c r i b i n gt h e t i s s u ec h a r a c t e r , t h er e s u l te n s u r e st h ep o s s i b i l i t yo fs i n g l e d e t e c t o rp s - o c td e t e c t i n g b i o l o g i c a lt i s s u ec h a r a c t e r , s u c ha st h i c k n e s s ，r e f r a c t i v ei n d e xa n db i r e f r i n g e n c e 4 t a k i n gf r e s hb o v i n ec a r t i l a g ea ss a m p l e ，a c h i e v e t h e2 d i m a g i n gw i t h s i n g l e d e t e c t o rp s - o c t t h eg r a ys c a l ei m a g es h o w s t h es t r i p e si n d i c a t i n gt h et i s s u e i h b i r e f r i n g e n c e t h eb i r e f r i n g e n c eo fb o v i n ec a r t i l a g ec a l c u l a t e di no u re x p e r i m e n th a s o n l ys m a l ld i f f e r e n c ew i t h t h ek n o w nv a l u ew h i c hi s b e a r a b l e ，v a l i d a t i n gt h e f e a s i b i l i t yo f o u rs y s t e m 5 c o n s t r u c tad u a l d e t e c m rp s o c t ，a n dg e tp h a s ei m a g eo fb i o l o g i c a lt i s s u e w i t hi t t h ec o m p a r i s o no fd u a l - a n ds i n g l e - d e t e c t o rp s - o c ti m a g ev e r i f i e st h e f e a s i b i l i t ya n dr e l i a b i l i b yo f o u rs i n g l e - d e t e c m rp s o c t k e yw o r d s ：p s - o c t , s i n g l e - d e t e c t o r ，b i r e f f i n g e n c e ，s t o k e s ，o p t i c a lc h a r a c t e r , f o u r i e r s p e c t r u m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨壅盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：疆本k 签字日期：矽年7 月髟e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨凄盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：力钾年 ， 猩放 7 月6 日 导师躲嘶置锨 期：哆年7 月矽日 第一章绪论 第一章绪论 近几十年来，中国的经济飞速发展，科技文化水平也随之大跨步地前进。