磁性纳米粒子调制的光学相干层析成像系统研究

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纳米技术的发展使纳米级造影剂开始应用于医学成像系统中,磁性纳米粒子调制的光学相干层析成像(Magnetomotive Optical Coherence Tomography,MM-OCT)是光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography,OCT)与磁性纳米粒子(Magnetic Nanoparticles,MNPs)造影剂的结合。除了具备与OCT相同的高分辨率特性外,MM-OCT还可以通过检测MNPs在磁场中的运动信号,来实现对MNPs的示踪。这一特性的存在,使其在疾病的早期诊断以及治疗上具有广阔的前景。但在成像过程中,磁场为MNPs提供驱动力的同时,会对系统的探测臂产生振动干扰,影响最终的成像效果。本论文的研究工作基于MM-OCT成像技术,创新之处在于提出并设计了一种光路改进装置,对比现有降噪技术,该装置使MM-OCT无需定制不含有铁磁性物质的探测臂,确保扫描振镜使用的同时,消除了磁场调制带来的成像噪声,且提高了 MM-OCT系统的灵敏度,为MM-OCT的进一步发展和应用提供了可能。本论文首先简单介绍了研究的背景与思路,阐述了现阶段MM-OCT存在的磁干扰问题,之后对MM-OCT进行了相关技术阐述,并提出在MM-OCT成像系统中应用共光路干涉法来抑制磁噪声。该方法是通过在样品上方固定一个光学平晶,将光学平晶下表面的背向反射光作为参考光,实现参考光与样品光的共光路设计。这种设计的优势在于磁场调制引起的探测光路振动作为共模信号被有效消除,避免了对干涉信号的干扰,以此达到抑制噪声的目的。实验室搭建了基于光谱OCT以及双线圈磁场调制的MM-OCT成像系统,设计了基于共光路干涉的共光路干涉装置(CPID)。CPID除了能实现参考光与样品光的共光路设计,还能够对干涉距离,参考光强度和成像位置(X-Y平移)进行调整。基于标准样品平面反射镜的实验表明,CPID装置有效消除了磁场调制噪声,进而将MM-OCT的信噪比(SNR)提高了约20倍。MNPs水溶液的成像结果表明,该系统能够实现MNPs的运动调制并提取运动信息,噪声也得到了很好的抑制。应用该系统对注射磁性微球(MSs)溶液的斑马鱼进行了在体实验,并成功表征了 MSs在组织中的分布情况。
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