生物光学成像技术范文篇1

【关键词】光电子学光学相干层析超连续谱光源

1引言

OCT技术是基于光学相干特性的医学成像技术，早期的白光干涉测量法是它的理论基础，光学相干层析成像的概念于1991年被首次提出[1]。在此后十几年里，OCT得到了快速的发展，其分辨率以及性能都有很大的提高与发展，同时也开发出多种成像模式，如多普勒OCT、光谱OCT、差分吸收型OCT、偏振敏感OCT、与双光子荧光或超声结合的OCT技术。

光学相干层析技术与传统超声成像、X射线成像、CT及MRI相比，有着明显的优势：采用非侵入式光学成像技术，能够检测生物组织不同深度层面对入射弱相干光的背向反射或几次散射信号，通过扫描，可得到生物组织二维或三维结构图像；它能对活体组织进行实时、高分辨率断层成像，对活体组织内部机构的生理、病理变化过程进行精确的分析和诊断。OCT可应用在眼科临床诊断，牙齿断层扫描、皮肤病学研究，珍珠层厚度检测等领域，最具诱惑力的应用在于它对人体癌变和心血管疾病的早期准确诊断。经过20多年的发展，OCT的分辨率已经达到了微米量级。

2光学相干层析技术的研究进展

1991年，美国麻省理工大学的D.Huang等人首次提出了光学相干层析技术的概念，并通过实验成功演示了人类视网膜和动脉粥样硬化噬菌斑的活体成像，所用光源选用830nm的超辐射发光二极管（SLD），轴向分辨率10μm[1]。此后，OCT技术得到了突飞猛进的发展，不论是其分辨率还是性能上都有了很大的提高和发展。由于超连续谱光源的特殊性能促进了OCT技术的高性能、低成本和实用化。国外利用超连续谱光源作为OCT相干光源的研究开展较早，且内容丰富。

2001年麻省理工大学I.Hartl等人首次报道了基于光子晶体光纤超连续谱光源的OCT系统。超连续谱为1.3μm附近带宽为370nm的宽带光谱，用来成像以后，在空气中得到了2.5μm的纵向分辨率，在生物组织中得到了2μm的纵向分辨率。指出了超连续谱OCT在临床医学方面的应用潜力及高分辨率[2]。

2002年，奥地利维也纳大学B.Povazay等人利用10fs钛宝石激光器泵浦光子晶体光纤，得到了550nm～950nm的超连续谱，之后用作OCT光源，得到了自由空间的轴向分辨率为0.75μm，在生物组织中约为0.5μm[3]。

前期的报道由秒激光在反常色散区泵浦光子晶体光纤，超连续谱产生过程中孤子机制非常明显，不稳定的孤子将会导致严重的光谱变化，从而影响了在OCT中的应用。所以，对超连续谱光源提出了更高的要求。2004年，美国麻省理工学院利用被动锁模掺铒光纤激光器泵浦正常色散光纤，得到了38mW的180nm带宽的超连续谱，并利用此光源实现高速实时高分辨率的OCT成像。通过对人体皮肤的OCT成像，得到了纵向约5.5μm的分辨率及99dB的敏感度[4]。

2005年，美国加利福尼亚大学贝克曼激光研究与生物工程系Y.Wang等人，利用单模光纤的自相位调制效应产生超连续谱，降低了光谱的噪声，飞秒激光的相干长度由35μm缩短至3.7μm，实现了高的成像分辨率，并且与基于光子晶体光纤的成像能力进行比较。结果表明，光子晶体光纤在高散射生物组织成像中受到限制，尽管有较高的分辨率但不适用于高速成像[5]。同时指出低噪声的光对快速、高分辨率OCT的重要性。

2007年美国凯斯西储大学生物医学工程系H.Wang等人用1059nm的飞秒激光泵浦双零色散点光子晶体光纤，得到了一种830nm和1300nm双频段超连续谱光源，通过泵浦脉宽压缩，产生的超连续谱非常平滑且为类高斯型，将其用于OCT中，对人体结肠癌组织进行体外OCT成像，在830nm处实现纵向分辨率为2.8μm，在1300nm处为4.5μm[6]。同年7月美国伊利诺伊大学生物光子学成像实验室H.Tu等人提出了一种基于正常色散非线性光纤产生超连续谱稳定性的方案，为OCT系统提供了更加稳定的超连续谱光源[7]。

