CN100403985C - 数字化近红外光漫射断层成像系统 - Google Patents

Abstract

数字化近红外光漫射断层成像系统属于近红外激光，计算机，电子以及图像重构在医学中应用的综合技术领域。其特征在于，它含有激光器，其输出端连接一个多路光纤切换器的输入端，该光纤切换器的多个输出端围绕着被测部位放置，该被测部位同时还围绕着多个用于检测反射和透射光的光电探测器，每一个光电探测器的信号输出端输入一个信号放大电路，每一个信号放大电路的输出端均输入一个插在一台计算机的PCI插槽内的数据采集卡；多路光纤切换器的控制端连接所述计算机，由该计算机进行多路切换控制；激光器的调制端连接一个低频信号发生器的信号输出端。本发明性能稳定，可靠性好，设备成本低；所构成的图象具有直观，易懂，层次清晰等特点。

Description

数字化近红外光漫射断层成像系统

技术领域：

数字化近红外光漫射断层成像系统属于近红外激光，计算机，电子以及图像重构在医学中应用的综合技术领域。

背景技术

目前，已有的近红外光激光成像的方法主要为以下二种：

第一种为我实验室不久前研制的一种数字化近红外光医学成像及异物定位系统，它采用高频近红外激光作为检测光源，通过接收透过人体的散射光子，对人体软组织如乳腺等生理组织进行成像，具有性能稳定，可靠性好，分辨率高；所成图像采用伪彩方法进行处理后，具有直观，易懂，层次清晰等特点。但该系统采用扫描投影方式进行成像，不能得到被探测部位的断层图像。

第二种为一种时域分辨的成像系统，采用超窄的飞秒脉宽近红外激光脉冲作为输入，并检测弹道光子强度，排除漫射部分的贡献，通过传统的反投影法进行成像。涉及的技术包括飞秒级超短脉冲激光器的使用、快速时间门选通、旋转极化分裂等等。这类方法有希望获得较高的空间分辨率，但需要的设备比较昂贵。此外，由于弹道光子的个数很少，要得到可接受的信噪比，往往需要比较长的时间，这就使系统的时间分辨率变得较低。

发明内容

本发明的目的在于，为克服已有技术的不足，提出一种近红外光漫射断层成像系统，该系统采用连续近红外激光作为检测光源，通过一组近红外光光源分别照射到人体组织上，一组光电探测依次接收每路光源照射时从组织中出射的漫射光，通过信号处理，将检测图象进行显示。本系统采用单路连续近红外激光发射、多通道光纤切换输出方案，采用高线性度、灵敏度的硅光电二极管为光电探测器的高动态范围和信躁比的多路漫射光接收及放大电路，光源，即光纤切换器输出尾端及探测器均匀(或非均匀)分布于被测对象周围用以重构其断层信息的源-探测器配置方案，计算机及采集卡构成的信号采集与断层图像重构系统，配合存储在微机中的相应软件，使得重构后的图象更加直观，易懂，层次清晰。本系统还具有性能稳定，可靠性好，设备成本相对较低、便携等特点。

本发明的特征在于，它含有激光器，其输出端连接一个多路光纤切换器的输入端，该光纤切换器的多个输出端围绕着被测部位放置，该被测部位同时还围绕着多个用于检测反射和透射光的光电探测器，所述每一个光电探测器的信号输出端输入一个信号放大电路，所述每一个信号放大电路的输出端均输入一个插在一台计算机的PCI插槽内的数据采集卡；所述多路光纤切换器的控制端连接所述计算机，由该计算机进行多路切换控制；所述激光器的调制端连接一个低频信号发生器的信号输出端。

所述信号放大电路含有依次串联的低噪声弱信号前级放大电路、二级放大器、混频器和低通滤波器；所述低噪声弱信号前级放大电路是一个运算放大器，所述二级放大器是一个运算放大器；所述混频器的另一个输入端通过一个移相器与所述低频信号发生器的正弦信号输出端相连。

所述信号放大电路还含有一个输入端连接所述数据采集卡的数字I/O输出端的程控增益电路，所述程控增益电路含有依次串联的移位寄存器、锁存器、继电器驱动器，所述移位寄存器、锁存器、继电器驱动器的个数与上述光电探测器的个数相匹配，所述移位寄存器之间相串联；所述低噪声弱信号前级放大电路含有两个通过继电器切换的反馈电阻，所述二级放大器通过另一个继电器切换不同的放大倍数；相对于每一路信号放大电路中的低噪声弱信号前级放大电路和二级放大器，所述继电器驱动器均有两个输出端分别与所述低噪声弱信号前级放大电路和二级放大器的继电器的控制端相连接，用于控制上述放大器的增益切换。