这 一切都促进了人民生活水平的提高。人民的健康程度是衡量其生活水平的重要指 标之一。而尽早地发现、治疗病变，是减少疾患、提高疾病治愈率的重要途径； 对一些难以治愈的疾病如恶性肿瘤等，能否在病变早期及时确诊、治疗，对保证 病人的健康甚至生存具有关键作用。 19 91 年，f u j i m o t o 研究小组发表了自己的研究成果，使光学相干层析成像技 术( o c t ) 为世人所知【l j ，从此登上了医学检测的舞台。o c t 以其无损伤、非介入、 高分辨率的特性满足了医学技术发展的要求，是继x 射线后光学技术应用于医学 领域的又一范例1 2 j 。偏振光学相干层析成像技术( 偏振o c t ) 是o c t 家族的一名重 要成员。它在继承了普通o c t 诸多优势的同时，使用偏振光成像，针对生物组织 双折射性质进行检测，实现了功能成像，为疾病的确诊提供了更多的依据，在医 学诊断领域有着很好的应用前景p j 。 本论文开展单探测器偏振o c t 技术和检测系统的实验研究，以检测生物组 织的双折射性质，为临床医学诊断提供一种比较简单的光学检测技术。 1 1 偏振o c t 系统概述 1 1 1 偏振o c t 系统的构成 偏振o c t 系统原理如图1 1 所示，其核心是一个迈克耳逊干涉仪。光源出 射的光是类自然光，包含多种不同偏振态光分量，起偏器选择性地透过某一偏振 态光分量，使输出光成为偏振光。该偏振光进入干涉仪，被2 x 2 耦合器分成参考 光和样品光，分别进入干涉仪的参考臂和样品臂。参考光被参考臂端的反射镜反 射，样品光经生物组织样品背散射，均返回2 x 2 耦合器，并在两者的光程差小于 光源的干涉长度时发生干涉，干涉光信号中携带了生物组织样品的背散射率、双 折射率等信息。干涉光信号经偏振分束器分成偏振态相互垂直的两部分，分别由 两个光电探测器接收，所得电信号再经放大、滤波、解调、模数转换等处理，最 后被送入计算机成像。在偏振o c t 成像过程中，参考臂端的反射镜进行纵向扫 第一章绪论 描，改变参考臂光程，使与之等光程的背散射样品光所对应的生物组织样品层位 置，即生物组织样品层在组织中所处深度随之变化，从而实现了对不同深度生物 组织样品信息的提取。在参考反射镜进行纵向扫描的同时，平移台搭载生物组织 样品进行横向移动，二者共同作用，实现了对生物组织样品的二维扫描成像。 图1 1 偏振o c t 系统原理图 1 1 2 偏振o c t 技术的发展 自1 9 9 2 年美国麻省理工大学的h e e 等提出偏振o c t 的概念【4 】以来，偏振o c t 技术在实验仪器、实验手段、理论分析以及与其它技术的结合方面获得了长足的 发展。 1 光纤光路的应用【5 j 光纤光路及光纤光学器件在偏振o c t 系统中的应用，使系统结构从空间光 路的桎梏中解脱出来，系统中不再使用机械支架，不必调整各光学器件的光轴同 心，简化了系统搭建工作，缩小了系统体积，且更易于做成便携式装置。 2 宽带光源的应用i 瞄j 高分辨率是o c t 技术的优点之一，而光源带宽是分辨率的决定因素。光源 的带宽越宽，o c t 系统的分辨率就越高。随着近年来激光技术的发展，锁模激 光器、飞秒激光器等光源开始应用于偏振o c t 系统中，将系统分辨率提高至ll u n 量级。 3 偏振光在混浊介质中传输的理论研列9 。1 1 】 偏振光在生物组织中的传播及生物组织粒子与光子的相互作用是偏振o c t 提取生物组织特性信息的基础。l i h o n gvw a n g 等学者就此问题进行了深入的理 论研究，对描述光偏振态的斯托克斯矢量和穆勒( m u l l e r ) 矩阵进行了模拟分析 和总结。 