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光學相干斷層掃描的上皮散射自發(fā)熒光強度校正——一個模型的研究
時間:2016-10-24 21:15來源:訊技光電作者: 技術(shù)部點擊:次打印
文章來源:H. Pahlevaninezhad , A. M. D. Lee , C. Hyun - Spie Bios – 2013 Proc. of SPIE Vol. 8565 85652S-2
 
本文以實驗結(jié)合光學軟件FRED來驗證熒光介質(zhì)上覆蓋散射層的影響,結(jié)合AF-OCT系統(tǒng)能夠減少由于上皮組織增厚引起的假陽性,增強AF疾病檢測的功效。
 
摘要

在本文中,我們通過模擬組織的自發(fā)熒光(AF)特性進行了模型的研究。我們組合了光學相干斷層掃描(OCT)和AF成像系統(tǒng),依據(jù)散射層的厚度和濃度來測量AF信號的強度。使用由生成的OCT圖像計算得到的厚度和散射濃度,結(jié)合AF-OCT系統(tǒng)能夠估計由上皮組織散射引起的AF損耗。我們定義了一個校正因子來計算上皮組織中的散射損耗,并且計算了一個校正散射AF信號。我們認為校正散射AF將會減少在早期呼吸道病變檢測中的診斷誤檢率,誤檢是由混合因子產(chǎn)生,如增加的皮層厚度和炎癥。
 
關(guān)鍵詞:光學相干斷層掃描;自發(fā)熒光;光散射;模型;光線光學;OCT A-line數(shù)據(jù)
 
1. 簡介
自發(fā)熒光(AF)成像是一項已實現(xiàn)的技術(shù),使用藍光來激發(fā)自然組織熒光。通過收集高風險區(qū)域進行活檢識別,已經(jīng)證明這項技術(shù)對于癌癥的早期檢測和癌的分期是及其有效的。雖然通過白光成像可以容易的檢測浸潤癌,原位癌和高度的癌前病變的檢測卻十分棘手。白光成像中的變化十分微小,然而,AF成像可以清楚地對比這種病變。當受到藍光照射時,正常的組織會發(fā)出強烈的綠色AF,而異常組織則缺少這種AF輻射。
盡管AF成像可以方便的檢測原位癌,對于良性組織的異,F(xiàn)象也是十分敏感的。例如,上皮組織的厚度未必就與癌癥相關(guān),但是它確實減少了由散射產(chǎn)生的AF信號,導致了假陽性。因此,將癌癥與其他非危險異,F(xiàn)象區(qū)別開來可以極大地增加治療的療效。
光學相干斷層掃描(OCT)是可以獲得生物組織皮下圖像的一項相干技術(shù),它可以提供小于10μm軸向分辨率和大約3mm穿透深度的圖像。OCT采用了非電離,通常是近紅外的輻射來捕獲組織形態(tài)的實時圖像。OCT可以用于研究高風險的組織位置。因此,當用于組合時,以一種同時和協(xié)作的形式,AF-OCT成像可以提供豐富的生化信息,并定位組織形態(tài),這些不能通過單獨的成像模式獲得。比如,在上皮組織增厚的情況下,OCT可以直接測量上皮組織厚度,并且將AF信號衰減歸因于上皮增厚,而不是癌癥前期引起的膠原重建。因此,由OCT給定結(jié)構(gòu)信息,并結(jié)合AF-OCT可以減少AF假陽性。
AF信號強度不僅取決于原位的熒光,也取決于不同組織層的光吸收和散射。組織的光散射已經(jīng)經(jīng)過了深入的研究1-6。模擬組織散射可以提供與AF信號強度有價值的信息。由于價格低廉、方便校準且易于獲得,英脫利匹特(Intralipid)是用于組織模型最常見的散射媒介。這項工作的目的是根據(jù)散射層的厚度模擬組織自發(fā)熒光的性質(zhì)。我們定義了一個AF信號校正因子,用來說明散射層引起的損耗。OCT圖像給出了散射層厚度和散射顆粒的濃度,這是校正因子計算所需的兩個因素。因此,我們提出了AF-OCT系統(tǒng),作為癌癥檢測的一個更靈敏和精確的成像工具。
首先,我們解釋了Intralipid模型研究,旨在模擬不同上皮厚度的組織散射特性。然后,使用光線光學仿真來驗證實驗結(jié)果。使用AF和OCT數(shù)據(jù)計算AF校正因子將在最后一章解釋。
 
