邓浩然_201120202天津大学研究生e

嵌入式光谱OCT成像系统研究 邓浩然 2011202025 摘要：介绍一下现有的医学成像技术，引出OCT技术发展的必要性；然后介绍一下嵌入式技术的优势，引出将嵌入式技术与OCT技术结合的发展前景。

一． 现有的医学成像技术 1. CT成像技术 CT成像技术主要利用x射线穿过人体时的衰减特性，(当x射线穿过人体时，除小部分由于反射和散射等原因而损失外，绝大部分被体内组织吸收，其衰减服从指数衰减规律)，在人体的另一侧用探测器收集信号，检出其中所携带的有用信息，经重构后所形成影像。 X射线CT的主要结构包括两大部分：x射线断层扫描装置和计算机系统。前者主要山产生x线束的发生器和球管以及接收和检测x线的探测器组成：后者主要包括数据采集系统、中央处理系统、磁带机、操作台等。此外，CT机还应包括图像显示器、多幅照相机等辅助设备。1974年美国Georgetown医学中心T程师Ledcey开始设计全身CT。1975年第一台全身CT机问世，CT成像设备在放射诊断上的全面应用由此展开。直到今天CT成像技术仍在飞速发展之中，最新一代的螺旋超高速CT和电子束CT使得CT技术的诊断效果越来越好，成像时间越来越短，检查费用越来越低。 经过几十年的发展，医学CT已经经过了5代的发展，目前已经开始出现第六代CT,CT的扫描速度越来越快，精度越来越高，对病人的照射剂量也越来越小，新一代64层CT重建2扇区心脏时，时间分辨率达到了83ms，一次冠状常规扫描仅需9s。 2． 超声成像技术： 超声成像技术利用人体组织和脏器具有不同的声阻抗，声波在其界面上会发生反射，用仪器接收反射的回波，检出其中所携带的有关信息，经处理后得出其中的病理信息和形成影像。 目前超声成像利用更多的声学参数作为载体以获取更多的生理、病理信息；通过数字化途径，努力提高声像图质量，使其能显示更微细的组织结构。中国已能够独立地开发生产彩超和具有多谱勒功能的双功B超。批量生产的探头品种有一维阵、凸阵、相控阵、机械扇扫探头，其中一维阵以64阵元居多，凸阵以R40和R60较多，频率范围从2．5MHz至10MHz。已能满足国内需求，但与国际先进水平相比，仍有较大差距。为了进一步改善、提高超声对肿瘤诊断的准确性，达到定量化、特异性诊断的目的。 目前正在研制和临床试用的超声仪器有： 1）超声三维图像诊断仪。目前采用的有三位立体显示技术，能将每一部位或肿块的切面、冠状切面、矢状切面及与此三切面相关的立体图像同时显示，并可随意连续调节观察；至于三维实时重建超声诊断装置，日前尚局限在对心脏的观察研究中。 2）超声CT和超声全息装置。已研制成的有以超声衰般系数和超声速度为参数的超声CT，已于1977年起在临床探索研究。超声全息装置在70年代起在国内、外均曾进行过临床探索。 3) C型和F型超声扫描仪也在探索研究中。 4) 肿瘤局部切面图像声衰减现象的观察和研究，能成功地区别组织结构的声学特征改变．对肿瘤的囊性和实质性鉴别有一定价值．但不能计测出超声对肿瘤的衰减定量值。虽已在临床试用，但其效果尚待进一步分析。 3． 核磁共振成像技术： 核磁共振技术利用人体内鄢大量们氧质子所形成的杂乩无章的小磁矩在强大的静磁场年和射频脉冲激励下而发生进动，出现驰豫现象，当射频脉冲撇离后，氢质子即将射频脉冲所提供的激励能量释放出来。这种释放出来的无线JU信号被体外的接收线圈所接收并转化为相应得灰度，从而形成不同的断层影像。 由于核磁共振成像建立与分子量级的基础之上，换句话说MRI成像的清晰度远远超过了CT图像。因而MRI成像设备是目前医学成像领域中最先进的成像设备，也是一种能发现早期癌变的成像设备。 随着计算机技术的高速发展和先进的电子设备不断出现，现在如螺旋MRI、超高速MRI成像、磁芪振波技术都得到了高速的发展，这些新技术的出现也对设备的性能提出 了很高的要求。 螺旋MRI是一种崭新的成像技术，可在较短的时|1jJ内得到多层图像，且不易产生运动伪影，尤其有利于核磁共振血管造影，但该技术对梯度场的要求较高。 超高速MRI成像具有成像速度快、切层效率高的优点，可减少运动伪影，获得脑功能活动、肺灌注和脑扩散MRI图像。目前高速实时重建显示已达20幅／s。 磁共振波谱技术(magnetic resonance spectroscopy MRS)用磁共振现象和化学位移作用，对特定原子核及其化合物进行分析，研究活体组织生化代谢。MRS结合了磁共振成像和波谱的优点，即以波潜曲线的形式表示出磁共振图像上感兴趣区内物质生化代谢的变化，得到解剖形态与生化改变的综合诊断，是唯一无创性检测活体组织器官能量代谢、生化改变及化合物定量分析的新技术。但目前理论仍不成熟，虽有一些临床应用，但还不普遍。 下面是以上三种传统医学成像方法的对比： 表1-1 传统医学成像方法比较表 比较项目 XCT UI MRI 分辨率 低 低 高 辐射 有 无 有 化学成分信息 不能提供 不能提供 能提供 造价 较高 较高 很高