2008年，瑞士量子电子学研究所物理系M.C.Stumpf等人利用被动锁模铒镱共掺飞秒光纤激光器泵浦色散管理高非线性光纤，得到了一种紧凑型的、光谱范围覆盖1150nm～2400nm的超连续谱光源。由于在多数的生物组织中，光学后向散射在长波方向大大降低，将此1.5μm附近的超连续谱光源用于OCT中，可以有更深的穿透深度。在OCT实验中得到了3.5μm的纵向分辨率[8]。

2011年美国亚利桑那大学光学科学学院K.Kieu等人利用紧凑的光纤超连续谱光源构建了一种全反射式的OCT，系统中只用了反射式的光学元件，避免了色散的影响，得到了纵向分辨率为1.5μm，在中心波长1300nm处的动态范围为87dB[9]。2012年，日本名古屋大学电子工程与计算机科学系S.Ishida定量的比较了5个不同波长范围内的超连续谱光源在OCT应用中对穿透深度的影响。比较了0.8μm、1.06μm、1.3μm、1.55μm及1.7μm处对超高分辨率OCT穿透深度的影响，指出在800nm和1700nm处的图像对比度最高[10]。

国内利用超连续谱作为OCT光源的研究较少。2009年，天津大学精密仪器与光电工程学院郭以平等人利用亚皮秒脉冲光源抽运由不同特性光纤级联而成的混合非线性光纤来产生超连续谱，得到1300nm处3dB谱宽为140.6nm的宽带光谱。用此宽带光源作为光学相干层析系统光源，可以在生物体探测窗口约1300nm处达到小于4.1μm的纵向分辨率[11]。

3结语

分辨率是衡量OCT性能的重要指标，而光源带宽是影响OCT轴向分辨率的主要因素。超连续谱光源具有宽的光谱宽度、高的光谱功率密度、好的稳定性和结构简单紧凑等优点，将会成为当前超辐射光源和飞秒固体激光器等OCT光源的有力竞争者。尽管基于超连续谱光源的OCT技术已取得了很大进展，但因起步不久，仍有大量科学技术问题依然亟待研究解决：全光纤化且功率稳定的泵浦源的获得、低噪声超连续谱的获取和对称平坦的光谱整形，以及清晰而又快速的图像获取技术。

参考文献：

[1]D.Huang，E.A.Swanson，C.P.Linetal..Opticalcoherencetomography[J].Science，1991，254，1178.

[2]I.Hartl，X.D.Li，C.Chudobaetal..Ultrahigh-resolutionopticalcoherencetomographyusingcontinuumgenerationinanair-silicamicrostructureopticalfiber[J].OPTICSLETTERS，2001，26（9）：608-610.

[3]B.Povazay，K.Bizheva，A.Unterhuberetal..Submicrometeraxialresolutionopticalcoherencetomography[J].OPTICSLETTERS，2002，27（20）：1800-1802.

[4]N.Nishizawa，Y.Chen，P.Hsiungetal..Real-time，ultrahigh-resolution，opticalcoherencetomographywithanall-fiber，femtosecondfiberlasercontinuumat1.5μm[J].OPTICSLETTERS，2004，29（24）：2846-2848.

[5]YiminWang，IvanTomov，J.StuartNelsonetal..Low-noisebroadbandlightgenerationfromopticalfibersforuseinhigh-resolutionopticalcoherencetomography[J].J.Opt.Soc.Am.A，2005，22（8）：1492-1499.

[6]HuiWang，AndrewM.Rollins.Optimizationofdual-bandcontinuumlightsourceforultrahigh-resolutionopticalcoherencetomography[J].APPLIEDOPTICS，2007，46（10）：1787-1794.

[7]HaohuaTu，DanielL.Marks，YeeLinKohetal..Stabilizationofcontinuumgenerationfromnormallydispersivenonlinearopticalfibersforatunablebroadbandwidthsourceforopticalcoherencetomography[J].OPTICSLETTERS，32（14）：2037-2039.

[8]M.C.Stumpf，S.C.Zeller，A.Schlatteretal..CompactEr：Yb：glass-laser-basedsupercontinuumsourceforhigh-resolutionopticalcoherencetomography[J].OPTICSEXPRESS，2008，16（14）：10572-10579.

