基于光纤束的相干反斯托克斯拉曼散射显微内窥成像系统研究.pdf

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1、基于光纤束的相干反斯托克斯拉曼散射显微内窥成像系统研究刘正帆2014年10月中图分类号：TQ028.1UDC分类号：540基于光纤束的相干反斯托克斯拉曼散射显微内窥成像系统研究作者姓名刘正帆学院名称光电学院指导教师辛建国答辩委员会主席罗毅申请学位工学博士学科专业物理电子学学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月ResearchonFiberBundleBasedCoherentanti-StokesRamanScatteringEndomicroscopySystemCandidateName：ZhengfanLiuSchoolorDepar

2、tment:SchoolofOptoelectronicsFacultyMentor:Prof.JianguoXinChair,ThesisCommittee：Prof.YiLuoDegreeApplied:DoctorofEngineeringMajor：PhysicalElectronicsDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：January,2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的

3、地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：摘要相干反斯托克斯拉曼散射（Coherentanti-StokesRamanScattering，CARS）成像技术具有免标记、分子选择性成像的能力，适用于生物医学成像领域。由于其非线性和相干性，CARS成像技术具有很多优点，比如基于分子振动的化学选择成像、较快的成像速率、高灵敏度、三维扫描成像和亚微米级分辨率。CAR

4、S显微镜技术已经比较成熟，而将CARS技术应用于临床医学上的体内成像需要发展CARS显微内窥镜。CARS显微内窥镜目前面临的最大挑战是小型化。为此，本文将光纤束应用于CARS显微内窥成像系统，以在缩小系统尺寸的同时保持较高的信号光子收集效率。本文研究工作包括四个部分：1.搭建了基于光纤束的CARS显微内窥成像系统，结合基于偏振态控制的四波混频抑制方法和双波长波带片获得了消除了四波混频噪声的CARS图像。测量了光纤束收集方式的收集效率，证明了在CARS显微内窥成像系统中，光纤束比单根激发光纤具有更高的光子收集效率。获得了光纤束收集的老鼠皮下脂肪细胞的CA

5、RS图像和老鼠肺部组织的CARS图像，并通过对老鼠脂肪细胞进行了CARS三维断层扫描成像和CARS光谱成像证明了该系统的三维断层成像能力和CARS光谱成像能力。证明了光纤束在CARS显微内窥成像系统中应用的可行性。2.设计搭建了基于光纤束的双通道CARS和二次谐波（SHG）显微内窥同时成像原型系统，将SHG成像功能加入到基于光纤束的CARS显微内窥成像系统中。测量了两个通道的收集效率，并系统研究了两个通道收集图像的差别以及造成差别的原因。使用两个通道对老鼠皮下脂肪进行了CARS成像，对老鼠尾部肌腱进行了SHG成像。对老鼠尾部皮下组织以及肌腱组织进行了C

6、ARS和SHG同时成像。通过实验证实了光纤束对后向散射的前向CARS光子的收集能力。3.系统比较了单根激发光纤和光纤束两种收集方式的特点，提出使用基于单根光纤和光纤束同时收集的方法在CARS和SHG显微成像中区分后向光子和前向光子。建立了系统的ZEMAX模型模拟光纤的收集光锥在焦平面的分布，并对单根中心光纤和光纤束对前向和后向CARS光子的收集特性进行了讨论。比较了单根光纤和光纤束收集的老鼠皮下脂肪组织的CARS图像。对于SHG成像，建立了单根光纤和光纤束对前向和后向SHG光子光强收集的数学模型，利用该模型在对老鼠尾部肌腱的SHGI成像中分离了前向和后

7、向SHG光子构成的图像，并得到了单根光纤收集的两种光子的比例。观察到了老鼠尾部肌腱的产生前向SHG和后向SHG的散射体的结构分布特征，该分布特征与老鼠尾部肌腱的结构相关，揭示了其结构信息。该系统首次使得CARS和SHG显微成像系统对厚度较厚的生物组织能够区分出后向光子和前向光子的图像，而这两种光子的图像在生物医学研究中具有重要意义。4.将光纤束收集方式与压电陶瓷管驱动扫描方式结合，搭建了基于压电陶瓷管驱动扫描方式和光纤束收集方式的CARS/SHG内窥显微成像系统。使用压电陶瓷驱动光纤束实现扫描，将基于光纤束的CARS显微内窥成像系统的扫描部分缩小，并提

8、高了成像速度。证明了压电陶瓷管对光纤束的驱动能力和该方法的快速成像能力。通过该系统获得了老鼠皮