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基于正交偏振谱技术的活体微循环成像理论及实验

作　者: 冯煦
导　师: 孙利群
学　校: 清华大学
专　业: 光学工程
关键词: 正交偏振谱成像活体微循环偏振成像背向散射
分类号: O436.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

微循环的观测在临床、生理、病理上有重要意义。正交偏振谱（OrthogonalPolarization Spectral，简称OPS）技术是近几年来发展起来的微循环成像技术，该方法利用生物组织浅表层散反射光不改变偏振态，而从组织深处散射的光束会发生退偏的特性，可以从背向散射光中探测到组织深层的二维图像信息。在光源的发射光谱与红血球的吸收光谱相匹配，且弱光探测信号不被背景噪声干扰时，该方法可以得到高对比度的微血管图像。本文基于OPS技术成像原理，模拟了系统光路，合理地选取了元器件，建立了小型化的正交偏振谱活体微循环检测系统，能应用于活体微循环的探测。进行了大量活体微循环测量实验，包括人体甲襞微循环、小白鼠耳廓微循环等。对比实验中，不但验证了OPS方法较传统显微镜在成像对比度上的明显优势，而且找到了适合微循环成像的光源光谱波长，还验证了该方法可以探测到单个红血球的流动轨迹。正交偏振谱技术的一个缺点在于它只能用于二维血管图像探测，并不能在深度方向进行连续探测，因此课题在OPS成像的基础上进行了变偏振深度选择成像的研究，重点利用椭圆偏振光实现了显微成像深度选择功能。分别用内含标记物的动物脂肪和小白鼠耳廓微循环进行了实验，并对图像进行对比度分析。结果表明，平行椭圆偏振通道具有深度选择功能，随着椭圆偏振光夹角从0°到45°递增，组织内目标的对比度增大，相同的信号光所能探测到的深度增大。当椭圆偏振光夹角为45°时可以达到与正交偏振通道相同的成像效果，但信噪比不如后者。最后进行了生物组织背向散射理论分析。利用Stokes-Mueller方法得到了多次散射情形下Mueller散射矩阵的光斑分布，证明了矩阵光斑图案形状和对称性与探测器组织间的径向距离和方位角有关。通过Monte Carlo方法建立了背向散射理论模型，证明了二次散射即可决定Mueller矩阵的基本图案，但复散射退偏主要是高次散射的贡献。该实验为OPS技术可以通过多重散射探测到组织深层信息进行了理论支持。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
第1章绪论  9-20
  1.1 微循环的定义  9-10
  1.2 微循环检测指标和难点  10-12
  1.3 国内外研究现状和发展趋势  12-19
    1.3.1 毛细管显微术  14
    1.3.2 激光共焦扫描技术  14-15
    1.3.3 激光断层扫描技术  15-16
    1.3.4 正交偏振谱成像技术  16-17
    1.3.5 侧流暗视场成像技术  17
    1.3.6 OPS 技术的相关发展  17-19
  1.4 论文目标及各部分主要内容  19-20
第2章 OPS 活体微循环检测方法  20-32
  2.1 OPS 成像原理  20-21
  2.2 OPS 活体微循环成像装置  21-26
    2.2.1 显微物镜的选择  21-22
    2.2.2 CCD 的选择  22-24
    2.2.3 滤光片的选择指标  24-25
    2.2.4 其他光学元件  25-26
  2.3 光路设计  26-28
    2.3.1 照明光路  26-28
    2.3.2 成像光路  28
  2.4 微循环检测小型化装置的设计  28-31
  2.5 本章小结  31-32
第3章基于 OPS 技术的变偏振深度选择功能  32-40
  3.1 OPS 成像的缺陷  32-33
  3.2 偏振态组合在背向散射中的作用  33-36
  3.3 变偏振态光谱成像实验方法  36-39
    3.3.1 偏振通道对出射光状态的影响  36-37
    3.3.2 实验装置  37
    3.3.3 实验台机械设计  37-38
    3.3.4 系统的调节  38-39
  3.4 本章小结  39-40
第4章实验结果  40-60
  4.1 实验样品的制备  40-41
  4.2 OPS 成像实验结果  41-50
    4.2.1 人体甲襞微循环  41-43
    4.2.2 小白鼠耳廓微循环  43
    4.2.3 正交线偏振与平行线偏振实验对比  43-45
    4.2.4 正交线偏振与平行圆偏振实验对比  45-46
    4.2.5 不同滤光片成像结果对比  46-48
    4.2.6 血液流速测量  48-49
    4.2.7 CCD 标定  49-50
  4.3 变偏振深度选择成像实验结果  50-58
    4.3.1 四偏振通道成像对比  50-53
    4.3.2 平行椭圆偏振光的深度选择功能  53-56
    4.3.3 偏振通道在小鼠耳廓微循环中的应用  56-58
  4.4 本章小结  58-60
    4.4.1 OPS 微循环成像小结  58
    4.4.2 变偏振深度选择成像小结  58-60
第5章生物组织背向散射模型  60-76
  5.1 用 Stokes-Mueller 方法表述一个散射过程  60-63
    5.1.1 Stokes 矢量的定义  60-61
    5.1.2 Stokes 矢量与单次散射过程  61-62
    5.1.3 N 次散射的 Mueller 矩阵总体形式  62-63
  5.2 影响生物组织背向散射图案的因素分析  63-67
    5.2.1 理论公式分析  63-66
    5.2.2 背向散射图案分析  66-67
  5.3 二次 Monte Carlo 生物组织背向散射模拟  67-74
    5.3.1 Monte Carlo 数值模拟方法介绍  67-69
    5.3.2 Monte Carlo 随机采样方法  69-70
    5.3.3 Monte Carlo 二次散射建模  70-74
  5.4 本章小结  74-76
第6章总结与展望  76-78
  6.1 主要研究工作及结论  76-77
  6.2 建议与展望  77-78
参考文献  78-83
致谢  83-85
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  85

基于正交偏振谱技术的活体微循环成像理论及实验

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