CN101312681B - 检测模块 - Google Patents

Abstract

一种用于检测电磁辐射的检测模块，包括光电传感器、电流积分电路和运算单元，其中，该运算单元将积分样本拟合为积分电流的预定时间相关性，并根据所述拟合，计算在积分时间间隔上所累积的累积电荷。特别是，在光学成像装置中采用该检测模块借助于近红外光来对例如女性乳房进行成像。

Description

检测模块 

技术领域

本发明涉及一种用于检测电磁辐射的检测模块，其包括带有电流积分电路的光电传感器。本发明还涉及一种用于对混浊介质进行成像的装置。 

背景技术

国际申请WO2003/077724显示了一种带有检测器系统的光学层析成像扫描器。 

该已知的光学层析成像扫描器目的是用来对女性乳房进行成像。因此，该已知的光学层析成像扫描器形成一种装置，用来对由乳房组织形成的混浊介质进行成像。该已知的光学层析成像扫描装置具有一个近红外(nir)激光器，用来照亮将要检查的女性乳房。使检测器系统围绕乳房旋转，以从该轨道中的几个角度位置来检测穿过该乳房发送或由该乳房重新发射的近红外光(nir-light)。该检测器系统具有光电二极管，用来将入射光转换成输出电流。该已知的检测器系统以几个相继变得越来越长的不同积分间隔，连续地对来自该光学二极管的输出电流进行积分。然后，数字化在各个积分间隔末端所获得的值。该解决方案相当于通过重复地对来自光学二极管的输出电流进行数字化来超采样或多次采样。对这些多次采样进行平均，以提高进行平均后的信号的信噪比。在进行平均后的信号中，量化误差降低了。这种量化误差具有和附加噪声一样的影响。 

发明内容

本发明的目的是提供一种用于检测电磁辐射的检测模块，其输出具有高信噪比，尤其是在入射电磁辐射的低强度处。本发明的目的还在于提供一种用于检测电磁辐射的检测模块，它不需要较长的信号获取和/或信号处理时间。 

该目的是通过本发明的用于检测电磁辐射的检测模块来实现的，该检测模块包括：

光电传感器，用于从入射的电磁辐射中衍生电流； 

电流积分电路，用于 

(i)在一个积分时间间隔上对来自所述光电传感器的电流求积分，以及 

(ii)在所述积分时间间隔期间，获取对时间积分的电流的多个积分样本，以及 

运算单元，用于 

(i)将所述积分样本拟合为所述积分电流的预定时间相关性， 

(ii)根据所述拟合，计算在所述积分时间间隔上所累积的累积电荷，以及 

(iii)提供表示所述累积电荷的输出强度信号。 

本发明中用于检测电磁辐射的检测模块从光电传感器中获取对时间积分的电流的多个样本。因此，检测模块通过其自身的电流积分电路来跟踪累积的电荷，其中，该累积的电荷是正在积分时间间隔上对其求积分的电流。将所述多个样本拟合为对时间积分的电流的预定时间相关性。根据对光电传感器的设计和入射辐射强度的时间相关性，来确定该预定时间相关性。基于该信息，可以用参数化的数字函数形式，来对该对时间积分的电流的预定时间相关性进行建模。因此，提供了一个数学模型，其精确地将随时间变化的对时间积分的电流的实际值表示为积分时间间隔进程。在许多实际情况下，入射的电磁辐射的强度在积分时间间隔上大致为常量。当积分时间间隔比入射电磁辐射强度变化中的一般性时标小很多时，该情况就会显著出现。例如，线性逼近提供了关于时间长度为10-100毫秒的积分时间间隔的精确结果。另一方面，当预先确定了或者能够精确估计入射电磁辐射强度中的时间变化时，该强度的时间相关性就会包含在该数学模型内。通过将基于预定时间相关性的拟合过程应用于样本值，来获得该数学函数的实际细节，即，该数字函数的一个或几个参数。然后，根据在积分时间间隔末尾的拟合，简单地计算随着在积分时间间隔上的累积、对时间积分的电流的精确值，作为实际的时间相关值。由于考虑到随着积分时间间隔进程的全部累积电流，所以拟合过程抑制了由电噪声、光子散粒噪声和数字化误差等所引起的误差。值得注意的是，该拟合过程考虑了在积分 时间间隔期间的电流积累的实质部分，而非仅仅依赖于在积分时间间隔末尾处样本的累积值。实验显示，本发明的检测模块实际上获得了非常低的噪声基底(noise floor)，其小于10fA(10.10^-15A)。因此，本发明的检测模块能够精确地测量非常低的、小于25fA的电流，而且其具有良好的信噪比。例如，获得小于1fA(即，低于10^-15A)的均方根(rms)噪声。值得注意的是，由在电流积分电路中所采用运算放大器产生的阻抗增益来放大积分电流中的噪声。本发明通过对积分电流随时间的线性增加进行拟合，消除或有效地减少了噪声。另外，本发明减小了偏移中的变化的影响，该偏移变化可能由电流积分电路中的电漂移引起，而且归因于在将该电流积分电路中的集电电容器复位之后所留下的电荷的变化。该偏移变化还与光电传感器中的暗电流变化有关，并依赖于光电传感器上的偏置电压。 