所述光电探测器是硅光电二极管，其型号为S1337-33BR。所述激光器的型号为HYT-Y-02-02M。所述多路光纤切换器是16路光纤切换器，其型号为Dicon VX500。所述数据采集卡型号为NI PCI6031E。所述低频信号发生器的型号为ICL8038。所述混频器的是AD633模拟乘法器。所述低通滤波器是Sallen-Key型Butterworth有源低通滤波器。

经过实验证明，本发明性能稳定，可靠性好，设备成本低；所构成的图象具有直观，易懂，层次清晰等特点，达到了预期的目的。

附图说明：

图1为本发明的近红外光漫射断层成像系统的总体结构框图。

图2为本发明采用的近红外激光发射组件。

图3为本发明采用的多路光纤切换器示意图。

图4为本发明的成像系统所采用的源、探测器配置示意图。

图5为本实施例成像系统的一路信号的放大及后处理框图。

图6为本实施例成像系统的程控增益实现框图。

具体实施方式：

在本系统中，单路连续近红外激光发射、多通道光纤切换输出方案包括：波长为800nm左右的大功率近红外光二极管激光器及其驱动电源(海特光电HTY-P-02-02M)，对单路光进行多路转换的1×16光纤切换器(Dicon VX500，Dicon Fiberoptics)。所说的高动态范围及信躁比的多路漫射光接收及放大电路包括，将透过生理组织的漫射光信号转换为电信号的高灵敏度和高线性度的硅光电二极管(S1337-33BR，Hamamatsu SiPD)，和对该光电转换器输出的电信号进行放大的多级可程控增益放大器和锁相放大器。所说的源-探测器配置方案是指源(多路光纤切换器的输出端)及探测器环绕整个被测区域放置，所有源及探测器可处于同一个二维平面内(类似于CT)，也可以在不同平面(用于三维重建)，其中一个源发射时，其它所有探测器同时接收反射及透射的漫射光信号。

在计算机中存储的软件包括用于实现自动增益控制和数据采集的软件以及将采集数据进行图像重构的算法。

整个检测过程由存储在微机中的软件程序进行控制，检查步骤过程为：

1.启动微机系统及各部分电源，固定待测生理组织。

2.将激光器输出的光信号通过光纤切换器的一路照射到生理组织上，将预先存储的对应该路光源的各放大器增益设置通过采集卡上的数字I/O发送给信号放大电路。计算机控制数据采集卡对多路接收信号进行数据采集。

3.将光信号切换到另外一路输出上，重复2的过程。

4.采集结果以文件的形式保存在微机中，然后进行数据处理，二维图像重构和结果图像显示。

结合各附图详细说明如下：

图1为本发明所述近红外光漫射断层成像系统的总体结构框图。工作波长为808nm的二极管激光器输出的激光通过16路光纤切换器耦合到16路输出上。主计算机通过并口控制光纤切换器的通道切换。16路光纤输出通过直径为1mm的石英光纤照射到被测对象上。16个硅光电二极管(光电探测器)将出射的信号转变为电信号传送给信号放大电路。信号放大电路实现微弱信号放大，锁相放大等功能，并将最后的信号输出给数据采集卡。为了实现锁相放大，在采集放大单元中加入了低频信号发生器、移相器和混频器，并将5kHz的方波信号输出到激光源进行幅值调制。多级程控增益电路用于控制放大器的增益切换。

图2中的半导体二极管激光器(海特光电HTY-P-02-02M)工作波长808nm，带尾纤输出的出纤芯径为62.5μm，出纤功率0-500mW连续可调，其电源模块可以引入方波信号发生器输出的5kHz方波进行调制。

图3中光纤切换器(Dicon VX500，Dicon Fiberoptics)实现将一路光源输入信号通过公共端切换到16路光纤输出通道中，包括1个输入通道、16个输出通道和一个与计算机并口连接的控制口。

图4中16个源和16个探测器均匀(也可不均匀)分布在圆形被测区域四周，每个源之间相隔22.5°，源与探测器之间相差11.25°。一个源发射时其它16个探测器同时接收。每个源依次发射一次，总计采集16×16＝256个测量数据。

图5给出了一路信号的放大及滤波框图。它由前级放大，二级放大，混频器，低通滤波等组成。

图6给出了实现程控增益框图。利用计算机上的数据采集卡所提供的数字I/O线，通过串行的方式将增益设置逐一发送给移位寄存器，将串行数据并行输出给锁存器输入端，最后通过数字I/O触发锁存器输出给继电器驱动器，完成对各继电器的控制，实现提高各级放大器动态范围的目的。在前级放大电路中，运算放大器采用AD549，采用了切换不同的反馈电阻来实现放大不同倍数。在第二级的放大中，采用了具有可变固定增益的运算放大器AD621，通过短接或断开运放的增益控制引脚，实现分别放大10倍和100倍的目的。切换不同的反馈电阻和改变芯片引脚连接关系都采用继电器开关器件来完成。由于每个通道有2个开关需要控制，16个通道需要对32个开关进行控制。由于每个移位寄存器有8路并行输出，所以需要4个移位寄存器级联，其它每个移位寄存器的串行输入端与上一个移位寄存器的最后一位并行输出端相联。同时也需要4个8位锁存器和相应的继电器驱动器。所有移位寄存器共用CLK信号，所有移位寄存器和锁存器共用CLR信号。所以总共需要4根数字I/O线(Digi I/O)。

