光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography, OCT)作为一种全新的光学断层成像技术,以其无辐射、非侵入、高分辨率及高探测灵敏度等特点,在临床医学领域具有巨大的发展潜力。为了使OCT成为一种快速、实用的医疗诊断系统,本课题从理论和实践两个方面对OCT系统在快速成像上的若干关键技术进行了研究。在理论方面,本课题提出了基于共焦模式的OCT蒙特卡罗仿真模型,并将具有实际光束大小的高斯光束应用于OCT系统的蒙特卡罗仿真。OCT系统普遍采用共焦扫描方式,入射光束是聚焦的锥形光束。但是,传统的OCT蒙特卡罗仿真模型,采用理想的无限窄细直光束代替聚焦的锥形光束,从而使仿真结果不能真实反映光学系统的特点。基于共焦模式的OCT蒙特卡罗仿真模型弥补了传统模型的缺陷,引入了共焦显微镜结构和聚焦高斯光束的定义,改善了背向散射光子的分类机制。在实践方面,本课题以复谱频域OCT为主要的实验方案。由于传统时域点扫描OCT必须通过逐点采集干涉信号来获得层析图像,非常耗时,是制约成像速度的主要因素之一。采用频域技术的OCT系统,深度扫描信息由背向散射光谱的傅里叶逆变换获得,简化了轴向扫描过程,从而使快速OCT成像成为可能。为了实现复杂生物组织的OCT快速成像,消除谱频域OCT的“混叠”现象、重建样品的真实层析结构,本文引入了相移干涉技术,构建了一套满量程复谱频域OCT实验系统,并为系统设计了特殊的分束镜和移相器,为最终实现复杂生物组织的OCT快速成像提供了条件。工作中的主要创新之处:1.首次提出了基于共焦模式的OCT蒙特卡罗模型,将具有实际光束大小的高斯光束应用于OCT系统的蒙特卡罗仿真。本文利用该模型研究了共焦系统的数值孔径对OCT系统成像深度的影响,估计了满足OCT相干条件的背向散射光的漫反射率。开发了一套基于共焦模式的蒙特卡罗仿真软件,可以适用于多种具备共焦扫描结构的光学系统的仿真。2.首次提出了采用特殊镀膜分束器的干涉仪结构。分束器在中心直径1mm的圆内具有比较高的透射率,而在该圆的周围镀上全反射金属膜,背向散射光由分束器的全反射区域反射。使用这种结构的分束器,一方面它提高了样品的入射光功率,并将背向散射光的损耗减少到最低程度,从而允许光电探测器缩短积分时间,加快成像速度;另一方面它大幅度减小了参考光与信号光之间的能量差距,提高了干涉对比度。3.首次利用音圈驱动的相移器进行频域OCT的谱干涉图相位提取。通过对相移器的精确标定,证明相移器可以实现纳米量级的线性微位移,步长为π2的相移误差不超过2%,符合相移干涉术的要求。此外,它还具有成本低、控制简单、响应速度比较快等特点。频域OCT与相移干涉术相结合,可以实现全量程测量,充分利用了探测器的成像空间以及系统的带宽。4.首次提出了多线程同步执行、循环利用缓冲区模式的OCT图像重建过程。在OCT图像重建过程中,使硬件采集过程与数据处理过程以双线程的方式同步进行,在内存上划分出两个同样大小的缓冲区。硬件采集线程向其中一个缓冲区存储数据的过程中,数据处理线程对另一个缓冲区的数据进行快速处理,并交替循环下去。采用这种图像重建过程不但提高了内存的利用效率,而且加快了数据处理速度,为快速成像创造了条件。