第卷第期光电子技术与信息年月综述光学相干层析成像技术曾志男明海合肥中国料学技术大学物理系摘综述了元学相干层析成像分析要技术的基本原理及其发展状况成像的影响和减弱方法以及成像的机理并讨论了散斑现象对关禅词技术成像机理分析散斑现像引言度不够的缺点阎本文主要介绍现代的层析成像技术已经得到了广泛的的基本原理和应用应用和发展以及它的发展状况和成像过程中的一些相关问题如射线计算机断层扫描核磁共振成像和超声波成像等有各自的应用范围和分辨率它们分别这里将介绍一墓本原理的基本装置如图所示种新术“层析技术即光学相干层析其核心部简称成像技分是一个全光纤干涉仪以它应用低相于度光源或超短激光脉冲从而获得微米量级的空间分辨率光学相干时域反射测量技术开始于年代中期起初主要用于微型光学元件内部缺陷损伤等的测定后来发展的技术是一种很检波器计算机机则主要应用于对生物组织的研究好的无损伤探测技术和分辨率具有很高的动态范围适合于探测各种生物组织等人首次用它成功地获得人年眼视网膜的细微结构和冠状动脉壁的结构此后图的基本装光路图该技术得到广泛的研究年拼。为光源通过即光纤报合器反射光形玩等人冈以锁模钦宝石飞秒激光脉冲获得了的纵成的干涉信号由检测器接收后检波器从中为光源进行实时成像向分辨率取出信号模数转换后存入计算机考虑光至年等人采成像穿透深源的时间相干性二采用复相干函数描述用新的探测装置改善了二收稿日期以尧卜曰第比卷第期光电子技术与信息年月则光源的相干长度为实验装置的核心部分是一个全光。甲丁二纤干涉仪如图所示其中包括光源样品臂信号探测装置一韶阳二反射镜以及信号检测部分以下从几个方面来讨论实验因此如钾用干涉仪做实验装置时检测器接收到的电流为光源己。在成像中光源是至关重要的的优点之一在于能够获得很高的分辨当光源的相干长度很短时由于是从率这就需要采用相干长度比较短的光源如样品内部不同的面上反射的具有不同的飞先程假设可用如下形式描述氏秒激光器等宽频带光源土年等少、采用获得了了又几。乙,动反十动表示第个反射面皿的纵向分辨率〔‘而年。上开时的光而以二乙认们因此只有当等人采用脉宽小于的锁模钦宝石激光某个、一时信号乙仪唁才有可能被器冈虽然由于电子检测系统的影响仍获得提取出来即获得了竿凡个反射面的信息了群的高分辨率理论值为材当不断改变丁时就可以获得整个样品的内的横向分辨率则与光束的聚焦效部信息果有关要获得很高的横向分辨率对入射由于光源具有一定的相干长度反射光样品的光束有很高的要求不仅光源具有很的信息可以看什是相干长度内的平均值其好的输出光束传输过程中还要求采用单模空间分辨率为相干认度的量级影响分辨率光纤等不仅如此特殊的实验要求还可以的不仅是光源的线宽还与光源的线型检其采用特殊的光源如,等人为测器性能等有关对于线型光源了成像中能区别水和脂肪就利用水和脂肪纵向分辨率可为的吸收差异巧妙地采用了双光源方法和特入么,二理一获得了很好的结果一一殊的数学处汀八入总之在实验中可以通过考虑分辨率其中入为光源的中心波长么入为光谱的半样品的光学性质信号检测部分的光学性质高全宽以及实验要求等来选取合适的光源进行相成像的横向分辨率则取决于样品应的实验入射光束在相应反射面上的光斑大小一般探测装置在二左右探测装置是特指干涉仪样品臂把光输入实验装置样品并接收反射光的装置部分该部分的基本作用是把光束会聚至微米量级从而获得口反射镜相应的横向分辨率具体可以采用准直器加会聚透镜或生物显微镜等但对于殊的实验方法和要求它还可样品特有特殊的要求如利用反射光的偏振性质光源时就需要有特殊的结构特别值得一提的图简化实验装置图第卷第期光电子技术与信息年月是人等人同和等如图医学上需要的更倾向于对活体进行研究然将探测装置做成导管状而样品的内部组织可能是在不停地运动的如血管中血液流动所示将其插入血管等对内部组织进行成因此如果在成像时间像此方法虽然可能会出现对样品的