4 与其它医学检测技术的结合【1 2 1 4 】 2 第一章绪论 偏振o c t 技术与其它医学检翘i 技术，如光谱o c t 技术、多普勒o c t 技术、 内窥诊断技术等的结合，提高了其成像速度，扩展了其能够检测的生物组织特性 范围，己成为医学检测领域的研究热点之一。 目前偏振o c t 正向着多功能、高分辨率的方向发展在医学诊断领域有 着广泛的研究和应用前景。 11 3 偏振o c t 技术的作用及意义 偏振o c t 利用偏振光成像，既可以检测生物组织的背散射率信息，又可以获 得有关双折射性质的信息，属功能成像范畴。与目前医学诊断领域广泛使用的 c t ( 计算机层析成像) 、核磁共振、超声层析成像等手段相比，具有以下优势1 1 5 - 3 4 ) ： 1图像分辨率高：c t 的成像分辨率只有几百p m 1m m ，核磁共振的成 像分辨率只能达到1 0 00 m 左右，而偏振o c t 使用低相干光源成像，成像分辨率 可达l 岬1 0i i l n ，比上述两者高l 到2 个数量级，接近组织病理水平。图1 - 2 是超声层析成像、偏振o c t 及共焦显微镜的分辨率和探测深度对比。共焦显微 镜的分辨率虽然高于偏振o c t 。但其检测深度小于偏振o c t ，甚至不足1m m 。 超声层析成像的分辨率理论上能够达到2 0 岬，但其频率需达到百兆h z 以上， 在生物组织中的衰减达到7 0d b c m ，系统设计难度大目前尚无研究组能够实 现。 舟辨丰 l m m 1 0 0 0 m l o n i u m i m ml c ml0 c m 屡析深崖 图i - 2 共焦显微镜、超声层析与偏振o c t 对比 2 无损、非介入：偏振o c t 技术使用偏振光干涉成像，入射到生物组织 上的光强受到严格控制，不会对人体造成损伤或产生癌变隐患。且患者无需服食 或注射造影荆，无毒副作用。 第一章绪论 3 双重诊断：c t 和超声层析成像技术均以获取生物组织对检测媒质( x 射线、超声波) 的反射率为目的和成像手段。而偏振o c t 利用偏振光干涉成像， 既可以形成反映生物组织背散射率的灰度图像，也能将病变组织的双折射率变化 用图像的形式反映出来，从而为医生诊断提供更多信息，对于具有双折射性质的 组织，如肌腱、软骨、牙齿，以及能够改变病变组织双折射性质的疾病，如青光 眼、肿瘤、烫伤等具有较高的诊断效率。 4 病变早期诊断能力强：在肿瘤、溃疡等病变早期，病变区域微小，与正 常组织相比性质和形状变化微弱。而c t 、超声层析成像等手段只能扫描出一些 较大的病变，对于早期癌和微小病变无能为力。偏振o c t 兼具高分辨率和功能 成像的优势，能够检测到病变组织的微小异状，及时发现早期病变，为医生的对 症施治提供客观的依据。 5 装置结构简单、体积小：c t 及核磁共振成像装置的体积庞大，须占据很 大的专用的空间。而全光纤偏振o c t 成像装置的体积不足lm 3 ，可以根据需要 任意放置。还可以制成便携式装置，便于临床使用。 6 附加值高：全光纤偏振o c t 成像技术可以与内窥诊断技术、超声层析 成像技术、多普勒技术相结合，形成多功能医学内窥诊断系统。 偏振o c t 的优势使其在医学诊断领域具有巨大的发展潜力，在眼科、牙科、 皮肤科、胃肠道检测及癌症早期诊断方面均有重要应用价值。 1 眼科应用：自o c t 技术被提出以来，对眼部疾病的检测一直是其最主要 的应用。而视网膜、眼角膜、晶状体及眼部神经组织所具有的双折射性质，则为 偏振o c t 在眼科的应用提供了可能。目前，偏振o c t 在眼部疾病诊断领域的应用 主要集中于早期青光眼的诊断，m r h e e 及e r i c hg 6 t z i n g e f f ) t ：究组在该方面进行 了大量工作，获得了反映正常眼和青光眼双折射性质的三维图像【3 5 9 1 。 2 牙科应用：龋齿是一种易感性的牙科疾病，它表现为牙釉质的脱矿。牙 釉质具有较强的双折射性质，但脱矿后双折射性质降低，偏振o c t 能够敏锐地捕 捉牙釉质双折射性质的这种变化，检测早期牙齿内部龋坏的存在。