2. 實驗步驟
我們建立了一個能夠結(jié)合OCT和AF成像的雙態(tài)成像系統(tǒng),OCT圖像測量Intralipid膜的厚度和濃度,AF圖像給出相應的AF信號強度。因此,AF-OCT成像可以映射不同濃度下AF強度和Intralipid厚度的關(guān)系。
OCT光激發(fā)使用一個30mW基于多邊形掃描儀的掃描波長的激光光源,具有106.8nm的帶寬,中心波長為1321.4nm。 激光光源為一個基于光纖的具有參考臂和樣品臂的馬赫澤德干涉儀(MZI),如圖1所示(OCT部分)。平衡的光電探測器(ThorLabs)檢測干涉。另一個MZI單元在光源處使用,來產(chǎn)生樣品的參考時鐘。探測器輸出和MZI時鐘注入到數(shù)字轉(zhuǎn)換器卡(AlazarTech)中,實現(xiàn)信號處理和創(chuàng)建OCT圖像。
AF成像系統(tǒng)使用一個40mW的半導體激光器(相干),在446nm處激發(fā)熒光。使用兩個1英寸直徑的透鏡和一個基于APD的探測器(Hamamatsu)來收集再發(fā)射的AF光子。二向色性的濾波片從AF光子中分離出后向散射的藍光,如圖1所示(AF部分)。通過在自由空間的背面拋光寬板電介質(zhì)反射鏡(ThorLabs),OCT和AF光信號可以實現(xiàn)結(jié)合和分離。電流掃描鏡提供了樣品AF和OCT光束共同的2維掃描。
 
圖1.AF-OCT成像系統(tǒng)
 
我們的模型,如圖2(b)所示,包括一個直徑為1英寸的。1mm高)圓柱壁,它安裝在一個熒光載玻片上,以及圓柱壁中包圍著的Intralipid液體。改變?nèi)萜髦蠭ntralipid的量會產(chǎn)生不同的Intralipid膜厚度,由OCT圖像測得。選擇封閉的圓柱壁時,高度要低,直徑要大,這樣就可以得到小的Intralipid膜厚度(μm范圍),同時在容器的中心區(qū)域可以接近扁平的表面以避免半月板和透鏡效應。圖2(a)顯示了在熒光載玻片上Intralipid膜的AF信號和OCT圖像。Intralipid膜的厚度和相對應的AF信號可以從圖中容易地獲得。
 
圖2.(a)在熒光載玻片上Intralipid膜的AF信號和OCT圖像,(b)Intralipid模型由在熒光載玻片上的圓柱壁及其中包含的Intralipid組成。
 
3. 光線光學仿真
使用來自Photon Engineering公司的商業(yè)軟件包FRED,我們將實驗的結(jié)果與光線光學仿真的結(jié)果進行比較。圖3顯示了仿真的配置和組件,包含一個藍色的激光光源(446nm)、一個熒光載玻片、一個Intralipid膜、用于聚焦藍光到樣品上和收集重新發(fā)射的AF光子的1英寸透鏡(焦距40mm)、一個遠離透鏡50cm的探測器,模仿實驗的裝置。探測器只對大于500nm的波長敏感,以此分離AF光子和后向散射的藍光。
熒光載玻片由一個散射介質(zhì)模擬,對于每個具有425nm–490nm波長范圍的入射光子,通過散射介質(zhì)的“平均自由程”后,散射介質(zhì)會在隨機方向重新發(fā)射一個550nm的光線。使用數(shù)量巨大的光線,重新發(fā)射光子的隨機方向模仿由點光源產(chǎn)生的球面波,等價于熒光輻射。平均自由程決定了入射光滲透到載玻片內(nèi)部的深度。Intralipid膜由具有各向異性(g)和散射系數(shù)((μs)的Henyey-Greenstein體散射模型來模擬。
 