损伤内样品发生了很大的变化相对而言如毫但部分地克服了成像的穿透深度比较延坤代米量级的移动临床表明那么得到的图像如何反映浅只有毫米量级的缺点样品内部结构呢月存传胶透于卜悦光全盖活体样品的成像对时间有很高的要求利用和透镜年技术等人问直接对病人视网膜进行成像其成像时间为左右叭其他实验成像时间为了消除在此过程中一般均在由于眼球运动物平面像病人移动等所带来的影响采用了互相关技术对图像进行处理很好的结果获得了横习扫描物平而这一结果使得对病人的眼睛方成像作面的疾病进行定量分析成为可能人眼或图头品。光照、、以上从实验装置的角度对带有压电晶体的外科手术探可变套筒式探头了一些讨论总的来说以极短相干时间的光同时用源来获得很高的空间分辨率以此为中心采用各种方法来得到很好的实验结果为了对成像作进一步的了解于目视观察和成像的腹腔镜在此下面对检测器接收到的信号略作讨论一般来说接收信号可以写成如下形式输人光纤兰塑材马达光连伎器、主二井附轮专动一九妙其中内套竹角校镜约表示信号包络大是反射镜运动则与距离和样品带来的多普勒频移几是样品内部物质运动引起的多普勒频移的光学性质等有关外橄固定、透明窗拭对于艺收系数有关其以与样品的反射系数和吸图探针末端探针顶端九与样品的内部运动有关因实验条件在成像中此可以制备一块生物组如果考察信号的不同部分将可以得到样品的不同结构性质或者说要获得不同方面的样品结构特点织样品进行成像此时不足速度研究其内部的结构信息可以利用信号的不同部和战等人叫以成像时间为代价弥补其他部分的分如等人民如可以提高成像质量降低信号采集但实际上利用多普勒效应分别测量了高散射物质中降低计算机处理速度等的粒子运动和皮下组织的血液流动分布入而还可以直接对活体进行成像或者说等人则利用脂肪和水对光具有第卷第期光电子技术与信息年月不同的吸收特性进行成像使得原位置反射的光均则表示参考镜的来难以区分的脂肪和水得到了明显不同的反射光图像通过对这个表达式的化简并采用傅里成像机理分析叶变换进行分析提出成像系统的光学传递函数可定义为生物组织的结构是非常复杂的至今尚模型来描述因而有关万无无一‘一无毛‘未有一个很好的的成像机理分析也是非常困难的有关其理式中无为常数通过对光学传递函数的研论分析的文献并不多见’等究得到了系统相当于高通滤波器的人采用消光一单次散射模型得到了如下公概念但由于没有对反射光进行细致的讨式‘论因而模型的应用仍有很大的局限性,袋为了更好地描述成像‘一“等人讨论了一个新的模型在这个模型『不尸一下下下不厂下下下二二厂八万万苏一厂十又、中既有单次散射光又有多次散射光分别守二‘加以详细讨论其与果有利于研究散斑消除的方法在该模型中入射光被生物组织内其模型的基础在于人射光被生物组织内的散射颖粒所散射被接收器接收的反射光的散射颖粒所散射而只有一阶单次后向中既有单次散射光也有多次散射光光照散射光能被干涉仪提取出来作为成像信号射散射颗粒后以散射颗粒为中心形成球面式中刀为检测器量子效率为入射功率波散射出去不同颗粒散射的单次散射光可为光子平均能量为透镜有效焦距以相干叠加而多次散射光则采用非相干叠入为入射光中心波长,为入射光束半径力口占’一城司为复相干因子为轴如图所示光从透镜平面入射样品向单位长度内的总反射系数。。’内从散射平面反射回去检测器接收到的为消光系数户为散射颗粒密度二为散射电流可表达如公式截面拼为吸收系数由于此模型只考虑了单次散射效应因透镜而模型的适用性是非常有限的只要光在生物组织中的穿透深度达几百微米该模型将物引红乏护价很快变得不适用由统计光学可得出一个表达式‘‘’其中包含了多次散射光︸几式乙二二石,思以三丁图成像原理示意图其中几从表示样品的表面位‘。··。‘·置而风表示样品内部不同一人乙凤‘必,同〔“,第卷第期光电子技术与信息年月其中面斤表示量子效率表示检侧器接收当几其中几凡几凡二酥几毋几,由统计光学可知时上式可矶沉’几分别考察表达成如下方程式为·‘一,。