CN102525420B - 一种多通道时域荧光层析成像系统标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于组织光学测量技术领域，涉及一种时域荧光层析成像系统标定方法，该方法用于标定系统各个通道传输因子，步骤如下：搭建用于替代成像系统中的成像腔的标定装置；将源光纤和探测光纤分别插在成像腔体上；在插槽内放置一些镜头纸，将探测光纤与第一通道相连；把780nm激光器打开，对与该通道相应的滤波轮上的所有中性滤光片的衰减率进行标定；把780nm激光器关掉，把830nm激光器打开，对该通道相应的滤波轮上的830nm长通滤光片的透过率的进行标定；重复上述步骤，完成对各个通道的滤波轮上所有中性滤光片的相对衰减率和830nm长通滤光片的透过率的标定。本发明能够消除系统通道传输性能上的差异。

Description

一种多通道时域荧光层析成像系统标定方法

技术领域

本发明属于组织光学测量技术领域，具体涉及一种时域荧光层析成像系统标定方法。

背景技术

扩散光学层析成像(Diffuse Optical Tomography，DOT)技术因其高特异性、高灵敏性、实时性和安全性等一系列重要指标成为分子影像的热点研究领域。光学乳腺层析其病理学基础源自肿瘤生长的“血管新生”效应，该效应所引起的组织血液动力学变化可灵敏地反映为肿瘤部位光学参数的变化。但是，肿瘤与正常组织间的内源性光学对比度与解剖结构之间的内源性光学对比度处于同一数量级，造成DOT成像分辨率和特异性较差，而采用外对比度增强则是解决上述困难的一个有效途径。荧光扩散光层析(FluorescenceDiffuse Optical Tomography，FDOT)技术作为一种新兴的光学成像模态，是在DOT基础上发展出来的基于荧光信号检测的外对比度增强技术[1]。FDOT对肿瘤组织具有高敏感性、特异性，能够在分子层面上反映病变组织功能信息，能够较为准确定位病变位置，提高肿瘤与正常组织间的内源性光学对比度，进而“引导”在病变组织的区域重点进行扩散光学层析重建，提高DOT成像的图像分辨率和量化度。

乳腺肿瘤FDOT系统采用时域测量模式，因为时域模式可最大程度地提供组织体内部光学参数分布信息，能够实现具有高量化精度和合理空间分辨率的多参数重建。FDOT测量时，可以采用双波长、多通道时间相关单光子计数(Time-correlated single photon counting，TCSPC)装置[2-6]。发明人所在的实验室在文献[7]中提出了一种利用这种双波长、多通道时间相关单光子计数装置实现的多通道时域荧光乳腺层析成像系统。该系统选用目前在乳腺成像领域广泛使用已获美国食品药品管理局(FDA)批准的ICG作为荧光增强剂，它是一种静脉注射白蛋白附着型近红外荧光剂，可以提供一定肿瘤特异性。ICG激发波长在780nm左右，发射波长在830nm左右，因此采用的激光器的波长分别为780nm和830nm，系统结构如图1所示。系统主要由两个高频脉冲激光器、N个光子探测器及相应的TCSPC模块构成。S根源光纤和D根探测光纤根据实验需要交叉布置在组织体(例如：乳房)的表面。其中可变衰减器(Variable OpticalAttenuator，VOA)用于调节光强到合适的范围，然后通过衰减器后进入到1×S光开关，将选定的光源由源光纤依次导入S个源位置，依次作为光源激励组织体。光子经过组织体的吸收和散射作用，有的被组织体吸收，有的溢出组织体表面，溢出组织体表面的光子被N个探测器所接收。由于出射的光强具有较大的动态范围，为了保证打到该探测器上面的光强不会过大而损坏探测器(单光子计数不超过同步信号的1/20)，需要在光注入探测器之前先经过N个滤波轮。同时，为了将出射光纤中的光转变成准直光(平行光)以减小收集到的光的发散角，有利于光的传输，在N组滤波轮前面分别安装了准直器。每个滤波轮上面装有K级不同衰减倍数的衰减片，其中前K-1级衰减片是中性滤光片，用于FDOT激发光测量时对激发光进行相应程度的衰减；第K级衰减片是一个830nm长通滤光片，用于FDOT荧光测量时滤除激发光，保证测量到的光基本为激发出的荧光。