[9]K.Kieu，J.Klein，A.Evansetal.Ultrahighresolutionall-reflectiveOCTsystemwithacompactfiber-basedsupercontinuumsource[J].2011，CLEO.

生物光学成像技术范文

【关键词】X光计量检测灵敏度医疗诊断健康检查

1895年，伦琴发现了一种具有透视作用的电磁辐射，其波长介于紫外线与γ射线之间，约为0.01-10nm，这种射线随后被人们称为X射线，也被称为伦琴射线[1]。从本质上来说，X光具有较强的穿透特性，能够对绝大多数的可见光不透明物质进行穿透，同时还可以使得许多固体材料产生肉眼可见的荧光，可产生空气电离现象或使得底片感光，在21世纪的医学临床方面，得到了广泛的有效应用。

1X光计量检测系统

大功率高频功率模块的出现，使得高压发生器的工作频率能够高达20kHz-100kHz，这代表着高压工作进入到了无声时期[2]。由于图像采集的应用率不断增加，因此在1249线高扫电视系统出现之后，使得与之相似的充气电力室探测器阵列、半导体光敏探测器阵列也产生了翻天覆地的变化，这三种方式与传统胶片模式进行有机结合后，形成了一种以数字化技术为基础的摄影模式。这种数字化摄影模式通过计算机技术的改良处理，以快速的处理速度以及高清的成像技术使得DSA的实时处理迅速成为临床诊断当中的核心措施之一。X光在实际的应用当中，对检测物体不会产生任何形式上的损坏，进而对其内部情况进行观察，同时不会被其他射线所干扰，但是正因为这种特性，才使得X光需要通过特殊设备才能进行探测。因此，X光计量检测系统的灵敏度成为导致X光机进行更为广泛应用的主要阻碍。

2X光计量检测系统灵敏度的影响因素

2.1焦点因素

由于目前在实际的运用当中，X光实时成像系统均采用X光管，其焦点较小，因此在确定选用的设备类型与型号后，系统当中必然具有X光焦点，进而对系统成像清晰度产生影响[3]。一般来说，X光清晰度包括两个方面，一方面是系统清晰度，另一方面是固有清晰度，而这两方面的清晰度与X光管的焦点尺寸呈显著的正比例，因此减少焦点数量、缩小焦点尺寸能够显著提高X光实时成像系统的清晰度。另外，焦点的数量减少与尺寸变小，能够使得X光对更加细微的缺陷产生效应，在实时成像的检测当中具有较高的可靠性。

2.2焦距因素

X射线的焦距主要包括三个方面，X光管与被检物体之间的距离、物体厚度以及被检物体与图像增强器之间的距离，因此X射线的焦距等于三者相加的距离[4]。通常情况下，焦距能够对成像后的清晰度以及灵敏度产生至关重要的影响，焦距越大，射线的覆盖面积将会越大，进而图像的清晰度与灵敏度越低。

2.3图像接收系统与处理

X射线在透射的过程当中，并不是完全沿中心轴线进行的，具有一定数量的一次散射与二次散射，将会产生大量的射线损失。在这一过程当中的散射X光如果未进行任何形式上的隔离，将会被图像增强器与检测信号一同进行传输、成像与放大，进而影响到最终图像的清晰度与灵敏度。X光实时成像系统在工作中的光电转换，如果次数较多，将会导致有效的图像信号受到干扰，使得噪音信号不断扩大，最终形成分辨率、清晰度以及对比度均无法达标的图像。

3X光计量检测灵敏度的应对措施

3.1变频技术的应用

在X光机当中，球管为主要且不可替代的零部件之一，能够产生X射线。其工作原理为通过阴极灯丝发射电子，通过高压加速作用对阳极靶面产生冲击作用，其中形成的光成分当中包含了0.2%的有效X光，其余的无效光与热占总比例的99.8%。无效的光、热在阳极靶面通过聚集后不断提升靶面的表面温度，因此将靶面设计成圆形，能够更好的承受强烈的电子冲击与较高的温度[5]。

