1、 武汉轻工大学 毕业 设计 设计 题目： OCT 及 PET-CT 在医学影像学中的应用研究 姓 名 曹敏 学 号 101204107 院 （系） 电气与电子工程学院 专 业 电子信息科学 指导老师 李鸣 2014 年 6 月 6 日目录 摘要 . I Abstract .II 1. 绪论 . 1 1.1 课题意义及背景 . 1 1.1.1 CT 的意义及背景 . 1 1.1.2 OCT 的意义及背景 . 1 1.1.3 PET-CT 的意义及背景 . 2 1.2 研究目的和思路 . 3 1.3 本文主要内容 . 3 2.技术原理以及应用 . 5 2.1 OCT 的原理 . 5 2.1.1 迈
2、克尔逊干涉仪 . 5 2.1.2 OCT 的原理 . 5 2.2OCT 医学影像中的分类 . 6 2.2.1OCT 在医学中的成像原理 . 6 2.2.2FD-OCT 的应用 . 9 2.3 讨论 OCT 的医学成像发展 . 9 2.4 PET-CT 的成像原理 . 10 2.5 PET-CT 的主要设计参数 . 11 2.5.1 PET 部分 . 11 2.5.2 CT 的部分 . 12 2.6 PET-CT 的优势 . 12 2.7 PET-CT 在医学方面的应用 . 13 2.7.1 PET-CT 在肿瘤疾病的诊断与治疗中的临床价值 . 13 2.7.2 PET-CT 在冠心病诊疗中的临
3、床应用 . 13 2.7.3 PET-CT 在大脑疾病中的作用 . 13 2.7.4 PET-CT 在健康人体格检查中应用 . 14 2.8 PET-CT 未来发展的望展 . 14 2.9 OCT 与 PET-CT 的对比 . 14 3.基于旋转扫描探头的光谱 OCT 内 窥镜成像系统设计 . 16 3.1 设计的准备 . 16 3.2 实验前理论准备 . 16 3.2.1 内窥镜系统的搭建 . 16 3.2.2 GRIN 透镜的设计 . 18 3.2.3 高反射率介质膜的镀制 . 19 3.3 实验 . 20 3.4 结论 . 23 致谢 . 25 参考文献 . 26 I 摘要 断层扫描技术
4、是一种新兴光学成像技术，光学相干断层成像技术和正电子发射显像技术是近些年人们在断层扫描技术研究的基础上所发展出来的两种成像技术。这两种技术优点显著，生物组织成像清晰，拥有广阔的应用前景，尤其在医学领域中。 但是两者也分别存在一些的局限性，由于探测方法的特性和被探测物本身的原因，会使得得到的图像存在噪声以及对比度低的缺点。 本文分别说明了断 层扫描技术，光学相干断层成像技术和正电子发射技术的原理，介绍了光学相干断层成像技术和正电子发射技术的理论背景，优缺点以及在医学领域的应用。并且设计了一套光学断层成像技术与电子内窥镜组合成的 光学断层成像 内窥镜系统，对于影响成像的要图表进行了分析，通过实验验
5、证光学断层成像内窥镜系统的可行性。得到了 光学断层 内窥成像系统可行，得以实现扫描旋转成像以及对病变组织探测的结论。 关键词 ：断层扫描技术；频域 光学断层成像技术 ；内窥镜；光学相干断层成像技术；正电子发射显像技术 II Abstract Coherence tomography is an optical imaging technology, optical coherence tomography imaging and positron emission technology are two kinds of imaging technologies. In recent years
6、, it is developed based on tomography technology.The obvious advantages of these two technologies, biological tissue imaging clearly has broad application prospects, especially in the medical fields. But there were also some limitations, due to characteristics of detecting method and detecting mater
7、ial itself, it will make the image obtained by the existence of noise and low contrast of defects. This paper explains the principle of tomography, optical coherence tomography and positron emission technology, optical coherence theory background tomography and positron emission technology is introd
8、uced, advantages and disadvantages as well as application in medical field. And design a set of spectra of Optical Coherence Tomography and electronic endoscope combined into Optical Coherence Tomography endoscope system, for the important parameters affecting the imaging is analyzed, the feasibilit