因此，实验过程中激发光源位于r_s(s＝1，2，...，S)处、探测器于r_d(d＝1，2，...，D)处实际探测到的荧光光流量、激发光光流量的拉普拉斯变换值Г′_m(r_d，r_s，p)、Г′_x(r_d，r_s，p)(p为变换因子)与理想探测荧光光流量、激发光光流量的拉普拉斯变换值

之间的关系可以表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Γ}}_m^{\′}(r_d,r_s,p)={T_f}^n\mathrm{\α}(r_d,r_s){\stackrel{\‾}{\mathrm{\Γ}}}_m(r_d,r_s,p)\\ {\mathrm{\Γ}}_x^{\′}(r_d,r_s,p)={T_{\mathrm{od}}}^{n,k}\mathrm{\α}(r_d,r_s){\stackrel{\‾}{\mathrm{\Γ}}}_x(r_d,r_s,p)\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，T_f ⁿ表示第n(n＝1，2，...，N)个滤波轮中830nm长通滤光片的透过率；T_od ^n，k(n＝1，2，...，N；k＝1，2，...，K-1)表示第n个滤波轮中第k个中性滤光片的衰减率；α(r_d，r_s)表示激发光源位于r_s处、探测器于r_d处的耦合因子。

注意：这里可以近似认为滤光片的衰减率和透过率与所使用的源光纤和探测光纤无关。

FDOT图像重建时，用到归一化伯恩比公式，表示形式如下：

$I^{\mathrm{nb}}(r_d,r_s,p)=\frac{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Γ}}}_m(r_d,r_s,p)}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Γ}}}_x(r_d,r_s,p)}=\frac{1}{{\mathrm{\Γ}}_x(r_d,r_s,p)}\×{\∫}_{\mathrm{\Ω}}c{G}_m(r_d,r,p){\mathrm{\Φ}}_x(r_d,r,p)x(r,p)\mathrm{d\Ω}---\left(2\right)$

其中，I^nb(r_d，r_s，p)表示归一化伯恩近似后的光流量；Г_x(r_d，r_s，p)为激发光源位于r_s处、探测器于r_d处光源为1情况下理论计算出来的激发光光流量的拉普拉斯变换值；G_m(r_d，r，p)为激发光源位于r处、探测器于r_d处接收的扩散方程格林函数的拉普拉斯变换值；Ф_m(r，r_s，p)为激发光源位于r_s处、探测器在r处得到的激发光光子密度的拉普拉斯变换值；c为光在组织体中传输的速度；x(r，p)＝ημ_af(r)/(1+pτ(r))，其中ημ_af(r)、τ(r)分别表示荧光产率和荧光寿命。

由公式(1)，最后可得到：

$\frac{{\mathrm{\Γ}}_m^{\′}(r_d,r_s,p)}{{\mathrm{\Γ}}_x^{\′}(r_d,r_s,p)}=\frac{{T_f}^n}{{T_{\mathrm{od}}}^{n,k}}\frac{1}{{\mathrm{\Γ}}_x(r_d,r_s,p)}\×{\∫}_{\mathrm{\Ω}}c{G}_m(r_d,r,p){\mathrm{\Φ}}_x(r_d,r,p)x(r,p)\mathrm{d\Ω}---\left(3\right)$

因此，传输因子

由此可以看出，对N个滤波轮中的所有中性滤光片的衰减率T_od和830nm长通滤光片的透过率T_f进行准确的标定是FDOT图像重建的必要步骤。

相关文献

[1].R.Choe，et al.，Diffuse optical tomography of breast cancer during neoadjuvantchemotherapy：A case studywith comparison to MRI，Med.Phys.32，1128，2005.

[2].高峰.时间分辨荧光分子层析理论和技术基础研究.国家自然科学基金申请书，2006.

