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激光共焦荧光显微内窥镜的自适应成像技术研究

作　者: 冯志锋
导　师: 王立强
学　校: 浙江大学
专　业: 光学工程
关键词: 动态范围自适应成像数字微镜器件负反馈算法共焦扫描
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

在体内病灶的显微成像诊断中,由于病变组织的不同位置荧光剂浓度差异较大,目前使用的共焦显微内窥镜均采用连续一致的扫描机制,每个扫描点的激光强度及驻留时间均相同,导致获取的荧光图像动态范围不够大,病变较为明显的区域(荧光对比剂浓度高)荧光信号强度达到饱和,而病变不明显的区域(荧光对比剂浓度低)的荧光信号强度则太弱导致看不清楚细节,图像噪声很大,信噪比差,影响了诊断准确性。若增大激发光强度或者增加探测器的积分时间,虽然能够增强弱信号区域的图像细节,但进一步扩大了信号饱和区域,反之,若看清饱和区域细节,则弱信号区域进一步扩大。因此,本论文中提出了一种用于体内成像诊断和光动力学治疗的荧光显微内窥术,搭建了集诊疗于一体的在体共焦显微内镜荧光成像装置,采用DMD空间光调制器和CCD固体图像传感器相结合,利用二维纹理映射算法实现了DMD图像和CCD图像的匹配,然后以CCD探测的荧光信号强度为基础按照负反馈算法快速调整数字微镜器件每个像素所对应不同成像位置的激光强度,通过减小荧光过曝区域激光强度的和增加荧光过弱区域激光强度的方式,有效改善了荧光微弱区域和荧光饱和区域的图像细节和信噪比,并且进行了伪彩色重建,获得自适应的高动态范围成像,高动态范围的荧光图像分辨率到达2.2umm以上,动态范围可增强200倍以上,可实现5Hz以上的动态荧光成像。并且根据DMD器件可编程的特性分别采用了复合点扫描和结构化扫描的方式实现了自适应共焦扫描成像,取得了高分辨率共焦成像的效果。自适应成像的方式有利于观察图像饱和区域和图像微弱区域的细节结构,提高这些区域的分辨率和信噪比,从而提高诊断的准确性。同时此方法亦可实现交互式荧光诊断与光动力学治疗分析,根据反馈的荧光图像,自适应地连续调节光剂量,为研究光动力学治疗机制提供新的技术方法,这将是下一步研究的重点。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-7
ABSTRACT  7-9
目录  9-11
第一章绪论  11-21
  1.1 内窥镜的发展现状及应用背景  11-13
  1.2 激光共焦内窥术的发展现状及应用背景  13-15
  1.3 自适应成像在激光共焦内窥术中的应用  15-19
    1.3.1 自适应成像的优势  15-19
  1.4 论文的研究内容和总体结构  19-21
第二章自适应成像显微内窥镜的系统结构和工作原理  21-32
  2.1 自适应成像显微内窥镜的硬件结构  21-25
    2.1.1 系统结构和工作流程  21-22
    2.1.2 核心器件介绍  22-24
    2.1.3 实验系统平台  24-25
  2.2 自适应成像显微内窥镜系统的光学结构  25-27
    2.2.1 激光照明系统  25
    2.2.2 荧光图像采集系统  25
    2.2.3 激光照明系统和荧光图像采集系统的物镜系统  25-27
    2.2.4 系统的理论分辨率  27
  2.3 生物样本和荧光试剂  27-29
  2.4 自适应成像显微内窥镜系统成像的实验验证  29-31
    2.4.1 标准鉴别率板和肌腱组织的成像实验  29-30
    2.4.2 系统的成像视场和极限分辨率  30-31
  2.5 本章小结  31-32
第三章自适应高动态范围成像  32-48
  3.1 自适应成像  32-37
    3.1.1 自适应成像的理论分析  32-33
    3.1.2 CCD图像和DMD图像的匹配  33-35
    3.1.3 自适应调节的具体算法  35-37
  3.2 高动态范围成像  37-39
    3.2.1 动态范围扩展的理论分析  37-38
    3.2.2 高动态范围成像的速度  38
    3.2.3 高动态范围成像的实验  38-39
  3.3 伪彩色编码  39-41
    3.3.1 伪彩色编码的理论分析  39-41
    3.3.2 伪彩色编码结果  41
  3.4 改进的成像系统  41-44
  3.5 自适应成像的软件系统  44-46
  3.6 本章小结  46-48
第四章自适应共焦扫描成像方法  48-58
  4.1 扫描成像模式的介绍  48-49
  4.2 复合点扫描成像模式  49-52
    4.2.1 复合点扫描成像模式的理论分析  49-52
  4.3 结构化扫描成像模式  52-55
  4.4 复合点扫描成像模式和结构化扫描方式的软件系统  55-56
  4.5 本章小结  56-58
第五章总结与展望  58-60
参考文献  60-63
硕士期间的研究工作和成果  63

激光共焦荧光显微内窥镜的自适应成像技术研究

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