·可以得到人反。必。、了‘。‘乏汽只刀夕、以下假定干涉在透镜平面上发生并分开讨论单次和多次散射光单次散射光众一一一“门嵘一无,蚕进入样品的光有一为户表示散射系其中轰护户。数这里忽略吸收的几率在到达处之前不发生散射被平面又有一“会,念表示光束横截面上的空间相干长流,后向散射后度对个散射颗粒的光进行非相干益加的几率返回而不被散射经过推导对于单个散射颗粒得到电流艺轰…亡‘、‘。,一尹耳兀。。丁斋、十·一’。一呀一‘罕好最后得到的总电流公式为￡‘誉‘一念‘“。￡二孚’其中几表示颗粒散射截面离光束轴线位置尸是散射颗粒从电流的表达式中可以看出常灵活该模型非可以通过它讨论样品的光学性质卜解中叻勺寻,会一二﹂卫,‘一一一念,研究卜玲‘,与影响等斌二‘的关系对成像的一勿一爪笠厂典鱼成像中的散斑分析在前面成像机理中提到程是非常复杂的其‘无表示光束光强分布为成像的过生物组织中存在大量的散当采样体积内有二‘。个散射颗粒时、射颗粒而成像过程又是采用相干光照明。,二艺。、其中复杂的多次散射过程不可避免的使得散斑现象是利用的也正是散但是多次散射光入射样品的光在到达二射颗粒的后向散射光。因而散斑与信号是共之存的然而要提高成像质量却必须要采前有一一脚的几率已经被散射光束会扩展一而且经取措施减弱散斑提高信噪比过多次散射后会降低其空间相干性需引入非均散斑的墓本性质由统计光学结论可知照射粗糙表面所形成的为了讨论多次散射光散斑是由相干光匀介质的扩展惠更斯菲涅耳公式电流表某一点的散斑光强达如下式,分别为负指数分布其中在域未一爹夕二’为平均光强成像中信号是来自一定采样几几八几八几体积由尤束横截面和相干长度决定内的反第卷第期光电子技术与信息年月射光而此采样体积内大量的散射颗粒会形方法来提高只和凡分别为非相成夏杂的多次散射使反射光波前形成复杂干叠加和相干叠加所达到的信噪比由理论的畸变从而形成大量的散斑另一方面分析可得如下结果冲根据和的分析当采用相民、二勺干光照明时会出现频率丢失的问题这也俪一“‘、。乏、一‘会引起散斑现象生物组织具有一定的空间其中为探测器个数爪火表示第个频率分布日闪而采用相干光照明时相当探测器和相邻的第丙个探测器接收到的于采用了一个频带为叶一走资亡的带通光的复相干因子滤波器其中入为光源中心波长乙为相干虽然此方法能有效地提高但它受长度因此必然会丢失一部分空间频率到了数值孔径协约的当采用的数值孔而这部分空间频率的丢失可能会使原来比较径比较小时分辨率将会出现很大的下降平滑的空间变化出现类似散斑的起伏只有当有效数值孔径决定于光束的横向相干由此可见散斑形成的原因是比较复杂长度而不是物理孔径时分辨率才会基本上的而且与丁系统本身是紧密相关的这保持不变使得要想很好地减弱散斑将是比较困难的预域合成减弱散斑方法分析不同频带的光所形成的散斑图像与信自从散斑现象随相干照明出现之后减号相比其互相干度比较低因此当采用弱散斑的方法也随之而来了至今减弱散宽频带光源进行照明然后将带宽△入分成斑的方法已有很多主要有偏振合成空间刃等份并将此万个频带内的信号进行非域合成颇域合成和数字信号处理的方法相干叠加则可以使信噪比提高、厉倍以下分别加以介绍并讨论它们在「中应但是这种方法最不利之处在于将入入用的优缺点进行等份后系统的分辨率会下降到原偏振合成来的分之一这是成像所无法容忍偏振合成是采用非偏振光进行照明这的样由统计光学中对散斑的分析可知由于信数字信号处理号与散斑有不同的相位特点可以使信噪比数字信号处理是将获得的图像存入计算提高、万倍本又的结果主要针对无杭后采用各种算法对其进行处理由于此规散斑而对于部分无规散斑反会使丈时图像已经被记录下来因比就可以采用数有所下降、字信号处理中的各种方法如中值滤波维实验中采用单模非偏振保持光纤但由纳滤波多分辨率小波分析自适应平滑