圖3.包含一個熒光載玻片、一個Intralipid膜、一個1英寸透鏡、一個激光光源和一個探測器的光線光學仿真裝置。
 
4. 結(jié)果和討論
圖4(a)比較了10% Intralipid實驗結(jié)果和光線光學的仿真結(jié)果。Intralipid模型仿真需要散射參數(shù)(g, μs)。散射系數(shù)7-19的理論計算和實驗測量在許多論文中已經(jīng)提出。然而,文獻中報道的g和μs的值是變化的。我們使用在引用最多的文章中提出的數(shù)值來運行仿真,也就是van Staveren, et al8、Michels, et al17和Flock, et al19。在實驗和仿真的情況下,所有的AF信號都歸一化沒有Intralipid膜的AF數(shù)值,來隔離Intralipid膜對AF信號的影響。使用由Flock, et al19給出的Intralipid散射參數(shù),我們實驗結(jié)果顯示出與仿真結(jié)果幾乎完美的匹配。然而,使用van Staveren, et al8和Michels, et al17提出的散射參數(shù),比我們實驗測量建議產(chǎn)生了更多的AF損耗。
 

圖4.(a)AF信號隨Intralipid厚度變化曲線,來自實驗(藍色圓)和對10%Intralipid使用由Flock(紅色方塊)、van Staveren(綠色三角)和Michels(紫色方塊)提出的散射參數(shù)的光線光學仿真,(b)對于不同的Intralipid濃度,實驗AF信號隨Intralipid厚度變化曲線。
 
圖4(b)是對于不同的Intralipid濃度, 實驗AF信號隨Intralipid厚度變化曲線。正如預期,20%的Intralipid會引起激發(fā)藍光的劇烈散射,重新發(fā)射AF會隨著Intralipid厚度的增加急劇下降,然而,在較低的Intralipid濃度處,AF信號的損耗是比較少的。知道了Intralipid濃度,圖4(b)記錄了Intralipid膜引起的信號衰減,這可以用于AF校正因子。因此給定一個Intralipid濃度,AF信號的校正因子可以從圖4(b)中估計得到。
根據(jù)事實高濃度會導致嚴重的信號振幅的衰減,OCT A-scan數(shù)據(jù)可以給出Intralipid濃度,然而,對于低濃度這種衰減很低。圖5(上)顯示了不同濃度下的OCT A-scan。A-scan數(shù)據(jù)(藍色圓)曲線擬合到e-at函數(shù)(綠色實線),產(chǎn)生衰減系數(shù)(a)隨Intralipid濃度的變化曲線,如圖5(下)所示。OCT數(shù)據(jù)可以測量散射顆粒(圖5b)的濃度,有助于找到圖4中對應的曲線。舉個例子,具有2.6mm-1OCT A-line損耗的樣品對應于大約5%的濃度的散射顆粒。因此,AF校正因子可以由圖4(b)的紅色曲線確定。所以對于觀察到的AF信號,AF-OCT系統(tǒng)提供了足夠的信息來計算校正因子,從而可以用于減少較厚散射層引起的AF假陽性。
 
圖5.上:OCT A-line數(shù)據(jù)(圓)曲線擬合到e-at(綠色實線),下:從OCT A-line數(shù)據(jù)得出的損耗系數(shù)a隨Intralipid濃度的變化曲線。
 
5. 結(jié)論
我們進行了一項Intralipid模型研究,使用組合的AF-OCT系統(tǒng)模擬了熒光介質(zhì)上覆蓋散射層的影響。對于不同的散射顆粒的濃度,呈現(xiàn)出隨著散射層厚度變化的AF損耗曲線。OCT成像用于計算散射層厚度和濃度,以及估計AF信號損耗所需的參數(shù)。模型用于從散射層引起的損耗計算AF信號衰減的校正因子。因此,結(jié)合AF-OCT系統(tǒng)能夠減少由于上皮組織增厚引起的假陽性,增強AF疾病檢測的功效。
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