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1、天津大学硕士研究生天津大学硕士研究生 选题报告及论文工作计划表选题报告及论文工作计划表硕士生姓名： 王婷 学号：2012202021 入学年月： 2012.9 所 属 学 院： 精密仪器与光电子工程学院 专业： 光学工程 导师姓名： 陈晓冬 课题名称： 扫频 OCT 内窥镜成像算法研究 1、课题来源： （1）导师研究课题的一部分 ()（2）自己选择课题（3）其它 （选一项打）2、项目所属性质：（1）基础研究（2）应用基础研究 （3）应用研究 ()（4）开发研究（5） 工程设计 （选一项打）3、预计论文完成时间： 2014 年 11 月 25 日选 题 报 告 时 间： 2013 年 12 月
2、12 日参加报告范围及人数： 实验室 20 人 评议组成员姓名： 郁道银 陈晓冬 职 称： 教授 教授 1、拟选课题国内、外的研究动态、水平、存在问题，并附主要参考文献：随着科学技术的不断进步，医学成像技术得到了很大程度上的发展。现有成像技术包括 X 射线成像、超声波成像、磁共振成像、红外线成像和 OCT 成像等。但是相对来讲 X 射线成像对人体有害并且成本较高；超声波成像为接触式测量且成本也很高；磁共振成像的分辨率较低且成本最高。而光学相干断层扫描技术（Optical coherence tomography，OCT）是近十年迅速发展起来的一种新型成像技术。它消除了传统医学成像技术的固有缺点
3、，并且拥有广阔的应用范围和发展前景。OCT 技术的分辨率可以达到微米量级，具有非侵入性、无害性以及高灵敏度行等优点，使用成本较低，探测深度在几毫米，但是足够测量需要。由于其具有安全、无损、简单以及分辨率较高等特点，可以对病变进行早期的诊断和治疗，吸引了大批科学家的兴趣。目前 OCT 技术主要应用在眼科、口腔科、肠胃科、皮肤科以及心血管科等医学领域，相信凭借其巨大的优势，可以有更广阔的的应用前景。OCT 从获取图像手段上可以分为时域 OCT 和傅里叶域 OCT。其中傅里叶域OCT 包括光谱 OCT（SDOCT）和扫频 OCT（SSOCT） 。本课题组着重研究扫频OCT。扫频 OCT 采用扫频光源
4、和单点探测器探测时间编码的光谱信息，同时具有 SDOCT 快速成像能力和时域 OCT 的点探测优势。SSOCT 最早出现在 1997 年，由 Lexer 等人报道的波长扫描速度为 0.33nm/s，由 Chinn 等人报道的扫频速度为 10Hz。随着新型扫频激光光源的出现，扫频 OCT 的成像速度以及分辨率得到了很大程度上的提高。从 2003 年开始，基于半导体光放大器的扫频光源出现，扫频速度达到了 50kHz，它是由 Santec 公司提出。2005 年，R.Hubert 等人提出了傅里叶锁模（FDML）的概念，FDML 激光具有更低的噪声、更大的相干长度和更高的扫频速度等优点，其最高扫频速
5、度可以达到 400kHz。相比较 SDOCT，SSOCT 系统中不存在 CCD，这使它可以排除 CCD 对于系统的各种影响。它成像速度更快，信噪比和灵敏度方面更好，可以利用较长的光波对高散射样品进行光学成像，并且它在提高成像速度方面的发展更少地依赖商业上的同步发展，因为影响 SSOCT 成像速度的主要原因是数据采集器件，而数据采集系统已经被广泛的生产，而 SDOCT 系统中的 CCD 仍旧需要更好的发展。在 SSOCT 中，涉及到的算法过程包括 k 域均衡算法，相位变换算法和反傅里叶变换算法。由于系统探测到的是光谱数据，需要对其进行反傅里叶变换才能得到样品图像，样品深度坐标 z 和光波数 k
6、是一对傅立叶变换对，而快速傅立叶变换要求被变换的信号在该自变量域中均匀分布，对于干涉光谱信号采样点而言应在波数 k 空间均匀间隔分布，否则变换后会出现展宽因子，影响轴向分辨率和测量精度。所以必须得到各个采样点均匀分布于波数空间的干涉光谱信号，也就是 k 域均衡。由于光谱干涉信号中含有余弦函数项，进行反傅里叶变换之后，会产生镜像，无法准确判断成像位置。利用相位变换算法可以消除镜像虚像，并使光强加倍。由于采集卡采集到的数据需要通过软件进行数字重采样，很难实现实时成像，而且在重标定中的相位误差引起的误差会影响系统的动态范围，还有在扫频边缘存在的过采样问题对系统标定的非线性影响，这些都是 SSOCT
7、算法需要考虑和解决的问题。世界各国有很多研究小组在扫频 OCT 领域进行研究。当前扫频 OCT 系统的研究热点在于：如何实现激光的高速扫频，以提高系统轴向扫描速率，进而提高成像速度；如何搭建快速和微型的内窥扫描探头应用于扫频 OCT 系统中以获得生物组织管腔内部的高分辨率层析图像；如何有效的得到无镜像的光学相干层析图像从而实现扫频 OCT 系统的全范围成像；如何将扫频 OCT 系统拓展在功能成像方面的应用并与其他成像模式结合获得多维生物信息。本课题组希望搭建出一套能够实际应用的 SSOCT 系统，并对数据处理的算法进行验证和比较，保证好的成像质量和快速的成像速度。参考文献：参考文献：1吴彤，扫
8、描光学相干层析成像方法与系统研究：博士学位论文，浙江：浙江大学，20112李乔，光谱 OCT 内窥镜成像系统的研究：博士学位论文，天津：天津大学，20103 Jiefeng Xi, Li Huo, Generic real-time uniform K-space sampling method for high-speed swept-Source optical coherence tomography，OSA，20104 S. H. Yun，C. Boudoux，G. J. Tearney and B. E. Bouma，High-speed wavelength-swept semic