因此，自1 9 9 9 年x i a o j u nw a n g 将偏振o c t 应用于龋齿诊吲4 0 j 以来，多个研究小组对偏振o c t 在牙科中的应用开展研究，获得了口腔组织、釉牙骨质界及牙齿龋损组织的清晰 图像【4 1 4 5 1 。 3 皮肤检测：偏振o c t 在医学皮肤科方面的应用主要集中于对皮肤烫伤的 检测。烫伤将改变皮肤组织的各向异性分布，利用这一特性，偏振o c t 能够检测 不同程度的烫伤对表皮、真皮及毛囊组织的损伤程度i 椎4 9 1 。s h u l i a n gj i a o 研究组 对小鼠尾部皮肤成像，获得了烫伤前后皮肤双折射性质的对比【4 8 】。 4 心血管检测：粥状硬化的心血管动脉破裂前的典型组织学特征是带有纤 4 第一章绪论 维端的脂肪团及紧随纤维的活性巨噬细胞。由于血管具有纤维结构，因此拥有一 定程度的双折射性，偏振o c t 通过对血管壁的双折射性质成像，可以检测附着其 上的脂肪团及其纤维端，及时发现粥状硬化的心血管动脉破裂的前兆。w e n c h u a n k u o 研究组对粥状动脉硬化患者的心脏大动脉进行成像，所得图像清晰地显示了 由坏死的泡沫细胞残骸堆积而成的脂肪团及其顶端的纤维组织1 5 0 1 。 5 癌症早期诊断：癌变组织与正常组织具有不同的层次结构和双折射性 质，因此可以利用偏振o c t 检测癌变的尺寸、位置和深度f 5 1 1 。b h y l ep a r k 研究 组对不同类型的皮肤癌进行检测，显示了组织因癌变而丧失结构层次和双折射性 质的图像【5 引。 除此之外，偏振o c t 在医学诊断领域还得到了更广泛的应用。m a r ke b r e z i n s k i 研究组用偏振o c t 检测关节软骨以诊断骨关节炎1 5 3 ，s h u i c h im a k i t a 和 c h r i s t o p hk h i t z e n b e r g e r 硼：究组对富含肌纤维的牛肌腱和心肌展开研究 5 9 5 5 j ，b h y l ep a r k 研究组获得了人指甲的双折射图像【闻。 总之，偏振o c t 在临床疾病的诊断、治疗和研究疾病的发病机制以及病理 变化过程中，将会越来越多地发挥出它的巨大贡献。 1 1 4 国内外研究情况 1 1 4 1 国外研究情况 国外在包括偏振o c t 在内的光学相干层析技术方面已经进行了多年的研究， 在理论研究和实验室内成像方面取得了大量研究成果。其中，美国c a l i f o m i a 大学 的j f d eb o e r 研究组利用全光纤偏振o c t 获得人眼部神经 5 6 - 5 7 j 、人体皮肤组织 5 8 - 5 9 及离体牙齿【删图像，并将偏振o c t 与多普勒技术相结合，获得了人手指的 双折射和血液流速图像【1 3 】；日本t s u k u b a 大学的y o s h i a k iy a s u n o 研究组对光谱偏 振o c t 进行研究，获得了人体皮肤图像 6 0 - 6 2 ；奥地利v i e n n a 大学的c k h i t z e n b e r g e r 研究组对全光纤偏振o c t 和光谱偏振o c t 展开研究，获得了鸡心肌 6 3 1 、离体牙齿【5 5 1 和人眼部结构【4 2 1 的图像，并将偏振o c t 与双光束检测技术相结 合，获得人体真皮细胞图像m j ，该研究组还对o c t 系统的散射补偿及时域与频 域o c t 的对比进行了理论研究1 6 5 - 6 9 。 目前，尚无与偏振o c t 技术相关的成熟产品，o c t 产品也仅局限于眼科检查 仪器，用于对视网膜疾病、黄斑疾病、视神经疾病以及青光眼进行早期检查。