锁相放大主要用于将淹没于背景噪声中的微弱信号检测出来。其工作过程如下：低频信号发生器将产生的信号分成两路，一路用于调制信号源，另一路作为参考信号，经移相器后送给混频器(采用是乘法器)，与放大后的探测信号进行相乘，并将结果送到低通滤波器，滤出有用的信号，其基本原理是相关检测。系统中的低频信号发生器采用ICL8038波形发生器，产生5kHz的参考信号和调制信号。移相器采用运放构成的全通网络，通过调节电阻实现移相。混频器采用AD633模拟乘法器。滤波采用单位增益Sallen-Key型Butterworth有源低通滤波器，截止频率为1kHz。

所采用的数据采集卡(NI PCI6031E)具有64个模数转换通道，16位分辨率，100kS/s的采样速度和8根TTL电平输出的数字I/O线，可用来实现数据采集和增益控制。

整个系统控制及数据采集程序主要实现以下功能：

●对16个通道的增益进行控制

●通过对并口操作，控制光纤切换器

●采集16个通道的数据

●显示某个通道采集数据的波形

●实现断层成像所需数据的自动增益设置及数据采集，并将采集结果保存到数据文件中，以便图像重构程序调用。

本发明可用于临床乳腺癌的检测，脑功能检测等。同时也可用于其它生理软组织的癌变或生理功能进行检测。

Claims (10)

1.数字化近红外光漫射断层成像系统，其特征在于，它含有激光器，其输出端连接一个多路光纤切换器的输入端，该光纤切换器的多个输出端围绕着被测部位放置，该被测部位同时还围绕着多个用于检测反射和透射光的光电探测器，所述每一个光电探测器的信号输出端输入一个信号放大电路，所述每一个信号放大电路的输出端均输入一个插在一台计算机的PCI插槽内的数据采集卡；所述多路光纤切换器的控制端连接所述计算机，由该计算机进行多路切换控制；所述激光器的调制端连接一个低频信号发生器的信号输出端。

2.如权利要求1所述的数字化近红外光漫射断层成像系统，其特征在于，所述信号放大电路含有依次串联的低噪声弱信号前级放大电路、二级放大器、混频器和低通滤波器；所述低噪声弱信号前级放大电路是一个运算放大器，所述二级放大器是一个运算放大器；所述混频器的另一个输入端通过一个移相器与所述低频信号发生器的正弦信号输出端相连。

3.如权利要求2所述的数字化近红外光漫射断层成像系统，其特征在于，所述信号放大电路还含有一个输入端连接所述数据采集卡的数字I/O输出端的程控增益电路，所述程控增益电路含有依次串联的移位寄存器、锁存器、继电器驱动器，所述移位寄存器、锁存器、继电器驱动器的个数与上述光电探测器的个数相匹配，所述移位寄存器之间相串联；所述低噪声弱信号前级放大电路含有两个通过继电器切换的反馈电阻，所述二级放大器通过另一个继电器切换不同的放大倍数；相对于每一路信号放大电路中的低噪声弱信号前级放大电路和二级放大器，所述继电器驱动器均有两个输出端分别与所述低噪声弱信号前级放大电路和二级放大器的继电器的控制端相连接，用于控制上述放大器的增益切换。

4.如权利要求1所述的数字化近红外光漫射断层成像系统，其特征在于，所述光电探测器是硅光电二极管，其型号为S1337-33BR。

5.如权利要求1所述的数字化近红外光漫射断层成像系统，其特征在于，所述激光器的型号为HYT-Y-02-02M。

6.如权利要求1所述的数字化近红外光漫射断层成像系统，其特征在于，所述多路光纤切换器是16路光纤切换器，其型号为Dicon VX500。

7.如权利要求1所述的数字化近红外光漫射断层成像系统，其特征在于，所述数据采集卡型号为NI PCI6031E。

8.如权利要求1所述的数字化近红外光漫射断层成像系统，其特征在于，所述低频信号发生器的型号为ICL8038。

9.如权利要求2所述的数字化近红外光漫射断层成像系统，其特征在于，所述混频器是AD633模拟乘法器。

10.如权利要求2所述的数字化近红外光漫射断层成像系统，其特征在于，所述低通滤波器是Sallen-Key型Butterworth有源低通滤波器。

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