从表中可以清晰的看出，传统的医学成像方法都或多或少的存在一些缺陷，那么一种新型的成像方法就孕育而生了，那就是OCT（光学相干层析技术）。下面对这种方法的发展历史和一些基本情况进行介绍： 二． 光学相干层析技术 OCT技术具有高分辨率、无侵略性、结构紧凑、成本低等优势。 1. 发展历程 光学相干层析术是一种新兴的和极具发展潜力的断层成像技术，它建立在低相干干涉或白光干涉技术的基础上，无损成像的性质使其在医学成像领域中占有重要位置。低相干干涉技术是早在七十年代就提出的光学检测技术，它可利用低相干光源精确测出反射光幅值和相对相位。最初的一维光学测量技术——光学相干域反射测量技术（OCDR: Optical Coherence-Domain Reflectometry），主要是为了检测光纤光缆和网络元件中的断裂和缺陷[5,6]。OCT在生物医学上的首次应用是Fercher等人用部分相干光通过干涉法测量了眼球长度，并得到眼部的法布里-珀罗（Fabry-Perot）干涉条纹[7]。1991年，Science上首次报导了麻省理工大学的Fujimoto工作组的Huang等人在OCT上的开创性工作，实验采用了光纤迈克尔逊干涉仪[8]。Fercher在1993年发表了第一张人类眼底活检OCT照片[9]。随着OCT研究的不断深入，除了测量眼睛等透明介质外，一部分科学家将目光转向了高散射介质，发展了用光学相干层析术来测量如牙齿、皮肤以及其它非透明样品的组织特性。 OCT 可以光纤化的特点使其易于与导管或内窥镜结合，内窥OCT（Endoscopic OCT）使体内器官更高分辨率的断层成像成为可能。近年来有代表性的内窥OCT成果主要有：1997年J. G. Fujimoto等人得到了兔子食道的OCT内窥镜截面图像。2003年Y. T. Pan等人利用组织荧光图像来指导OCT内窥镜成像，进行早期膀胱癌离体检测，结果表明该方法有可能提高早期膀胱癌的诊断准确性。2004年J. K. Barton等人将自体荧光法和OCT内窥镜技术相结合，得到了大鼠结肠癌的在体OCT图像。目前OCT的主要应用如下：（1）眼科检查；（2）珍珠珠层厚度的检测；（3）：材料检测应用；（4）：癌症早期的诊断;(5) 皮肤烧伤的检查 2. 分类 从OCT的原理上来说，任何改变样品光的振幅、相位和偏振态等性质的物理属性都可以用来提取有诊断价值的信息。因此根据原理分类，可分为三种：偏振型、多普勒型和光谱型。 1) 偏振型OCT（Polarization-Sensitive OCT, PS-OCT）： 在PS-OCT中，使用样品对背散射光双折射的大小成像，而不像传统的OCT那样直接对背散射光的强度成像。PS-OCT特别适合于龋齿的检测，还可以对组织进行正常态和热损伤的区别，显示出了良好的发展前景。 2) 多普勒型OCT（Optical Doppler Tomography, ODT） ODT是光学多普勒层析仪，是OCT成像与多普勒技术相结合的成果。该系统可用来检测埋藏在高散射介质下流体的流速，与传统的超声多普勒血流仪相比，ODT具有更高的分辨率，其探测体积可以精确到5微米×5微米×15微米，其探测深度在1毫米左右，而且能够给出空间各点的流速分布。 3) 光谱型OCT（Spectroscopic OCT，SOCT） SOCT对后向散射光进行光谱分析，用傅立叶变换或小波变换的方法提取出后向散射光的频率或波长信息。光谱OCT的优点是可以在单次测量中获得多个波长的信息，它的缺点在于数据量大。光谱OCT图像可以清楚地观察到波长较长的光具有较大的探测深度，以及不同组织成分对光的选择性吸收。从某种角度上讲，光谱OCT可以得到类似于吸收特性成像的效果，从而得到反映出不同组织对光的选择吸收效应的图像。 此外，还可以根据OCT获取信息的主要途径分为两类：时域OCT和频域OCT（光谱OCT）。时域OCT的结构主要包括：迈克尔逊干涉仪和共焦显微镜。光谱OCT的光学系统部分包括迈克尔逊干涉仪和光谱仪。 另外，还可根据OCT的工作状态分为：开场式、光纤式、内窥镜式。 OCT技术发展的目的是进行大规模的临床应用，并且能创造一定的经济和社会价值，那么实现OCT技术的低成本、小型化和仪器化就是其发展中很重要的一环，而这些都是嵌入式系统的优势所在，下面介绍一下嵌入式的基本概念。 三． 嵌入式系统 嵌入式系统（Embedded System）无疑是当今最热门的概念之一，它是指以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专门计算机系统。嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序四个部分构成，用于实现对其它设备的控制、监视和管理等功能。电气工程师协议把嵌入式系统定义为用来控制或监视机器、装置、工厂等大规模系统的设备[14]。 日常我们见到的嵌入式系统及产品非常丰富，比如手机、MP3、车载电子系统、机顶盒、自动售货机、智能水电表、医用自动化设备等。如果把这些系统及产品按照市场领域划分，基本可以分为消费类电子产品、控制系统、工业自动化、机器人领域以及无线数据通信。 近年来微电子技术迅猛发展，嵌入式微处理器增长速度也随之加快，嵌入式系统领域发生了翻天覆地的变化。特别是网络的普及，使嵌入式系统与互联网成为最热门的技术。这个世纪初以来，嵌入式系统也成为继PC和Internet之后最伟大的发明，而未来几年，嵌入式系统的高速发展和竞争将愈演愈烈。