由于在一个积分时间间隔中进行了对时间积分的电流的多次采样，所以并不需要较长的测量时间，而且无需连续地平均化对累积电荷的单独测量，其中，该累积电荷表示在该积分时间间隔期间电磁辐射的入射强度。 

根据本发明的另一方面，检测模块具有同步电路，该同步电路具有以下功能：监控干扰源，并且控制或例如触发以监控的干扰源相位为基础的、对来自光电传感器的电流的积分。存在许多这种干扰源实例，值得注意的是开关模式电源，而且由主电源产生的电场是充分存在的且会干扰检测模块的操作，尤其是在测量非常低的电流时。例如，当干扰很低或甚至不存在干扰时，同步电路就特别适合于初始化对时间积分的电流的采样。在另一个实例中，该同步电路在所述干扰的特定相位上触发对于该对时间积分的电流的采样，以便重复地检测电磁辐射。在另一实例中，该同步电路控制运算电路，执行对所监控的干扰的校正。明显地，尤其是在检测非常低的电流时，该采样的同步还提高了输出强度信号的信噪比。有效地将噪声水平降低到从1pA到1fA的范围以内；甚至可以获得非常低的小于1pA的噪声水平结果。 

根据本发明的一个特定方面，积分电流的预定时间相关性是线性的。该线性关系非常简单，而且明显地非常精确地把对时间积分的电流表示为来自目前市场上出售的光电传感器的输出。基于该线性关系，易于根据该线性关系的坡度来计算累积电荷，其中，根据所述拟合和积分时间间隔的 持续时间来建立该线性关系。此外，对于积分电流的简单线性关系而言，只需要将极少量的数据传输到运算单元。这可以通过廉价的低功率元件来实现。此外，不需要传输额外的信号传输带宽并处理简单的数据集。 

根据本发明中电流积分电路的另一方面，单次测量所需的样本数量在单个时间间隔中一般在400-500个样本的范围以内。 

本发明还涉及一种用于对混浊介质进行成像的装置。这种装置的一个实例是一种用于对女性乳房进行光学成像或特别是近红外成像的装置。对这种混浊介质的成像，特别是人类生物组织有可能在50nm到1.4μm的波长范围内，在650-900nm的波长范围内获得很好的结果，在700-800nm的波长范围内获得卓越的结果。对波长范围的选择取决于对于低散射(即，其在较短波长上增加)低吸收(即，其在较长波长上增加)的考虑以及由于如氧化血或非氧化血等造成的特定吸收频带的缺乏。很明显，由于穿过乳房组织的光线的多次散射，所以乳房组织的光学表现为混浊。本发明的成像装置包括用来容纳混浊介质的检查空间。在实际中，例如，该检查空间具有腔的形状，该腔在其顶端打开，并且在该女性在该腔上方舒适地脸朝下(也就是以俯卧的姿势)的同时，该女性的乳房从上方悬入该腔的开口内。经常利用匹配液来包围悬入该腔的乳房，以避免在乳房边缘上的强烈的光跃迁。匹配液的使用明显减少了在正在检查的乳房的重建图像中的伪像。 

由位于腔的壁上或其附近处的电磁辐射检测模块来测量来自乳房的电磁辐射。可替换地，一个或几个电磁辐射检测模块可以围绕该检查空间旋转。该电磁辐射检测模块从几个方向检测来自该检查空间的电磁辐射。在该成像装置的一方面，为了从几个方向照射该混浊介质，即，女性乳房，可由位于该检查空间周围的光源或者围绕该检查空间旋转的光源来照亮乳房。在本发明的成像装置的另一方面，对要检查的病人使用造影剂，其产生来自乳房组织的荧光，其中，值得注意的是，荧光在肿瘤组织中被增强。例如，该荧光增强归因于造影剂浓度的增加，这种造影剂浓度的增加则归因于造影剂在肿瘤组织中的最佳累积。 

