视网膜组织散射特征分析与成像关键技术研究

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视网膜成像技术是视光学与眼科学的研究热点,它能够为眼底疾病的诊断和治疗提供准确直观的图像依据,具有非常重要的价值。近些年,眼底相机和光学相干层析技术等已经广泛应用于眼科临床研究,尽管国外的眼科仪器公司提供商用化仪器,但国外高校或研究机构一直致力于这类技术的改进和拓展,不断地报道出最新的研究成果。国内的研究起步较晚,但发展速度迅猛,仍然有诸多新颖的方法改善视网膜成像技术。作为这类技术的研究对象,视网膜的生物组织特性是不可回避的焦点,它对成像效果的作用也是不可忽视的。  本文分别采用Mie散射和辐射传输理论分析单粒子散射模型和多重散射过程,根据视网膜层的细胞浓度和形状等因素,讨论与细胞发生弹性碰撞后的散射光的物理特性改变,包括散射光强、偏振性和相干性。散射相位函数或相位矩阵采用广义球谐函数、勒让德多项式、傅里叶级数和泽尼克多项式展开。多重散射模型采用离散坐标法、球形谐波法和FN法求解。仿真结果应用于视网膜成像技术的关键点研究,包括基于偏振开关原理的眼底相机鬼像抑制效果分析,以及基于偏振移相原理的光谱域OCT系统讨论。仿真结果表明视网膜层的细胞具有较强的前向散射特性,不同散射角方向具有差异化的退偏特性;视网膜细胞的尺寸、浓度和形状等影响散射光的偏振态,其中形状和尺寸因素决定散射光偏振态的空间分布规律,浓度因素少量地修正偏振度。散射光的退偏度与进入细胞层的深度成正比,且随着进入深度的增加,不同细胞的退偏特性越来越接近。  设计并研制了内调焦方式的眼底相机,遵循光瞳衔接和内调焦原则,综合校正含人眼像差;调焦范围为-10D~10D,适用于低度近视和远视;系统结构具有小型化特点;应用偏振开关技术抑制接目镜表面反射的鬼像,摒弃了黑点板系统,在内调焦结构中无需精确定位和位移装置。采用视网膜样品与透镜屈光系统构成模型眼,进行眼底相机的视网膜成像实验。结果表明视网膜层的后向散射光偏振性分布不会影响偏振开关抑制鬼像的效果。  开展了视网膜的光谱域OCT成像技术研究,基于ZEMAX的系统仿真验证了轴向深度提取算法和色散补偿算法。系统实验揭示了偏振移相原理可实现参考臂与样品臂的任意相位差,结合三帧移相法消除光谱域OCT系统中的自相关噪声、直流噪声和镜像噪声。这种方法的移相精度不受环境震动和PZT移相器的驱动电压纹波等影响,但它的适用条件是组织层厚度要明显小于光子平均自由程,视网膜层符合这个特征,因此它的后向散射不会对偏振移相产生影响。
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