9、onductor laser with a polygon-scanner-based wavelength filter，optics letters，20035 S. R. Chinn and E. A. Swanson，J. G. Fujimoto，Optical coherence tomography using a frequency-tunable optical source，optics letters，19976吴彤，丁志华，20kHz 扫频光学相干层析系统，中国激光，20097陈明慧，扫频激光光源的研制，博士学位论文，浙江：浙江大学，20118 Adrian Gh. Po
10、doleanu，Unbalanced versus balanced operation in an optical coherence tomography system， Optical Society of Americ，20009 Mansik Jeon，Jeehyun Kim，Unsang Jung，Full-range k -domain linearization in spectral-domain optical coherence tomogr aphy， Optical Society of America，201110 Tong Wu，Zhihua Ding，Ling
11、Wang，Minghui Chen，Spectral phase based k-domain interpolation for uniform sampling in swept-source optical coherence tomography，OSA，201111 M. A. Choma，K. Hsu, and J. A. Izatt，Swept source optical coherence tomography using an all-fiber 1300-nm ring laser source，J. Biomed. Opt. 10(4)，044009 (2005).12
12、 J. Xi，L. Huo, J. Li，and X. Li， Generic real-time uniform K-space sampling method for high-speed swept-source optical coherence tomography，Opt. Express 18(9)，95119517 (2010)13 T. Wu，Z. H. Ding，K. Wang, and C. Wang，Swept source optical coherence tomography based on non-uniform discrete Fourier transf
13、orm，Chin. Opt. Lett. 7(10)， 941944 (2009)14 V. Gelikonov，G. Gelikonov，and P. Shilyagin，Linear-wavenumber spectrometer for high-speed spectral-domain optical coherence tomography，Opt. Spectrosc. 106(3)，459465 (2009)15 C. M. Eigenwillig，B. R. Biedermann，G. Palte, and R. Huber，K-space linear Fourier do
14、main mode locked laser and applications for optical coherence tomography， Opt. Express 16(12)，89168937 (2008)2、课题拟解决的主要技术问题，在理论和应用方面的意义，完成课题的条件（包括个人业务水平、教研室或学科组的技术、设备条件）和拟采取的技术措施和办法：主要技术问题如下主要技术问题如下：1、 选择合适的扫频光源：扫频光源的选择直接影响成像质量，成像深度以及成像速度，选择的时候要同时兼顾这三个方面。保证成像深度为 3mm 左右，轴向分辨率为 10 微米左右。2、 k 域均衡方法扫频 OC
15、T 最后需要通过反傅里叶变换得到样品图像，这就需要将波长线性分布变换到 k 域线性分布，涉及到 k 域均衡方法的选择，保证数据处理起来简单，准确。3、 消镜像方法扫频 OCT 最后需要通过反傅里叶变换得到样品图像，但是干涉项中含有余弦项，傅里叶变换之后会产生对称镜像，难以确定图像位置。需要选择合适的消镜像算法准确判断图像位置。意义：意义：1.本课题实现 SSOCT 成像提供了理论研究和算法实践。2.本课题的研究设计对于扫频 OCT 内窥镜产品化有重要的意义。完成课题的条件：完成课题的条件：目前实验室已经搭建了时域 OCT 系统和 SDOCT 系统，能够进行对猪皮，鱼眼等实物的 OCT 成像实验，成像质量在预期效果。SSOCT 需要对 SDOCT 进行改进。3、 课题进展计划（包括各阶段计划完成的内容和所需的时间等） 。2013.09-2013.11：结合课题要求，对国内外研究情况进行调研；: 2013.12-2014.01：根据实验要求，选择合适实验器件，包括扫频光源，平衡探测器以及采集卡等；220 201