9、y of endoscopic system was verified through experiments in Optical Coherence Tomography. The Optical Coherence Tomography endoscopic imaging system is feasible. Keywords: Coherence tomography; frequency domain Optical Coherence Tomography; endoscopic; Optical coherence tomography; positron emission
10、tomography 1. 绪论 1.1 课题意义及背景 1.1.1 计算机断层扫描技术 的意义及背景 计算机断层扫描 技术 （ CT） 是指通过从物体外部检测到数据重建物体内部横断面的信息一种技术。早在 1917 年，丹麦数学家 J.Radon 的研究已为 CT 技术建立了数学理论基础。 在 20 世纪 50 年代，美国 Oldendorf 医生发表了一篇关于克服普通伪影的文章，成为了真正意义上的第一篇关于 CT 论文，此后 CT这一名字才被使用。如今这一成像技术广泛应用与多种能量与粒子束，如 X 射线， 射线，电子，超声波，红外线等。 1963 年，美国物理学家 Cormack 发现 X
11、射线对人体不同组织的穿透率是不同的在研究中得到了一些相关的公式，这些公式在后来成为了 CT 应用的理论基础。 1967 年，英国电子工程师 Hounsfield 在不知道 Cormack 研究成果的情况下，也开始研究一项新的技术。此技术用于对头部的实验性扫描测量，首先研究了模式识别，然后制造了一台能加强 X 射线发射源的扫描装置，即是后来的 CT，用于对头部的实验性扫描测量。后来他又用此装置去测量全身，取得了同样的效果。 1971 年 9 月， Hounsfield 在一家郊外的医院里，又和一位神经放射学家合作，设计制造出这 一种仪器，并开始进行头部的检查。 10 月 4 日，这个仪器迎来了第
12、一个病人，此次试验非常成功。 1972 年 4 月， Hounsfield 在英国放射年学会上首次公布该结果，这正式宣告了 CT 的诞生。这引起了科技界的震动， CT的研制成功被誉为自伦琴发现 X 射线之后，放射学史上最重要的成就 1。 而今随着 CT 技术的不断改进已产生了五代 CT机，并进行了各种形式的改造与创新，本论文所讨论的 光学想干断层成像 和 正电子发射显像 技术就是由 CT技术所发展改进而来的。 1.1.2 OCT 的意义及背景 光学相干断层成像（ OCT）技术是光学断层 扫描，利用近红外光相干光照射被测组织，根据光的干涉的连贯性，进行表面的组织成像，是近年来的一个新的光学成像技
13、术。 OCT 的背景如下： 1991 年，美国麻省理工大学的 D.Huang 和 J.G.Fujimoto 等人采用 OCT 技术成功地对人眼视网膜的显微结构和冠状动脉壁成像。此专利由 ZEISS 公司购买。 1993 年，演示了人类视网膜的活体 OCT。 1994 年，有 ZEISS 公司开发并投入商业使用。 1995 年，开始眼科的临床研究。 2000 年， OCT 仪器体积更小，更容易操作，分辨率明显提高，出现了对视网膜 神经纤维层 (RNFL)的分析。 OCT 技术在多个领域展具有应用，尤其是在医学领域，在某些病症的检测观察方面起了重要的作用。 OCT 技术最大的两项优点： (1).
14、图像分辨率很高，可达 1020m，可清楚显示管壁各层的精细结构。 (2).该项技术适用于小血管内成像。 在冠状动脉内应用的 OCT 成像技术已经比较成熟，但是很少使用 OCT 技术来研究人类肺部的疾病 。 据 2006 年的统计，全球大概共有 5000 台在使用，在中国大约 100 台多数为第三代 OCT。 而如今， OCT 技术主要运用于以下领域： 眼科：可以提供显着性视网膜病 变的影像，以诊断和监测青光眼和黄斑水肿和视网膜病。 耳鼻喉科：通过成像确定的表皮和皮下膜感染病原菌，以提高诊断的准确性。 牙科：可采用 OCT 成像技术来确定 X 光和目测都无法发现的早期牙齿疾病，以进行更有效的预防
15、程序。 1.1.3 PET-CT 的意义及背景 PET-CT技术是由正电子发射显像 (PET)技术和 CT组合而成的一种医学影像技术 2，在这两年广受关注。 PET-CT 技术有以下优点： (1).在早期可以通过细胞的新陈代谢，发现小病灶隐匿性（大于 5mm）。 (2). 进行检查的元素是在人体中最基本的一些元素，并有一个很 短的半衰期，所接受的剂量胸部 CT 扫描剂量略高，安全和有效的，短时间内可以反复检查。 (3).通过细胞的代谢的信息来判断能够准确找出病灶位置，特别显著的提高了对小病灶的诊断能力。 (4).进行一次快速的全身检查仅需 20min。 最早与 CT 组合在一起的成像设备是单光