[2].T.Yates et al，″Optical tomography of the breast using a multi-channel time-resolved imager，″Phys.Med.Biol.50，2503-2517(2005).

[3].P.Taroni et al，″Time-resolved optical mammography between 637 and 985nm：clinical study on the detectionand identification of breast lesions，″Phys.Med.Biol.50，2469-2488(2005).

[4].L.Spinelli et al，″Characterization of female breast lesions from multi-wavelength time-resolved opticalmammography，″Phys.Med.Biol.50，2489-2502(2005).

[5].D.Grosenick et al，″Time-domain scanning optical mammography：I.Recording and assessment ofmammograms of 154 patients，″Phys.Med.Biol.50，2429-2449(2005).

[6].D.Grosenick et al，″Time-domain scanning optical mammography：II.Optical properties and tissue parametersof 87 carcinomas，″Phys.Med.Biol.50，2451-2468(2005).

[7].Wei Zhang et al，A time-domain fluorescence diffusion optical tomography system for breast tumor diagnosis.Proc.SPIE 7896，789619(2011).

发明内容

本发明的目的在于提供一种多通道时域荧光层析成像系统中各个通道传输因子的标定方法，为最终实现基于多通道TCSPC的时域荧光乳腺层析图像重建奠定基础。本发明的技术方案如下：

一种多通道时域荧光层析成像系统标定方法，该成像系统采用波长分别为780nm和830nm的高频脉冲激光器作为光源，出射的光经探测光纤在注入N个通道的探测器前，先经过N个K级滤波轮，每个K级滤波轮，的每级装有不同衰减倍数的衰减片，第一级不放滤光片，作为其他滤光片标定时的基准；从第二级到第K-1级放置中性滤光片；第K级放830nm长通滤光片，第一级到第K级的滤光片分别简单记为OD₀，OD₁，...，OD_(K-2)，和OD_K，对所有中性滤光片的衰减率和830nm长通滤光片的透过率的标定方法如下：

第一步：搭建一个用于替代多通道时域荧光层析成像系统中的成像腔的标定装置，该标定装置包括成像腔体和位于腔体内的插槽；

第二步：将源光纤和探测光纤分别插在成像腔体上，插入的接口位于插槽的两侧；

第三步：在插槽内放置一些镜头纸，将探测光纤与第一通道相连；

第四步：把780nm激光器打开，对与该通道相应的滤波轮上的所有中性滤光片的衰减率进行标定，标定过程如下：

(1)首先，将该滤波轮调到第一级即OD₀档，通过改变夹在源光纤与探测光纤之间的镜头纸的厚度或调节激光器的强度来调整探测器的计数率；

(2)计数率调好后，设置积分时间，进行积分，获得光子时间扩展曲线，得到此时出射的光子总数T_i。然后把780nm激光器关掉，在相同的积分时间下再进行一次积分，获得出射的背景光子总数N_i，由T_i-N_i，得到此时真实出射的光子总数，记为T′_i；

(3)再把780nm激光器打开，把该滤波轮调到下一级，待计数率稳定后，在相同的镜头纸厚度、相同的激光器强度以及相同的积分时间下再次进行积分，获得此时的光子时间扩展曲线，得到该状态下出射的光子总数T_j。然后，再把激光器关掉，在相同条件下积分，得到此刻的背景光子总数N_j，再由T_j-N_j，扣除此时的暗背景，从而可得到OD₁档下真实出射的光子总数，记为T′_j；

(4)最后由得到的结果即可认为是该滤波轮的第二级相对于OD₀量级在780nm下的衰减率；

(5)再将该滤波轮调到第二级即OD₁档，重复(1)～(4)步，最后得到该滤波轮的第三级相对于第二级在780nm下的衰减率，按照此方式依次进行，直到测出该滤波轮上所有中性滤光片在780nm下的相对衰减率；

第五步：把780nm激光器关掉，把830nm激光器打开，对该通道相应的滤波轮上的830nm长通滤光片的透过率的进行标定，标定过程如下：

(1)首先，将该滤波轮调到第一级即OD₀档，通过改变夹在源光纤与探测光纤之间的镜头纸的厚度或调节激光器的强度来调整探测器的计数率，使其控制在7.0×10⁵～1.0×10⁶；

