CN108113652A - 用于近红外脑功能成像仪的强度自动调节光源系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于近红外脑功能成像仪的光源强度自动调节方法，首先，调节移位寄存器输出使能信号有效；上电并初始化：FPGA将阻值最高调节信号按位传输到串入并出移位寄存器上，移位寄存器的输出使能有效时，阻值最高调节信号并行发送到数字电位器，将12路数字电位器的阻值调至最高，使得激光二极管光功率最小；设定光子计数范围，并发送到FPGA的寄存器；控制点亮一个光源；对探点的光强进行探测并计数；根据该计数是否在光子计数范围进行相应的调节。本发明可以针对不同个体光学参数的差异性，自动调节光源强度可保证系统信噪比一致，提高近红外光谱脑功能成像系统的光源强度自适应性能，提高系统的性价比，为推进脑功能研究奠定基础。
Description
技术领域
本发明属于脑功能光学成像技术领域，具体涉及到一种基于可自动调节强度的近红外光谱脑功能成像仪的强度自动调节光源系统。
技术背景
近年来，随着现代物理学、计算机技术以及电子技术的迅猛发展，以及“人类脑计划”的提出，使大脑的研究、开发、保护成为了当今科学家的重要研究课题。而以fNIRS为代表的脑功能测量技术将逐步发展成熟并进入临床测试应用阶段，成为现有脑成像模态(fMRI、EEG、MEG等)[1]的一个极为有益的补充。因此我们仍需要完善和改进无创、无电离辐射的近红外光谱脑功能检测仪器，用于对人脑认知功能以及心理活动机制等进行更深一步的研究。
光源系统是近红外光谱脑功能检测仪器的重要部分，而光源的利用效率是保证时空分辨的重要因素[2]。在NIRS的三种测量模式[3]中，稳态光测量(CW)因其实现简单、成本低成为了脑功能光学成像的主流技术。在稳态光测量系统中，采用产品化的激光器作为近红外成像的光源虽然也能达到实际的测量需求，但成本高，测量过程光源需要的预热时间长，而且需要手动调节，不能根据个体差异的测量反馈自动调整光强。LED虽然成本低，但是光源的相干性和准直性较差，发射光谱较宽。
合适的光强度能保证人体安全[5]和探测器线性响应区间的情况下使测量系统达到较高的信噪比。在仪器实际应用中，需要根据探测周围的光源的数量以及光源和探测器的距离进行实时的光强调节；此外，还需要根据个体差异以及不同测量部位对激光的承受能力不同，通过对漫射光的测量反馈实现光源强度进行自动调节。
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发明内容
本发明旨在根据光电倍增管反馈光源系统的强度，实现数字化自动调节LD驱动电路的限流电阻阻值，从而自动调节光源的强度。针对不同个体光学参数的差异性，自动调节光源强度可保证系统信噪比一致，提高近红外光谱脑功能成像系统的光源强度自适应性能，提高系统的性价比，为推进脑功能研究奠定基础。
本发明提出的一种用于近红外脑功能成像仪的强度自动调节光源系统，包括上位机、4组激光二极管、4个12路激光二极管驱动模块和自动调节过程控制单元；每一组激光二极管包括12个3种不同波长的激光二极管，其中，每种波长的激光二极管有4个；每个12路激光二极管驱动模块包括三个级联的移位寄存器和并行布置的12路恒流驱动电路，所述恒流驱动电路包括激光二极管驱动芯片和数字电位器，所述激光二极管驱动芯片的型号为ELM185；所述移位寄存器的输出连接至所述数字电位器阻值增大和阻值减小的引脚，所述数字电位器用于限制所述激光二极管驱动芯片驱动电流的大小；所述自动调节过程控制单元包括光电倍增管和与所述上位机相连的FPGA，所述FPGA包括光子计数模块、判断模块和信号发生器；所述光电倍增管的输出信号作为光子计数模块的输入；同一组激光二极管发出的每三种不同波长的激光通过一个光纤合束器合成一束后经过一根光纤传输至待测对象的源点。
利用上述用于近红外脑功能成像仪的强度自动调节光源系统进行光源强度自动调节的方法是，将每组激光二极管中的12个激光二极管按照点亮的顺序依次记为LD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、LD7、LD8、LD9、LD10、LD11和LD12；对每一组激光二极管进行强度自动调节的过程相同，均包括以下步骤：
步骤1)首先调节移位寄存器输出使能信号有效；
