生物医学光子学成像的若干关键技术研究
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作为一种非入侵、无损、高分辨率的成像方法,生物医学光子学成像技术近年来发展迅速,成为生命科学领域与光学领域的研究热点。本文采用理论分析、模拟、实验及应用相结合的研究方法,对生物医学光子学成像中的若干关键技术展开研究,着重对自适应相位补偿的超短脉冲双光子显微成像技术和共路频域光学相干层析成像技术进行分析,提供了在组织成像、内窥、外科手术引导成像等方面应用受限的解决方案。首先本文从非线性光学出发介绍了双光子显微成像技术的理论及其优势,对自适应相位补偿(同时补偿低阶色散和高阶色散)的超短脉冲(10 fs)双光子成像系统进行了详细阐述,展现了在补偿后超短脉冲获得的一系列优势;首次对双光子显微成像中的高阶色散进行理论推导和量化分析,通过分析超短脉冲双光子系统中光学材料和棱镜对的色散,发现了整个系统高阶色散的来源;整理了双光子显微系统中使用长脉冲和短脉冲的优劣,并证明了在生物医学成像应用中,超短脉冲在没有进行自适应补偿的情况下,效率和激发强度甚至低于长脉冲情况。然后本文从光学层析成像的理论基础出发介绍了频域光学相干层析成像的原理和特点,对基于共路的光学相干层析成像系统进行了详细的描述;首次提出并分析了三种不同的共路光学相干层析成像系统中光纤束内窥探头的聚焦系统,还对系统的信噪比进行分析从而对探头的结构进行参数优化;首次对光学相干层析成像技术添加了拓扑补偿和运动补偿功能,为表面拓扑差异过大导致OCT应用受到限制以及外科手术引导中组织无意识的跳动和运动造成成像伪影导致错误引导手术等问题提供了有效的解决方案。综上所述,本文解决了生物医学光子学成像中某些关键技术问题,为其更好更广泛的在组织成像、内窥以及外科手术引导成像奠定了基础。
摘要 | 第3-5页 |
ABSTRACT | 第5-6页 |
第一章 绪论 | 第9-20页 |
1.1 生物医学光子学成像技术概况 | 第9-10页 |
1.2 研究现状 | 第10-18页 |
1.2.1 双光子显微成像技术 | 第10-14页 |
1.2.2 光学相干层析成像技术 | 第14-18页 |
1.3 本论文的主要研究工作及各章主要内容 | 第18-20页 |
第二章 超短脉冲双光子显微成像中高阶色散的来源与影响 | 第20-54页 |
2.1 研究背景 | 第20-22页 |
2.2 非线性效应及双光子显微技术基础 | 第22-30页 |
2.2.1 非线性效应及其优势 | 第22-25页 |
2.2.2 双光子显微成像系统 | 第25-27页 |
2.2.3 系统优化的基本因素 | 第27-30页 |
2.3 自适应相位补偿的超短脉冲双光子成像系统 | 第30-34页 |
2.3.1 实验系统描述 | 第30-32页 |
2.3.2 多光子脉冲间干涉相位扫描 | 第32-34页 |
2.4 超短脉冲双光子成像系统的高阶色散分析 | 第34-46页 |
2.4.1 高阶色散补偿后超短脉冲的优势 | 第34-39页 |
2.4.2 高阶色散的推导与分析 | 第39-46页 |
2.5 高阶色散补偿的超短脉冲双光子系统在组织成像中的应用 | 第46-53页 |
2.5.1 色散对长短脉冲激发效率的影响 | 第47-50页 |
2.5.2 色散对组织成像的影响 | 第50-53页 |
2.6 本章小结 | 第53-54页 |
第三章 基于内窥式探头与外科手术引导成像的共路频域光学相干层析成像技术 | 第54-97页 |
3.1 研究背景 | 第54-57页 |
3.2 光学相干层析成像的理论基础 | 第57-67页 |
3.2.1 Huygens—Fresnel 原理 | 第57-59页 |
3.2.2 数学处理 | 第59-62页 |
3.2.3 光学相干层析成像重构与计算机层析成像重构的区别 | 第62-63页 |
3.2.4 一阶Born 近似的傅里叶衍射层析定理 | 第63-66页 |
3.2.5 空间积分的简化 | 第66-67页 |
3.3 频域光学相干层析成像的基本原理 | 第67-72页 |
3.3.1 频谱域光学相干层析成像 | 第69-70页 |
3.3.2 扫描光源光学相干层析成像 | 第70页 |
3.3.3 图像分辨率 | 第70-71页 |
3.3.4 成像深度 | 第71-72页 |
3.3.5 成像速度 | 第72页 |
3.4 共路光学相干层析成像系统 | 第72-74页 |
3.5 共路光学相干层析成像在内窥式探头中的应用 | 第74-88页 |
3.5.1 基于光纤束的内窥共路光学相干层析成像系统 | 第74-75页 |
3.5.2 系统的光束扫描及耦合特性 | 第75-77页 |
3.5.3 聚焦系统的性能仿真分析 | 第77-81页 |
3.5.4 信噪比分析及探头结构优化 | 第81-87页 |
3.5.5 小结 | 第87-88页 |
3.6 共路光学相干层析成像在外科手术引导成像中的应用 | 第88-96页 |
3.6.1 表面拓扑补偿和运动补偿功能 | 第88-92页 |
3.6.2 实验装置 | 第92-93页 |
3.6.3 实验结果讨论与分析 | 第93-96页 |
3.6.4 小结 | 第96页 |
3.7 本章小结 | 第96-97页 |
第四章 总结与展望 | 第97-99页 |
参考文献 | 第99-110页 |
专业术语中英文对照表(附录1) | 第110-112页 |
致谢 | 第112-114页 |
攻读博士学位期间的研究成果及已发表或录用的论文 | 第114-117页 |
附件 | 第117页 |
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