虚拟双光束ODT系统探索与研制

通常在使用ODT (Optical Doppler Tomography)系统获取组织内部速度信息时必须已知振镜扫描光束与速度方向的夹角，限制了ODT系统应用场景。若振镜的扫描速度远大于流速，则可近似认为相邻的两次扫描是对同一点的流速进行测量。本文利用MEMS (Micro Electromechanical System)实现可控的快速扫描。采用虚拟双光束测量法通过将多普勒角转化为双光束之间的夹角成功解决了ODT系统采集速度信息时必须已知扫描光束与速度方向夹角的问题。采用基于最小二乘的高斯–塞德尔迭代算法提高了系统的实时性。搭建系统后对手背皮肤进行扫描，得到了皮肤浅表层的三维结构并构建了血流信号的三维模型，验证了本系统在体测量的可行性。

由于近年来环境的恶化、生活习惯不佳等因素的影响，癌症的患病率逐年攀升[1]。与此同时对于癌症病灶的早期检测，目前没有较好的防治手段，主要依靠在普通内窥镜下尽可能多的采集样品组织，之后经过固定和染色等操作后在显微镜下观察组织形态。整个过程费时费力，且需要不同专业人才互相配合，采样点也无法完全覆盖整个病灶区域，非常容易发生漏检或误检的情况[2]。而微血管循环作为人体内最小的循环系统，对于身体状态的反应也最为敏感，非常适合作为癌症早期病灶检测的判断标准[3]。

由于病灶通常在身体器官内部，因此一种无创的、实时的、高分辨率检测手段亟待开发[4]。ODT (Optical Doppler Tomography)作为一种基于低相干光干涉原理，具有无损、非接触、高灵敏度、高分辨率、实时动态成像等特点的断层成像技术，在获得高分辨率的微脉管层析结构的同时可以获得微脉管内部的血流速度信息， 非常适合用于对微米级的微血管循环进行细节呈现[5] [6]。

ODT 是常规OCT (Optical Coherence Tomography)成像技术的功能性拓展，通过对相干信号的采集，解包络，去直流等一系列数据处理，可以实现高分辨率的组织结构成像和血流动力学成像。

目前对于ODT 系统的功能性拓展主要集中于眼科、口腔科等可以直接进行体表观测的部位。

眼科由于具有良好的光穿透性，OCT 系统目前可以做到眼底视网膜网络的扫描，辅助诊疗青光眼等眼部疾病。

目前在使用ODT 系统对样品内部进行流速信息检测时， 由于受到算法本身的限制通常需要知道扫描光束与流速方向之间的夹角才可以得到准确的流速信息。

这很大程度上限制了ODT 系统的进一步发展也不利于拓展其应用场景。

本文采用MEMS (Micro Electromechanical System)微镜探头搭建ODT 系统的样品臂。

利用MEMS 微镜探头体积小，重量轻，能耗低，稳定性好的特点，通过控制微镜的翻转实现对于范围内结构信息与结构内流体速度信息的检测。

利用基于MEMS 的虚拟双光束测量法将多普勒角转化为双光束之间的夹角成功解决了目前主流振镜系统中必须已知光线与扫速度方向夹角的问题。采用相关性算法，利用快速傅里叶变换实现了最小二乘意义下的高斯—塞德尔迭代的快速收敛，提高系统实时性的同时消除相位噪声对于速度信息的影响，从而获得人体微血管的组织结构图、微细血管的分布信息及其中的微血流信息。