频域光学相干层析在体成像三维信号高分辨重构方法

The lateral resolution can be enhanced by the increase of numerical aperture of the objective lens in frequency domain optical coherence tomography（FD-OCT）. Unfortunately, high-numerical aperture increases blurring further from focus and leads to the reduction of depth-of-focus（DOF). In this project, reconstruction of in vivo three-dimensional images of biological tissue with spatially-invariant resolution and key techniques will be studied to resolve the contradictions between high lateral resolution and large DOF. FD-OCT system setup is improved to provide flexible and multifunctional test platform for theoretical research. Relationship between sensitivity roll off rate and effect factors is established to systematically improve the signal power at deep layers. Position shift and phase difference between A-Scans are registered to eliminate the phase fluctuations caused by galvanometer positioning accuracy, system mechanical jitter and especially the movement of sample for in vivo image reconstruction. Finally, three-dimensional reconstruction with spatially-invariant resolution is completed based on diffraction theory and Gaussian beam propagation path. In vivo three-dimensional focused high-resolution image with large depth is recovered when High-numerical aperture objective lens is adopted. The project provides in vivo three-dimensional high-resolution data for FD-OCT and lays the foundation of improving application level and increasing application fields for FD-OCT.

增大频域光学相干层析系统（FD-OCT）的数值孔径可提高横向分辨率，但加重了焦平面外图像离焦程度，使焦深变小。本项目研究生物组织在体成像中的三维信号恒定分辨率重构方法，解决高分辨率与大焦深矛盾，并对其中的一些关键理论和技术进行研究。主要包括：改进已有实验平台，增加系统灵活性及功能，为理论研究提供测试平台；建立灵敏度下降率与各个影响因素的关系，研究综合提高深层信号灵敏度的方法；为实现在体成像三维重构，对FD-OCT横向扫描得到的A扫描信号进行位置和相位配准，消除扫描定位误差、机械跳动、尤其是样品抖动引起的位置偏移和相位波动；基于衍射理论和高斯光束传播路径实现三维信号高分辨重构，使离焦图像恢复聚焦，横向分辨率不随深度而下降，大数值孔径下同时具有高横向分辨率和大焦深。研究成果将为FD-OCT在体成像获得三维高分辨基础研究数据，为提高应用水平及扩大应用领域奠定基础。

OCT系统的横向分辨率与物镜数值孔径成反比，增大数值孔径可以提高横向分辨率，但反过来会使焦深减小，离焦区域变得更加模糊，存在高横向分辨率与大焦深矛盾。当利用OCT 对人体生物组织进行在体测量时, 扫描定位精度、机械抖动、尤其是人体无意识的运动会引起OCT信号相位波动和幅值波动，使生物组织结构图像和血流图像质量下降，影响临床诊断。 .完成主要研究内容：.(1) 对实验系统进行了性能优化，并搭建了眼底频域OCT成像系统。.(2) 采用菲涅尔衍射数字聚焦技术，实现了FD-OCT三维结构图像的高分辨重构，解决了系统高横向分辨率与大焦深之间的矛盾。.(3) 提出了一种基于FD-OCT A扫描信号相位分布特征的相位配准方法，可简便、快速、精确地消除A扫描信号的相位波动。.(4) 提出了一种基于最小灰度差匹配原理、Lorentzian 曲线极值拟合及谱域光程差补偿方法相结合对A 扫描信号幅值实现亚像素级配准的方法。.(5) 在对OCT信号相位配准基础上，利用菲涅尔衍射数字聚焦技术实现了对手指、手掌等生物组织在体成像信号的高分辨重构，提高了在体生物组织的结构图像质量；在幅值和相位配准基础上, 利用复数信号相减血流成像算法消除了静态组织对血流成像的影响, 获得了清晰的视网膜血流图像。 .(6) 提出了一种以视网膜的IS/OS层为特征曲线，以快速扫描方向的波动量为评价标准，消除FDOCT沿慢速扫描方向产生的图像抖动的方法。此方法不需要其它硬件，只需要利用一次扫描数据。.(7) 提出并设计了一种频率抑制滤波器，有效去除了OCT视网膜血流图像中由于幅值和相位波动以及噪声等因素形成的条状伪影，进一步提高了血流成像质量。此滤波器也可以用于消除其它成像系统产生的条状伪影。.(8) 此外，研究了基于光学相干层析技术的微粒子跟踪全流场速度测量技术，实现了微米级空间分辨的微流场流动特性3D可视化速度测量，对人体体液及微流动器件流动特性测量具有重要意义。. 相关研究成果的应用可大大提高FDOCT对在体生物组织进行结构成像以及血流成像的质量，此外，提出的幅值配准、相位配准、频率抑制滤波等技术也可以应用在其他光学成像领域。