(2)计数率调好后，设置积分时间，进行积分，获得光子时间扩展曲线，得到此时出射的光子总数T_i。然后把830nm激光器关掉，在相同的积分时间下再进行一次积分，获得出射的背景光子总数N_i，由T_i-N_i，得到此时真实出射的光子总数，记为T′_i。

(3)再把830nm激光器打开，把该滤波轮调到第K级，待计数率稳定后，在相同的镜头纸厚度、相同的激光器强度以及相同的积分时间下再次进行积分，获得此时的光子时间扩展曲线，得到该状态下出射的光子总数T_j。然后，再把激光器关掉，在相同条件下积分，得到此刻的背景光子总数N_j，再由T_j-N_j，得到在第K级下真实出射的光子总数，记为T′_j。

(4)最后由

计算该滤波轮的第K级830nm长通滤光片的透过率；

第六步：将探测光纤与第二通道、第三通道直至第N通道分别相连，重复上述的第四步和第五步，完成对各个通道相应的滤波轮上所有中性滤光片的相对衰减率和830nm长通滤光片的透过率的标定。

作为优选实施方式，所述的成像腔体和插槽均由透明介质构成；第四步和第五步中设置激光器频率为20MHz，激光强度为23％，将探测器的计数率调整到7.0×10⁵～1.0×10⁶范围内。

本发明具备以下技术效果：

1)本发明适用于如图1所示的基于TCSPC技术的分时切换多通道皮秒时间分辨测量系统，此种系统采用目前微弱光信号检测中较为灵敏的技术，其具有很大的动态范围，从而适应对乳房这样的厚组织的光学及血氧特性进行检测。

2)本发明用于对多通道系统中各个通道传输因子的标定，其结果用于最后的荧光参数图像重建算法中，消除系统通道传输性能上的差异，实现算法与模型间的有效匹配。

附图说明

图1：本发明的标定方法适用的时域荧光层析成像系统的结构图。

图2：本发明采用的标定装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行说明。

本发明的对于图1所示的多通道时域荧光乳腺层析成像系统中N个滤光片中所有的中性滤光片在波长780nm下的衰减率和830nm长通滤光片的透过率进行标定，具体实施方案如下：

在标定中，可以根据实际测量需要来设置激光器的频率及强度。例如，设定两个波长激光器的频率均为20MHz，激光强度为23％。对多通道荧光乳腺层析成像系统中的所有中性滤光片的衰减率和830nm长通滤光片的透过率的标定采用的标定装置如图2所示。该标定装置的材料是作为透明介质的有机玻璃，主要包括成像腔体1和插槽2两个部分，在插槽2两侧的成像腔体1上开设有接口，用来插入源光纤3和探测光纤4。本发明用它来替代图1中的成像腔，系统其他结构保持不变。

具体包括以下步骤：

1、从S根源光纤中任意选择一根，将其插入标定装置中的相应位置，作为标定时的源光纤。

2、从第一通道里的N根探测光纤中也任意选择一根，将其插入标定装置中的相应位置，作为探测光纤，用于接收源光纤发出的光。光纤的另一端后面连接结构不变。槽内可以放一些镜头纸，目的是对源光纤发出的光进行相应程度的衰减，以避免对面探测光纤探测到的光强过大而损坏后面连接的PMT。

3、把780nm激光器打开，设置激光器频率为20MHz，激光强度为23％。对第一通道的滤波轮上的所有中性滤光片的衰减率进行标定，标定过程如下：

(1)首先，将该滤波轮调到第一级即OD₀档，通过改变夹在源光纤与探测光纤之间的镜头纸的厚度或调节激光器的强度来调整探测器的计数率，使其控制在7.0×10⁵～1.0×10⁶。

(2)计数率调好后，设置积分时间为2s，进行积分，获得光子时间扩展曲线，得到此时出射的光子总数T_i。然后把780nm激光器关掉，在相同的积分时间下再进行一次积分，获得出射的背景光子总数N_i，由T_i-N_i(目的是扣除此时的暗背景)，从而可以得到此时真实出射的光子总数，记为T′_i。