16、子发射计算机断层 (SPECT)。旧金山大学 (University of San Francisco)的 Hasegawa 和 Lang 等可能是最早的探索者。早在 1991 年，他们就报告了双功能医学成像系统的原型机，其设计使用高纯度的锗作为探测的物质，通过设置不一 样的能窗，来同时接受 射线和 X 射线，用以处理获得不同性质的图像 1996， Blankespoor 首次报道该机制在心肌灌注成像的设备中的应用。 1998 年， GE Medical Systems 将基于此设计 Hawkeye 系列 SPECT-CT 推向市场，并且获得了巨大的成功。 同年，第一台专用 PET-CT 的原
17、型机被安装在了匹兹堡大学 (University of Pittsburg)医学中心。这一台原型机是于 CTI PET System(CPS)合作研制的，并且获得了美国国立肿瘤研究所 (NCI)资助。 从 19982001 年，在这台原型机上做了 300 余例肿瘤病人，取得了很好的效果。 2000 年， GE 公司推出了 Discovery LS 系列。 2003 年，推出了的 Gemini 型 PET-CT。 1.2 研究目的和思路 由于 CT 在医学中有着广泛的应用前景，而此技术最终获得的是样品的图像信息，因此提高此技术的成像质量就很重要。提高成像的质量可以分为两个主要的工作，首先是对成像
18、系统设备的改进，例如采用宽带光源，高信噪比的光电探测设备，线性扫描装置等，即硬件处理。再者就是成像后对于数字信号或者数字图像的后续处理，用软件对图像进行处 理。这几年来，尽管在相干断层技术的硬件上取得了巨大突破，例如专用宽带光源的研发，但由于探测方法的本身的特性所带来的一些问题，不是仅仅靠改善硬件就能解决的。 现在医学中对肿瘤等病变的诊断采用活检法，病人痛苦大，确诊周期长。OCT 的出现使人们在面对这些疾病时有了更多的办法。将 OCT 技术与医学上常用的内窥镜技术相结合，使 OCT 技术拥有更大灵活性，能对一些普通医疗设备很难接近的体内组织进行成像，拥有光明的应用前景。 1.3 本文主要内容
19、本文通过对现有的医学技术的分析， 同时将理论研究与生产过程中的实际情况相结合，设计 了一套实施性比较强的内窥镜扫描系统。 第二章从迈克尔逊干涉仪出发介绍了 OCT 的原理，详细的介绍了频域 OCT以及时域 OCT 的原理，拿 OCT 与传统的扫描技术作对比，找出 OCT 的优势所在。介绍了 PET-CT 的工作原理以及 PET-CT 的优势。并且介绍了两个技术在医学领域的应用，并进行了对比。 第三章设计了一种旋转扫描探头的 OCT 内窥镜成像系统。首先提出理论依据，再根据理论依据搭建实验系统并检验。 第四章进行了总结和展望。 2.技术原理以及应用 本章分别介绍了 OCT 与 PET-CT 的原
20、理，介绍了 OCT 的核心迈克尔逊干 涉仪。然后将这两种成像技术与以往的成像技术作对比，分析这两种技术的优势。 在医学上面， OCT 技术与 PET-CT 技术都属于 CT技术的升级完善，但是两者的成像手段是不同的。本章还从医学上分析了两者重要的成像原理，以及两者在医学中的应用并对这两者的应用前景进行了展望。 2.1 OCT 的原理 OCT 是使用低相干性光或白光（可见光）干涉测量仪来完成高分辨率成像和测量的，利用各种组织对光的反射能力、吸收能力以及散射能力的不同对组织成像以清晰分辨组织结构。其技术的核心是迈克尔逊干涉仪 3。 2.1.1 迈克尔逊干涉仪 如图 2-1 所示，从光源 S 发出的
21、光线经半射镜的反射和透射后分为两束光线，一束向上一束向右，向上的光线又经 M2 反射回来，向右的光线经补偿板后被反射镜 M1 反射回来在半反射镜处被再次反射向下，最后两束光线在观察屏上相遇，产生干涉。 图 2-1 迈克尔逊干涉仪 在 OCT 设备中，光学干涉仪是被用来检测相干光的。 从原理上说，干涉仪可以把散射光从反射光中滤除，从而生成图像的信号。在处理信号时，可以得到从某一层表面反射而来的的反射光的深度和强度 16。 2.1.2 OCT 的原理 OCT 系统结构如图 2-2 所示 图 2-2 OCT 的原理图 干涉成像的原理就是把光源发出的光线分成两束，一束发射到被检测的物体上，这段光束被称
22、之为信号臂。另一束发射到反光镜上，称之为参考臂。后把从组织（信号臂）和从反光镜（参考臂）反射回来的两束光信号叠加。当信号臂和参考臂同时达到某一长度时，就会产生干涉。反射回来的光信号随组织的形状而显示成不同强弱。把它将反光镜反射回来的参考光信号叠加，光波定点方向一致时信号增大（增强干涉），光波定点方向相反时信号减弱（削减干涉） 3。形成干涉的条件是频率相同，相位差为定值。利用干涉原理， OCT 比较标准光源与反射信号增强单一反射，减弱散射光线。由于干涉只发生在信号臂和参考臂长度相同时，所以改变反光镜的位置，就意味着改变了参考臂的长度，则可以得到不同深度的组织的信号 4。这些光信号经过计算机处理便
23、可得到组织断层图像。 2.2OCT 医学影像中的分类 OCT 在医学中，被分为两个大类：时域 OCT（ TD-OCT）和频域 OCT（ FD-OCT）。时域 OCT 是指把在同一时间从组织中反射回来的光信号与参照反光镜反射回来的光信号叠加、干涉，然后 成像 4。频域 OCT 的特点是参考臂的参照反光镜固定不动，通过改变光源光波的频率来实现信号的干涉 5。 2.2.1OCT 在医学中的成像原理 TD-OCT 法，样品的深度信息是通过改变参考臂的光程来进行采集从而获得层析图像的，其结构如图 2-3。成像过程中需要将参考臂进行纵向扫描，因此限制了其成像的速度 12。 FD-OCT 法，深度扫描的信息是通过背向散射光谱的反傅里叶变换获得的。简化轴向扫描过程，从而大大提高成 像速度 12。