图 1 3 - - - 图l 一5 分别为德国蔡司公司的s t r a t u s 系列和c i r r u s 系列o c t f l l 曼科诊断仪以及 美国o p t o v u e 公司的r t v u e 1 0 0 型o c t 眼科诊断仪。蔡司公司在o c t 产品研究方 面已有超过十年的经验，c i r r u s 系列o c t i i i 曼科诊断仪是其2 0 0 7 年推出的新产品， 第一章绪论 可以提供眼部的三维图像。o p 幻v u e 公司的r t v u e - 1 0 0 型o c t 眼科诊断仪使用8 2 0 n m 光成像，分辨率1 5 岬，成像速度6 帧，秒，能够满足实时成像的要求。 二 一 ? 梨 奄 图1 3s t r a t u s o c t 眼科诊断仪囝i - 4 r t v u e - 】0 0 0 c t 眼科诊断仪 图1 5 c i r r a s o c t 眼科诊断仅 1i4 2 国内研究情况 国内在偏振o c t 的理论研究和实验室内成像方面都取得了较大进展。福建师 范大学谢树森研究组、南开大学张春平研究组、浙江大学王凌研究组及黄亚达等 人致力于偏振光在高教射介质中传播的模拟对非均一介质、空间滤波等条件对 偏振光传播的影响进行了分析研究【7 “”】：浙江大学丁志华研究组利用偏振o c t 对猪韧带和软骨进行成像实验i ”l ，获得了松弛和紧张状态下的韧带双折射图像： 天津大学王瑞康和姚晓天研究组分别对偏振o c t 的成像原理进行了讨论”5 “j ， 第一章绪论 并获得了离体牙齿的双折射图像。 1 2 本文的研究意义 目前，国内外对偏振o c t 的研究主要集中于双探测器偏振o c t 。双探测器偏 振o c t 系统原理如图1 1 所示，它使用两个探测器，分别接收干涉仪输出的偏振 态相互垂直的两束偏振光，再利用得到的两组数据计算出生物组织的双折射分布 并显示为图像。双探测器偏振o c t 表现生物组织双折射性质的方式有3 种，分别 为相位差图像、斯托克斯矢量图像及穆勒矩阵图像。其中，斯托克斯矢量四个分 量的提取需要同时获得干涉仪输出光的水平、垂直、4 5 0 及右旋偏振分量 7 9 - 配j 。 而穆勒矩阵的计算则需要对同一生物组织使用四个不同偏振态入射光进行检测， 分别获得四组斯托克斯矢量，再利用这四组斯托克斯矢量计算出生物组织的穆勒 矩阵【4 7 ，7 5 j 。与斯托克斯矢量和穆勒矩阵相比，相位差图像的获取只需要求取干 涉光的两个偏振态相互垂直的分量信号间的正切即可。但光纤光路在偏振o c t 系统中的使用为获得的相位差值引入了噪声，需要复杂的算法来消除噪声，才能 还原生物组织本身的双折射分布。综上所述，利用双探测器偏振o c t 检测生物组 织的双折射性质，过程繁复、算法复杂。并且，即使系统中使用的两个探测器的 参数存在微小差异，也会为检测结果引入较大噪声。 健康的生物组织具有规律的双折射分布，而病变的生物组织，其双折射分布 遭到破坏，甚至完全丧失双折射性质。偏振o c t 在临床医学诊断领域的主要应用 是检测生物组织双折射性质的变化，从而为诊断提供依据。双探测器偏振o c t 获得的斯托克斯矢量和穆勒矩阵虽然能够提供对生物组织双折射性质的精确数 学表达，但对于没有经过专业培训的人员而言，其图像的物理意义并不明确【8 孤。 在诊断中，医生仅关注生物组织双折射性质的变化度。根据医学诊断的这一 实际需要，本文针对单探测器偏振o c t 技术展开研究。偏振光在生物组织中传 输，其偏振态受生物组织双折射性质的影响而发生改变，导致干涉仪两臂返回光 的偏振态一致性变化，干涉光强因而随之波动。单探测器偏振o c t 系统使用单 个探测器接收干涉光，将干涉光强直接表现为灰度图像，通过观察图像明暗的周 期变化，即可得到生物组织双折射分布及其受病变影响的程度。 