(3)再把780nm激光器打开，把该滤波轮调到下一级，待计数率稳定后，在相同的镜头纸厚度、相同的激光器强度以及相同的积分时间下再次进行积分，获得此时的光子时间扩展曲线，得到该状态下出射的光子总数T_j。然后，再把激光器关掉，在相同条件下积分，得到此刻的背景光子总数N_j，再由T_j-N_j，扣除此时的暗背景，从而可得到OD₁档下真实出射的光子总数，记为T′_j。

(4)最后由

得到的结果即可认为是该滤波轮的第二级相对于OD₀量级在780nm下的衰减率。

(5)再将该滤波轮调到第二级即OD₁档，重复(1)～(4)步，最后得到该滤波轮的第三级相对于第二级在780nm下的衰减率。按照此方式依次进行，直到测出该滤波轮上所有中性滤光片在780nm下的相对衰减率(这里相对衰减率是指后一级中性滤光片相对于前一级的衰减率)。

4、把780nm激光器关掉，把830nm激光器打开，设置激光器频率为20MHz，激光强度为23％。对第一通道的滤波轮上的830nm长通滤光片的透过率的进行标定，标定过程如下：

(1)首先，将该滤波轮调到第一级即OD₀档，通过改变夹在源光纤与探测光纤之间的镜头纸的厚度或调节激光器的强度来调整探测器的计数率，使其控制在7.0×10⁵～1.0×10⁶。

(2)计数率调好后，设置积分时间为2s，进行积分，获得光子时间扩展曲线，得到此时出射的光子总数T_i。然后把830nm激光器关掉，在相同的积分时间下再进行一次积分，获得出射的背景光子总数N_i，由T_i-N_i(目的是扣除此时的暗背景)，从而可以得到此时真实出射的光子总数，记为T′_i。

(3)再把830nm激光器打开，把该滤波轮调到第K级，待计数率稳定后，在相同的镜头纸厚度、相同的激光器强度以及相同的积分时间下再次进行积分，获得此时的光子时间扩展曲线，得到该状态下出射的光子总数T_j。然后，再把激光器关掉，在相同条件下积分，得到此刻的背景光子总数N_j，再由T_j-N_j，扣除此时的暗背景，从而可得到在第K级下真实出射的光子总数，记为T′_j。

(4)最后由

得到的结果即可认为是该滤波轮的第K级830nm长通滤光片的透过率。

5、将第一通道里的这根探测光纤取掉。从第二通道里的N根探测光纤中任意选择一根，将其插入标定装置中的相应位置，作为第二个滤波轮标定时的探测光纤。

6、重复3、4步骤，完成对第二通道的滤波轮上所有中性滤光片的相对衰减率和830nm长通滤光片的透过率的标定。

7、以此类推，直到完成对第N个通道的滤波轮上所有中性滤光片的相对衰减率和830nm长通滤光片的透过率的标定。

8、连续进行数天多次重复测量，直到测量结果趋于较稳定的状态。对所测的各次结果取平均值，便可得到该多通道系统中N个滤波轮中所有的中性滤光片在波长780nm下的衰减率和830nm长通滤光片的透过率。

注意：在每一级标定之前，总是遵循不超过同步信号的1/20情况下具有比较大的计数率的原则，来改变源与探测光纤之间镜头纸的厚度或者调节激光器强度。调好后则在该级测量的整个过程中，激光器的强度、镜头纸厚度以及积分时间这些条件就保证不再改变，即保证对每一级中性滤光片的相对衰减率或830nm长通滤光片的透过率的标定在同一个状态下进行。

Claims (3)

1.一种多通道时域荧光层析成像系统标定方法，该成像系统采用波长分别为780nm和830nm的高频脉冲激光器作为光源，出射的光经探测光纤在注入N个通道的探测器前，先经过N个K级滤波轮，每个K级滤波轮的每级装有不同衰减倍数的衰减片，第一级不放滤光片，作为其他滤光片标定时的基准；从第二级到第K-1级放置中性滤光片；第K级放830nm长通滤光片，第一级到第K级的滤光片分别简单记为OD₀,OD₁,...,OD_(K-2)，和OD_K，对所有中性滤光片的衰减率和830nm长通滤光片的透过率的标定方法如下：