3.2计算机X射线摄影技术

这种技术与传统的X射线摄影技术具有较为明显的差异，能够将X射线所产生的影像信息在存储荧光板上得以显示，该荧光板当中包括荧光物质、厚度为300m的微量元素溴化物结晶，能够完美替代传统胶片，承受X射线的直接照射。同时，存储荧光板在感光之后能够在荧光物质当中形成潜在影像，将带有潜在影像的存储荧光板通过读出器接受2510×2510像素矩阵的激光束扫描，随后可对其信息进行有效读取，而存储荧光板在使用完毕后，如果通过强光照射可清除潜在影像，并具有5000次以上的使用次数。一般情况下的计算机X射线摄影装置包括对影像进行呈现与采集的存储荧光板、对影像进行扫描的读出器、对影像进行后期处理与记录的设备。其中存储荧光板也会分为不同的规格，而读出器则分为单槽读出处理与多槽自动排列读出处理两种，后者能够在同一时间内对多块存储荧光板进行扫描处理。

4结语

除上述两种常用的技术措施以外，还包括数字信号技术、自动X光检测系统等多种技术手段，前者可以通过全球通用的数字信号与X射线结合形成数字化X线机，具有较快的成像速度、较清晰的图像质量，同时可以通过计算机予以储存、打印、传输至网络；而后者则适合在半导体当中进行监测，简化印制板的测试流程，提高检测效果，使用者不仅可以随时观察板子的实际位置，还能够通过鼠标对测试区域进行实时调整。由此可见，科技手段的不断发展，将使得X射线的技术逐渐提高，多种技术措施的应用能够在很大程度上提高X射线的检测技术水平，不仅能够减少不必要的成本支出，还能够有效控制成像质量与灵敏度，在实际工作当中具有更为显著的应用价值。

参考文献：

[1]李承中.数字化X光机的特点[J].中国医学影像学杂志，2011（5）：278-279.

[2]郁贤章.医院中的医学图像工程[G].第七届全国图像图形学学术会以论文集，2011.

[3]王书楷.CR-计算机化的X射线放射影像系统简介[J].中国医学影像学杂志，2012（9）：156-157.

生物光学成像技术范文

电晕放电是输变电系统运行中出现的主要问题之一，严重影响人身和设备安全，及时准确地检测电晕放电的位置和强弱对保证电力系统可靠运行有重要意义。传统的红外检测难以在白天使用，且可靠性低、误检率高、抗干扰能力差、响应速度慢，不能满足输变电系统的革新性发展。

紫外双光谱成像检测技术和紫外双光谱成像仪的出现解决了这一难题，该技术具备响应速度快，分辨率高，作用距离远，不受日光、雾天的干扰，可准确定位等优点，克服了红外检测的弊端，特别适用于高压电系统、高压输电线路的巡检和航拍等各种恶劣环境。

暨南大学理工学院光电工程系教授庞其昌，潜心光电工程研究，在紫外图像检测、图像处理、光谱成像检测领域作出突出贡献。据介绍，紫外光谱成像检测技术能够观察和检测到日盲紫外光信号，并将紫外图像信号转换成可见光图像信号，便于观察和测量。而紫外双光谱成像仪就是结合了紫外成像技术，图像转换和微光增强技术，CCD摄像和计算机图像叠加、处理以及平板图像显示等多种高技术开发出的新型监测仪器。该仪器不仅可以检测紫外信号的强弱、存在与否，更主要的是可以获取紫外源或被测对象的两维图像，能够观察到许多用传统光学仪器观察不到的物理、化学、生物现象；又因为其工作在日盲紫外波段，故不受日光干扰，能够在日光下检测到通常我们在白天、雾天看不到的现象和景物，如输变电线路的电晕放电等。除电晕检测外，该技术在火灾检测、公安侦破、环保监测、生物及医学研究中的测量分析、微电子及超精细检测等领域也存在广阔的应用空间。

该项目获得了2004年广东省重点项目资助，解决了紫外成像、光路和系统设计、图像融合和处理，完成了试验样机的研制，并申请获得了发明和实用新型两项专利（专利号：CN200310117583.8和ZL03225025.8）。利用该技术研制的紫外数码相机能够用于指纹与痕迹检测，已进入小批量生产；紫外双光谱检测仪也已转入实用仪器开发阶段。

此外，庞其昌还开展了光谱成像技术的研究，他借助液晶滤光器和光栅光谱仪研制了凝视式光谱成像装置和推扫式光谱成像装置，并研制成功相关实验设备，建立了实验条件较为完善的研究平台，并在此基础上开展了中药材成分分析和品质评价的研究，获得国家青年科学基金和广州市科学基金的资助。