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题名:
光学相干层析技术及其实时计算的研究
作者: 李喜琪
学位类别: 博士
答辩日期: 2011-05
授予单位: 中国科学院研究生院
授予地点: 北京
导师: 张雨东
关键词: 光学相干层析技术 ; 谱域光学相干层析技术 ; 扫频域光学相干层析 ; 时域插值方法
学位专业: 测试计量技术及仪器
中文摘要: 光学相干层析(Optical Coherence Tomography, OCT)技术是一种高分辨、非
侵入、非接触式的光学成像技术。与时域OCT(Time domain OCT, TD-OCT)技术
相比,傅立叶域光学相干技术(Fourier domain OCT, FD-OCT)具有信噪比高、
灵敏度高与成像速度快等特点,因此成为OCT 技术研究的热点。而随着线扫描
相机和扫频光源的发展,FD-OCT 的系统扫描速度也得到了快速的提高。扫描速
度的提升,可以增加系统的采样密度和减少抖动的影响,从而提高生物医学成像
的可重复性和精确性。但速度的提高也为实时数据处理带来了挑战,数据处理速
度已经成为高速实时成像的一个瓶颈。针对这些问题,本文对FD-OCT 技术原理
进行了研究,分析了的数据处理过程,并在此基础上进行了相应的研究与工作。
针对FD-OCT 系统中的重采样问题,我们在补零插值方法的基础上提出了时
域插值方法,并将其应用到FD-OCT 数据处理过程中。时域插值方法不需要快速
傅立叶变换和线性插值,在获得加权系数后,通过一个卷积就可以获得重采样数
据,从而提高了数据处理速度。数值仿真结果表明,它与补零插值方法有相近甚
至更高的插值精度,但是它的处理速度要提高22 倍。同时本文还对谱域
OCT(Spectral domain OCT, SD-OCT)系统中的线扫描相机(Charge Coupled Device,
CCD)的波长分布进行标定,得到了准确的波长分布,从而得到了实际系统中的
加权系数。系统实验也表明,时域插值方法在SD-OCT 系统上的插值精度与仿真
结果一致,即它与和补零插值方法有相近甚至更高的插值精度,但极大地提高了
系统的数据处理速度。
由于时域插值方法只是一个卷积的过程,比较适用于并行运算。因此,本文
还利用图像处理器(Graphic Processing Unit,GPU)对SD-OCT 的数据处理过程
进行并行加速。本文在研究GPU 并行计算的基础上,设计了一套中央处理器
(Central Processing Unit, CPU)与GPU 的协同工作的处理平台,利用CPU 对系
统进行实时控制,利用GPU 对FD-OCT 数据进行高速实时处理。为了进一步提
高数据处理速度,还根据GPU 的硬件结构特点对GPU 程序进行了优化。其中包
括数据传输优化、共享缓存优化、解循环优化和利用特殊函数库优化等,取得了很好的结果。实验数据表明,利用GPU 可以实现104,000 线/每秒的处理能力,
与国际上最新发表论文的处理速度处于同一水平。
青光眼疾病是世界上主要的不可逆转的致盲性疾病,而Schlemm 管的形态与
青光眼有着一定的相关性。为了能够定量地测量Schlemm 管的参数以做到开角
型青光眼的早期诊断,可以利用了频域OCT(swept-source OCT, SS-OCT)对人眼
眼前节进行成像。本文的主要工作是设计了一套SS-OCT 的系统控制与处理软件,
可以实现数据的高速实时采集、实时处理以及实时显示,提高了它在临床应用中
的实用性。在标定系统参数后,在国内首先实现了Schlemm 管的观测与参数测
量。其中,参数测量可以测量Schlemm 管的直径、周长和面积,还可以测量与
青光眼密切相关的几个房角参数。
总而言之,本课题研究了FD-OCT 的技术原理,从理论上提出了一种新的
FD-OCT 数据插值方法,并利用GPU 对其进行并行加速,实现了数据的实时处
理。最后,本文还将其应用到实际的临床应用中,实现了理论研究与工程应用两
个方面的结合,取得了良好的效果,也为后续的进一步研究提供了基础。
语种: 中文
内容类型: 学位论文
URI标识: http://ir.ioe.ac.cn/handle/181551/542
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李喜琪. 光学相干层析技术及其实时计算的研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2011.
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