单探测器偏振o c t 系统摒弃了双探测器偏振o c t 系统使用两个探测器获取 斯托克斯矢量和穆勒矩阵的检测方式，改为由单个探测器所接收的光强直接反映 生物组织的双折射性质，简化了系统，缩短了检测过程，获得的图像通过灰度的 周期变化体现生物组织的双折射性质，直观易懂。 本文的研究若能够获得预期结果，将有可能为我国临床医学诊断提供一套新 7 第一章绪论 的检测技术，有助于推动我国国民健康事业的发展。 1 3 本文的主要研究内容及创新点 1 3 1 本文的主要研究内容 本文围绕单探测器偏振o c t 技术展开研究，对单探测器偏振o c t 检测生物 组织双折射性质的原理及其可行性、可靠性进行理论分析和实验验证，主要研究 内容如下： l 、单探测器偏振o c t 检测生物组织双折射性质的原理研究 偏振光在生物组织中传播，其偏振态受到生物组织双折射性质的影响，这种 影响可以通过微观效应和宏观效应两种方式解释，微观效应指生物组织粒子对光 子的散射作用，宏观效应指偏振光沿生物组织快慢轴传播过程，二者具有统一性。 本文分别对这两种理论及其过程进行研究。 对于微观效应，建立具有双折射性质的生物组织模型，利用基于米氏散射理 论的蒙特卡罗方法，模拟偏振光在生物组织中传播时，其背散射光的斯托克斯 ( s t o k e s ) 矢量沿生物组织纵深方向的分布。对于宏观效应，探讨偏振光沿生物 组织快慢轴传输过程中，两偏振态分量间相位差随传播深度的变化。在此基础上， 分别根据斯托克斯矢量的分布和偏振光沿生物组织快慢轴传输产生相位差两种 理论，分析生物组织背散射光偏振态变化的机制，并结合菲涅尔一阿拉果定律阐 述生物组织双折射性质对干涉光强的影响，进而说明单探测器偏振o c t 检测生 物组织双折射性质的原理。 2 、单探测器偏振o c t 系统设计 在双探测器偏振o c t 系统的基础上，通过对单探测器偏振o c t 检测生物组 织双折射性质的原理和过程的分析，提出单探测器偏振o c t 系统设计方案，解 决参考臂偏振态控制、信号解调等问题。 由于提高光学系统信噪比是提高单探测器偏振o c t 系统信噪比的关键，因 此本文建立光学系统信噪比模型，模拟并讨论四种不同结构的光学系统对信噪比 的影响，分析各结构光学系统在相同参数下所能达到的最佳信噪比。以此为依据 完成光学系统设计。 3 、单探测器偏振o c t 系统实验 1 ) 生物组织双折射检测实验： 8 第一章绪论 在本文设计的单探测器偏振o c t 系统基础上，开展生物组织双折射性质的 检测研究。以新鲜牛软骨为样品完成二维扫描成像实验，获得具有明暗相间条纹 的灰度图像，这些条纹反映了生物组织的双折射性质。根据条纹间距与双折射率 的关系计算得到牛软骨的双折射率，其结果与已知的牛软骨双折射率能很好吻 合，证实该系统检测生物组织双折射性质的正确性和可行性。 2 ) 生物组织特性参数对a 型扫描信号傅里叶频谱影响的仿真和实验： 偏振光在生物组织中传播，受到生物组织特性( 如双折射率、厚度、折射率 等) 的调制，表现为背散射光偏振态和强度分布的变化，这种变化随背散射光参 与干涉而被引入到干涉信号中，改变了偏振o c t 图像中反映生物组织特性的灰 度分布，从而改变了体现偏振o c t 图像灰度分布规律的傅里叶频谱。本文建立 生物组织特性对单探测器偏振o c t 系统干涉信号的调制模型，模拟不同生物组 织特性参数对偏振o c t 系统的a 型扫描信号傅里叶频谱的影响；利用单探测器 偏振o c t 系统获取不同生物组织的a 型扫描信号，并进行傅里叶变换，将其频 谱进行对比。模拟和实验结果说明，折射率只与频谱副峰的形状有关，而光轴方 向则同时影响主峰和副峰形状，频谱主、副峰随组织层增厚而更加紧凑，而频谱 副峰位置则随双折射率的增大而远离主峰。因此，单探测器偏振o c t 系统获得 的灰度图像中，含有生物组织的厚度、折射率、双折射率等特性信息，即该单探 测器偏振o c t 具有反映这些特性信息的能力。 