以于绝大多数灼光纤锅合器都不是偏振及复数域处理方法中的方法入的两偏振方向的光强分配也难以相同日算法三等此信噪比的提高未必能达到、万,川年其中尤其值得注意的是复数域处理方法新出现的偏振干涉仪也许有利于提高和多分辨率小波分析复数域的处理方法可以充分利用信号和散斑的不同相位特气空川域合成达到有效去除散斑的目的但实际上丁关空间域合成是采用探测器阵列接收采样在复数域处理丁图像的研究并不多体内反射的光信号然后通过非相干叠加的等人曾利用方法进行处理第卷第期光电子技术与信息年月而小波变换最早是由法国地球物理学究中的有效技术发展已经得到了广泛的研究和家入于年代初在分析地球物理信号它的细胞量级的分辨率不仅有利于研时作为一种信号分析的数学工具提出来的由于这种方法不同于在无限域上进行分析的傅里叶变换的究生物体结构行等等而且将有利于显微手术的进技术及其相关方面而是针对信号的局域性特点但是对于因而对于分析信号具有特殊的能力还有许多需要深入研究或毫米量级的穿透深度如成像只有的成像机理分小波分析是把信号按不同的分辨率者说按不同的频带质可知进行分解由散斑的性析散斑现象的起因及其消除技术信号中散斑主要分布在一定的尺度或分因此对于分解以后的信号的位相信息的利用等等这些都有待干继辨率上散斑续深入的研究将主要集中在某些分量上像分解在例如将一幅图两种分辨率上可以得到四个分亡心亡参考文献助八’量其中了表示水平方向上为低分辨率等等阴肥亡而垂直方向上为高分辨率上占的分量将最多亡。全那么可知散斑在而在上的分量将最少亡百亡和二田亡目亡亡亡二少助中将居中权此时对四分量进行重新加亡气〕气生三落然后重建图像就可以达到减少散斑的等人采用亡亡旋,卜上生之目的等人和实际上。衡了,上亡此方法有效地提高了图像质量入。七立。可以将一幅图像分解成不同分辨率的许多分量性然后根据散斑的分布特亡亡亡对这些分量进行加权因此就可以有效地减入、亡习弱散斑散斑的统计特性尺寸等的曾绍祥胡。亡尸即。精确研究对于减弱散斑是极为有利的骆清铭、了刘贤德等光学学报结论技术的原理通过对实验装置和、入亡心伪亡该成像机理分析介绍可知以及其中出现的散斑现象的入亡外已」人至勺技术作为医学和生物学研晰〕亡。气只,茗一肋初二几入亡,及。几才。。第卷第期光电子技术与信息年月川往已皿自体荧光和肿瘤的光谱诊断研究进展‘王振亚中国科学院安徽光学精密机械研究所合肥〔摘要组织的自体荧光可用于肿瘤的光谱诊断用不同波长的激光激发组织获得不同的自体荧光光谱特征它们分别起探于蛋白质色氨酸口卜琳一蛋白的能量转移以及内源叶琳的荧光等通过促进外琳的生物合成可以增强自体荧光采用时间门光谱技术可以提高自体荧光诊断的灵敏度光诱导的荧光变化的探侧可以提供光动力产生的单态氧和以叶琳为基础的光动力治疗效率的信息类扭词内源荧光物质激光诱导自体荧光肿瘤光谱诊断光动力治疗引言光谱为荧光激发光谱如果固定激发光的波长记录荧光强度随波长的变化情况此时医用光谱诊断是指在激光作用下利用得到的光谱称为荧光发射光谱或荧光色散光组织光谱特征诊断疾病光动力治疗指的是谱并由此发现识别肿瘤的特征光谱或数学治疗时需要光敏化剂而治疗效应又是可见判据光的光子活化而产生光子肿瘤的光谱诊断和光动力治疗的发展历学的飞速发展使它们成为信息科学和生命史大致分为三个阶段洲科学研究领域中重要课题之一〔‘、初始阶段从本世纪初到。年代医用光谱诊断采用的一种重要的光谱手初年洲在实验中首次观察段是激光诱导荧光光谱方法当激光与人体到肿瘤组织的自体荧光并认为这是细菌感组织中的发光物质如外源光敏物质或内源染的肿瘤中形成的内源性叶琳所致而荧光物质相互作用时它能发出黄光如八等人却认为是由于叶琳的前躯果扫描激反光的波长探测总的荧光强度或物在肿瘤组织中的优先积聚造成的本世纪者某一特定波长的荧光强度此时所得到的本文部分工作获国家自然科学基金资助收玲日期吸关卜一