第一步：搭建一个用于替代多通道时域荧光层析成像系统中的成像腔的标定装置，该标定装置包括成像腔体和位于腔体内的插槽；

第二步：将源光纤和探测光纤分别插在成像腔体上，插入的接口位于插槽的两侧；

第三步：在插槽内放置一些镜头纸，将探测光纤与第一通道相连；

第四步：把780nm激光器打开，对与该通道相应的滤波轮上的所有中性滤光片的衰减率进行标定，标定过程如下：

（1）首先，将该滤波轮调到第一级即OD₀档，通过改变夹在源光纤与探测光纤之间的镜头纸的厚度或调节激光器的强度来调整探测器的计数率；

（2）计数率调好后，设置积分时间，进行积分，获得光子时间扩展曲线，得到此时出射的光子总数T_i；然后把780nm激光器关掉，在相同的积分时间下再进行一次积分，获得出射的背景光子总数N_i，由T_i-N_i，得到此时真实出射的光子总数，记为T'_i；

（3）再把780nm激光器打开，把该滤波轮调到下一级，待计数率稳定后，在相同的镜头纸厚度、相同的激光器强度以及相同的积分时间下再次进行积分，获得此时的光子时间扩展曲线，得到该状态下出射的光子总数T_j；然后，再把激光器关掉，在相同条件下积分，得到此刻的背景光子总数N_j，再由T_j-N_j，扣除此时的暗背景，从而可得到下一级真实出射的光子总数，记为T'_j；

（4）最后由得到的结果即可认为是该滤波轮的下一级相对于该级在780nm下的衰减率；

（5）此时该滤波轮位于第二级即OD₁档，重复（2）～（4）步，最后得到该滤波轮的第三级相对于第二级在780nm下的衰减率，按照此方式依次进行，直到测出该滤波轮上所有中性滤光片在780nm下的相对衰减率；

第五步：把780nm激光器关掉，把830nm激光器打开，对该通道相应的滤波轮上的830nm长通滤光片的透过率进行标定，标定过程如下：

（1）首先，将该滤波轮调到第一级即OD₀档，通过改变夹在源光纤与探测光纤之间的镜头纸的厚度或调节激光器的强度来调整探测器的计数率，使其控制在7.0×10⁵～1.0×10⁶；

（2）计数率调好后，设置积分时间，进行积分，获得光子时间扩展曲线，得到此时出射的光子总数T_i，然后把830nm激光器关掉，在相同的积分时间下再进行一次积分，获得出射的背景光子总数N_i，由T_i-N_i，得到此时真实出射的光子总数，记为T'_i；

（3）再把830nm激光器打开，把该滤波轮调到第K级，待计数率稳定后，在相同的镜头纸厚度、相同的激光器强度以及相同的积分时间下再次进行积分，获得此时的光子时间扩展曲线，得到该状态下出射的光子总数T_j；然后，再把激光器关掉，在相同条件下积分，得到此刻的背景光子总数N_j，再由T_j-N_j，得到在第K级下真实出射的光子总数，记为T'_j；

（4）最后由

计算该滤波轮的第K级830nm长通滤光片的透过率；

第六步：将探测光纤与第二通道、第三通道直至第N通道分别相连，重复上述的第四步和第五步，完成对各个通道相应的滤波轮上所有中性滤光片的相对衰减率和830nm长通滤光片的透过率的标定。

2.根据权利要求1所述的多通道时域荧光层析成像系统标定方法，其特征在于，所述的成像腔体和插槽均由透明介质构成。

3.根据权利要求1所述的多通道时域荧光层析成像系统标定方法，其特征在于，第四步和第五步，设置激光器频率为20MHz，激光强度为23%，将探测器的计数率调整到7.0×10⁵～1.0×10⁶范围内。

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