4 、双探测器偏振o c t 对比实验 搭建双探测器偏振o c t 系统，针对在光纤光路系统中，传输光的随机偏振 态变化对检测结果引入的噪声，研究消除光纤影响的算法，最终获得反映生物组 织双折射性质的相位差图像。通过该图像与单探测器偏振o c t 所得图像的对比， 进一步证明单探测器偏振o c t 系统检测生物组织双折射性质的可行性和可靠 性。 1 3 2 本文的创新点 单探测器偏振o c t 技术是一种新型的偏振o c t 技术，本文以单探测器偏振 o c t 技术为核心展开研究，具有以下创新点： l 、以单探测器偏振o c t 技术作为研究目标，使用单个探测器检测生物组织 双折射引起的干涉光强波动，并将其显示为反映生物组织双折射分布的图像。研 究生物组织背散射光的偏振态随偏振光在组织中传播深度的变化规律，并将其与 偏振光干涉理论相结合，共同阐明单探测器偏振o c t 检测生物组织双折射性质 的原理。 9 第一章绪论 2 、根据偏振o c t 技术检测双折射性质的原理及医学诊断的实际需要，设计 搭建单探测器偏振o c t 系统，通过对不同光学系统的信噪比进行分析，选择具 有最佳信噪比的光学系统。利用该单探测器偏振o c t 系统对生物组织进行成像 实验，获得反映生物组织双折射性质的二维图像。 3 、研究不同生物组织特性对单探测器偏振o c t 系统a 型扫描信号傅里叶 频谱的影响，并使用自行搭建的单探测器偏振o c t 系统获取生物组织的a 型扫 描信号，分析其傅里叶频谱，结果证实单探测器偏振o c t 具有检测生物组织特 性信息的能力。 1 4 本章小节 本章首先介绍双探测器偏振o c t 系统的构成和偏振o c t 发展历程中具有里 程碑意义的技术，然后列举偏振o c t 技术在医学诊断领域的应用及其优势。接 下来阐述偏振o c t 及其相关技术在国内外的研究现状。针对目前国内外所研究 的双探测器偏振o c t 检测过程繁复、算法复杂的不足，提出单探测器偏振o c t 系统设计方案，利用一个探测器检测干涉光强变化，对生物组织的双折射性质进 行定性描述。最后阐述了课题的主要研究内容和创新点。 1 0 第二章偏振o c t 成像原理 第二章偏振o c t 成像原理 双探测器偏振o c t 技术和单探测器偏振o c t 技术均以偏振光的低相干干涉 为理论基础，以迈克耳逊干涉仪为系统核心，但其对生物组织双折射性质的表达 形式截然不同。本章通过追踪光线在迈克耳逊干涉仪中的传输，介绍偏振o c t 的成像原理，并讨论双探测器偏振o c t 对生物组织双折射性质的三种表达形式， 分析双探测器偏振o c t 的不足。接下来，本章分析并揭示单探测器偏振o c t 检 测生物组织双折射性质的原理，并对单探测器和双探测器偏振o c t 的系统结构 和性能进行对比。 2 1 偏振o c t 成像原理 2 1 1 偏振o c t 成像的物理基础 光偏振态即光的振动方向。自然界存在的光大多是自然光，自然光可以看成 一切可能方位上振动的光波的总和。如果光矢量的大小和方向呈有规则变化，则 称其为偏振光畔】。光在不同物质中传播，会受到物质中粒子的作用，发生反射和 散射，在具有双折射性质的物质中还会发生双折射现象。利用光的这些特性，通 过分析物体的背散射光便可以确定物体内部组织的光学特性。 人体组织是光的传播媒介之一。图2 1 是光与人体组织的相互作用示意图。 可见，光射入人体组织后，一部分被吸收，一部分经单次散射后离开人体组织， 还有一部分在人体内经历多次散射。当人体局部发生病变，该处组织的背散射率、 双折射率等组织光学特性发生变化，从而改变人体内背散射光的强度和偏振态。 正是基于这一原理，医学上将光入射到人体组织内，并接收组织内部的背散射光， 以检查表皮下组织器官的健康状况。这与b 超的原理相近，但光速远远大于声 速，以至于无法在时间上分辨入射光和反射光。