本发明的成像装置具有本发明如上所述的一个或多个电磁辐射检测模块。在本发明的成像装置中采用该电磁辐射检测模块来检测电磁辐射，特别是来自混浊介质的光或近红外辐射，特别是女性乳房。所述一个或多个 电磁辐射检测模块提供了表示累积电荷的输出强度信号，该累积电荷进而表示来自该检查区域的、从各个方向进行观测所得到的各个辐射强度。向用于重建该混浊介质的一个或几个图像的重建器提供这些输出强度信号，即女性乳房的一个或几个图像。可以使用几种重建算法来重建两维或三维图像数据集。 

本发明的检测模块生成具有很好信噪比的输出强度，尤其是在很低的强度水平上。因而，避免了在重建图像中的重建伪像，由此重建图像具有高诊断质量，因为即使是微小对比度的小细节，也能够被渲染的可以明显看到。 

将参照附加的权利要求中定义的实施例，来进一步详细描述本发明的这些和其他特征。 

附图说明

将参照下述实施例并参照附图来详细描述本发明的这些和其他方面，其中： 

图1表示本发明中用于对混浊介质进行成像的装置的示意图； 

图2表示具有乳房形状的混浊介质的杯罩的示意性横截面图； 

图3表示本发明中用于检测电磁辐射的检测模块的电路图； 

图4表示16fA的采样的积分光电流；以及 

图5表示由在几个单独的积分间隔上的实践所产生的结果。 

具体实施方式

图1表示本发明中用于对混浊介质进行成像的装置的示意图。值得注意的是，在图1中示意性示出的用于对混浊介质进行成像的装置是一种光学乳房X线摄影系统。该光学乳房X线摄影系统包括一个托架11，要检查的患者在该托架11上(显然，要检查的女性位置采用俯卧姿势(即，脸朝下)，将一个或两个乳房悬入必须形成测量杯罩2(见图2)的检查空间2内)。在乳房1与杯罩表面之间的空隙内填充散射流体22，其散射属性例如与平均的乳房的散射属性非常匹配，由此减少在乳房组织与乳房之外空间之间的光属性的跃迁。 

图2表示具有乳房1的杯罩的示意性横截面图。 

大量光纤23(共510个)与该杯罩的一端相连。一半的光纤在另一端连接到检测器模块，而另一半的光纤在另一端连接到光纤切换器12。光纤切换器12能够在这256个光源光纤23(255个连接到该杯罩，一个直接连接到检测器光纤)中的任何一个中传导来自三个不同激光器24的光线。照这样，光源光纤23中的任何一个都能够在杯罩内提供锥形光束。通过适当地切换该光纤切换器12，所有光源光纤将连续地发射锥形光束。 

来自选定光源光纤的光线被散射流体和乳房所散射，并被255个检测器模块检测到。与反射的(或反向散射的)光线相比，光在乳房组织内的散射是强烈的，这意味着仅有有限数量的光子可以穿过该乳房。因此，检测器应该覆盖较大的动态范围(大约9个数量级)。使用光电二极管作为检测器模块内的光电传感器5。前端检测器电极包括这些光电二极管和一个放大器31。该放大器的放大因子可以在几个值之间进行切换。该机器首先以最低的放大系数进行测量，如果必要的话就增大该放大系数。该检测器受到计算机14的控制。 

计算机14还控制激光器、光纤切换器和泵系统。将计算机、杯罩、光纤、检测器、光纤切换器和激光器都安装在如图2中所示的床内。 

该测量从将杯罩2完全充满散射流体22开始，这是校准测量。在该校准测量之后，使乳房1浸入该流体，然后重新执行该测量过程。校准测量和乳房测量都包括关于三个激光器24中每一个的255*255个检测器输出强度信号(OIS)。可以利用一种称为图像重建的处理，来将这些检测器输出强度信号(OIS)转换成三维图像。由重建器4来执行对乳房图像的图像重建，其中，通常在计算机14中以软件形式来执行该重建。该重建处理照到对于(不清楚的)逆问题的最近似的解，该重建处理以例如代数重建技术(ART)或有限元法(FEM)为基础。 

图3表示本发明中用于检测电磁辐射的检测模块的电路图。该检测模块包含积分器电路32，积分器电路32包括并联的运算放大器31和电容33。并且复位开关R与该电容33并联。该积分电路接收来自光电二极管5的光电流。在积分周期期间，例如，大约460次/120毫秒，由采样单元6对积分的光电二极管电流进行采样，例如，可以使用24比特ADC作为该采样单 元。将来自该采样单元的积分样本提供到运算单元，该运算单元使积分样本拟合为线性时间相关性(见图4)。根据在该拟合的结果，计算输出强度信号，作为在积分时间间隔(即，120毫秒)末尾的拟合的线性关系值。 