为解决这问题，偏振o c t 技 术将被测组织的光学特性信息( 背散射率、双折射性质等) 调制到干涉条纹中，使 之易于为光电探测器等设备接收，并以图像的形式显示出来。 第二章偏振o c t 成像原理 图2 - 】光与组织的相互作用示意图 2 1 2 低相千干涉信号分析 偏振o c t 系统的低相干干涉系统原理如图2 - 2 所示。系统使用低相干s l d 光源，其发出的光为非偏振光其光波场可以表示为： “= 。o ) e x p 旧皿( 2 - 1 ) 其中爿。o ) 是光波的振幅，。是光源输出光的频率，t 是该频率所对应的波数。 磊- 一 分束器 光电 探剁器 双探测器偏振o c t单探测器偏振o c t 图2 - 2 偏振o c t 低相干干涉系统原理圈 小鼢 臻镜卜 删麓 第二章偏振o c t 成像原理 驴州 ( 2 - 2 ) 快轴与水平方向成角的四分之一波片的琼斯( j o n e s ) 矩阵为： 乇聊) = 以也肿j 只 ( 2 3 ) 謦中如胛= 0 刁是快轴平行于水平方向的四分之一波片的琼斯矩阵。 啪) _ i 坶c o n s ；：嚣卜光学器件的光轴旋转角所对应的琼斯矩阵，为 乓2 ，胛祟5 k 聊q 2 5 万i e j pe x p 卜记m ( 2 - 4 ) = 剐卜圳 ( 4 5 ) = 黜； 弘5 ， z ll ， 第二章偏振o c t 成像原理 射。背散射光再次经过四分之一波片并返回分束棱镜。 为便于分析，将被测生物组织视为均一的，具有线性双折射性质的物质，其 快轴方向与水平方向成矿角，因此被测生物组织可等效为一个快轴与水平方向成 矿角的波片，其琼斯矩阵可以表示为： j s = j 。t k p v 月( 2 6 ) 鼽= ( e x p e x p 0 靴) ) 是删生物组织双折删入的相位延迟 矩阵；8 = 2 忍锄旯，是光在被测生物组织中传播距离z 而产生的相位延迟， 血= 刀，一力，是被测生物组织快、慢轴折射率之差。将( 和以代入公式 ( 2 6 ) ，得到被测生物组织的琼斯矩阵： r fe x p o 万2 ) c o s2 ) + e x p ( - - i s 2 ) s i n2 ) 2 is i n ( 8 2 ) s i n ( q ) e o s ( 9 ) 1 吣- - l2 i s i n ( 8 2 ) s i n ( o ) c o s ( 9 )e x p ( i 6 2 ) s i n2 ) + e x p ( _ 话2 ) c o s 2 ) j ( 2 - 7 ) 根据公式( 2 5 ) 和( 2 7 ) ，可以得到样品光返回分束棱镜时的光波场为： 。e s = j 毛w p 心却：厕s j 册0 5 ) i 1e ee x p ( - i 2 k s ) ：万1 癣g r 觜嗡呱) q 。8 其中，r ( z ) 为距被测生物组织表面z 处的生物组织层的背散射率；l s = + 疬是 样品光光程，即从分束棱镜到反射点的光程；l o 是从分束棱镜到被测生物组织表 面的光程，万= b ，+ 刀，) 2 是生物组织在快、慢轴方向上的折射率的平均值。 2 1 2 3 干涉光信号 参考光和样品光在分束棱镜处重新会合，形成一束干涉光，其光波场可以表 示为： q = b + b = e s n + e 胴 lf 去e x p ( - f 2 七，) + 、：瓦研e ) ( p 0 2 9 ) s i n ) 2击eg沁xp卜陀红|万i；二三一：n l压“中v 一一“w 掣 ( 2 9 ) 其中，a = l r 一，是迈克耳逊干涉仪两臂的光程差。为了对被测生物组织中不 第二章偏振o c t 成像原理 同深度的点成像，需要对干涉仪两臂间的光程差进行扫描，这种扫描一般依靠机 械装置【8 5 】或压电效应i 蚓驱动参考反射镜实现。参考反射镜沿生物组织纵深方向 以恒定速率p 反