现在较详细地展示该拟合过程。 

将在该积分时间间隔期间的积分电流与时间的线性关系设定为y＝bx+a，a＝偏移量(不考虑)，b＝梯度或坡度。该参数计算为： 

$\left\{\begin{array}{c}a=\frac{\left(\mathrm{\Σy}\right)\left({\mathrm{\Σx}}^2\right)-\left(\mathrm{\Σx}\right)\left(\mathrm{\Σxy}\right)}{n{\mathrm{\Σx}}^2-{\left(\mathrm{\Σx}\right)}^2}\\ b=\frac{\mathrm{n\Σxy}-\left(\mathrm{\Σx}\right)\left(\mathrm{\Σy}\right)}{n{\mathrm{\Σx}}^2-{\left(\mathrm{\Σx}\right)}^2}\end{array}\right.$

其中∑代表 

在每一个ADC样本中断期间，“即时地”进行该计算。 

图4表示一种16fA的采样的积分光电流。在120毫秒的积分时间间隔期间对光电流进行积分和460次采样。这得到了更合适的噪声曲线。对于该噪声曲线，绘制线性拟合，并计算在该积分时间间隔上累积的电荷，作为在该积分时间周期末尾的线性拟合的值，例如，在120毫秒中。该拟合仅涉及两个标量参数，即，该线性关系的坡度及其在该积分时间间隔一开始时的偏移。 

图5表示由在几个单独的积分间隔上的实践产生的结果。使得注意的是，图5表示对来自光电传感器的电流的积分的若干次重复。每一个单独的稍微有噪声的条纹表示一次单独的积分。如图5所示，在每一个单独积分一开始的偏移可以改变。然而，根据本发明的到线性时间相关性的拟合减少了或甚至消除了在所计算的累积电荷上的偏移中的该变化的影响。 

Claims (8)

1.一种用于检测电磁辐射的检测模块，包括：

光电传感器(5)，用于从入射的电磁辐射中衍生电流；

电流积分电路(32)，用于：

(i)在一个积分时间间隔上对来自所述光电传感器(5)的电流求积分，以及

(ii)在所述积分时间间隔期间获取对时间积分的电流的多个积分样本；以及

运算单元(7)，用于：

(i)将所述积分样本拟合为所述积分电流的预定时间相关性，

(ii)根据所述拟合，计算在所述积分时间间隔上所累积的累积电荷，以及

(iii)提供表示所述累积电荷的输出强度信号(OIS)。

2.如权利要求1所述的检测模块，还包括同步电路，用于：

(i)接收监控信号，其表示来自一干扰源的干扰，以及

(ii)控制所述检测模块的操作，以根据所述监控信号形成所述输出强度信号(OIS)。

3.如权利要求1所述的检测模块，其中，所述积分电流的预定时间相关性是线性的。

4.如权利要求1所述的检测模块，其中，所述电流积分电路(32)被设置为获得在400-500个样本的范围以内的多个积分样本。

5.如权利要求1所述的检测模块，其中，所述电流积分电路(32)被设置为以在取值范围内以样本时间强度/秒为单位获得所述积分样本。

6.一种用于对混浊介质进行成像的装置，包括：

用于容纳所述混浊介质的检查空间(2)；

一个或多个如权利要求1所述的检测模块，其位于所述检查空间(2)附近，用于检测来自所述混浊介质(1)的电磁辐射，并且所述一个或多个检测模块被设置为将输出强度信号(OIS)提供给

重建模块，用于接收来自所述一个或多个检测模块的输出强度信号(OIS)，

并且根据所述输出强度信号(OIS)，重建所述混浊介质(1)的图像。

7.一种用于检测电磁辐射的方法，包括以下步骤：

从入射的电磁辐射中衍生电流；

在一个积分时间间隔上对所述电流求积分，并在所述积分时间间隔期间获取对时间积分的电流的多个积分样本，以及

将所述积分样本拟合为所述对时间积分的电流的预定时间相关性；

根据所述拟合，计算在所述积分时间间隔上所累积的累积电荷，以及

提供表示所述累积电荷的输出强度信号(OIS)。

8.如权利要求7所述的用于检测电磁辐射的方法，其中：

(i)接收监控信号，其表示一干扰源的相位，以及

(ii)根据所述监控信号，控制用于对所述电流求积分的电流积分电路(32)。

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