步骤2)开始上电系统初始化：FPGA通过GPIO接口将阻值最高调节信号Amax按位传输到串入并出移位寄存器上，所述移位寄存器的输出使能有效时，阻值最高调节信号Amax并行发送到数字电位器的PU引脚上，将12路数字电位器的阻值调至最高，使得激光二极管光功率最小；
步骤3)通过所述上位机的用户界面输入光子计数范围，最大光子计数值Cmax和最小光子计数值Cmin通过上位机的rs232串口发送到FPGA的寄存器；
步骤4)FPGA产生的低电平信号经过所述GPIO接口作用于到要点亮的激光二极管LD1光源调制信号输入端，而其它11个激光二极管调制信号输入端均接收来自于FPGA产生的高电平信号，此刻仅点亮激光二极管LD1，顺序执行步骤5)和6)调节该激光二极管的强度；
步骤5)所述光电倍增管从探点探测到的离散光子转换成宽度是10ns的电脉冲信号，FPGA对该电脉冲信号抓取并进行单位时间的计数；
步骤6)判断该光子计数值是否在用户输入的光子计数范围内：若光子计数值大于最大光子计数值Cmax，计数器清零后发送当前激光二极管阻值升高调节信号D_rise，若光子计数值小于最小光子计数值Cmin，计数器清零后发送当前激光二极管阻值降低调节信号D_reduce，否则，发送当前激光二极管完成调节标志，发送高电平信号到当前激光二极管的调制信号输入端，从而灭掉当前激光二极管，光子计数器清零；
步骤7)顺序点亮下一个激光二极管，重复执行步骤5)和6)，直至完成该组激光二极管中的所有激光二极管；所述FPGA发送输出使能无效信号，并将该组中12个激光二极管调节完毕标志信号返回到上位机；
重复上述步骤1)至7)，最终完成4组激光二极管的强度自动调节。
本发明用于近红外脑功能成像仪的强度自动调节光源系统及方法与其他近红外光谱成像仪器光源系统相比它的优点在于：可根据实际测到的光强信息对光源的强度进行自适应反馈调节，使得测量系统去除人为因素的干扰。而且近红外光谱脑功能成像系统的光源强度自动调节更符合系统产品化的需要，从而大大提高了系统的性价比和可靠性，有益效果如下：
1)该发明采用48个数字电位器、12个移位寄存器和3个光电倍增管，实现了三波长48个光源的自适应光强调节，系统简单廉价，稳定性好，易于实现。
2)该发明采用PMT探测漫射光强反馈实现数字化自动光强调节，可以根据组织体的个体差异来合理分布测量点光强度。
3)该发明采用数字电位器替代了机械电位器实现光强的调节，其可编程能力允许可靠、实时的进行偏移量和增益等的改变，完全剔除了人为调节的不可靠因素，大大地提高了系统测量的可靠性。
附图说明
图1是本发明强度自动调节光源系统的框图；
图2是本发明中单路光源恒流驱动电路原理图；
图3是本发明中12路激光二极管驱动模块电路图；
图4是本发明光源强度自动调节控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
本发明的设计思路是：为了满足在不同的探点能达到相同的信噪比，本发明中提供了一种独特的恒流驱动电路，并根据微弱光测量反馈设置实现精确的自动调节光强的光源系统，降低了实际测量中的人为因素的干扰。该系统将按键式数字电位器、串入并出移位寄存器、FPGA可编程数字逻辑集成电路与光电倍增管(PMT)相结合，有效地克服了实际测量中人为手动光强调节变量多的缺点，增强了近红外光谱测量系统的光源精确数字化自动调节的性能，从而极大提高了系统的性价比，使得近红外脑功能测量仪器在人脑认知机制与心理学和新生儿脑发育实时监护[9]等重要领域应用更广阔。
本发明中采用的光源是具备较好的波长特性、方向准直特性、相位特性的激光二极管(LD)。
如图1所示，本发明提出的一种用于近红外脑功能成像仪的强度自动调节光源系统，包括上位机、4组激光二极管、4个12路激光二极管驱动模块和自动调节过程控制单元。每一组激光二极管包括12个3种不同波长的激光二极管，这三种波长分别是785nm，808nm，830nm，其中，每种波长的激光二极管有4个。如图3所示，每个12路激光二极管驱动模块包括三个级联的移位寄存器和并行布置的12路恒流驱动电路，所述恒流驱动电路包括激光二极管驱动芯片和数字电位器，所述激光二极管驱动芯片的型号为ELM185；所述移位寄存器的输出连接至所述数字电位器阻值增大和阻值减小的引脚，所述数字电位器用于限制所述激光二极管驱动芯片驱动电流的大小。
如图1所示，所述自动调节过程控制单元包括光电倍增管和与所述上位机相连的FPGA，所述FPGA包括光子计数模块、判断模块和信号发生器；所述光电倍增管的输出信号作为光子计数模块的输入。同一组激光二极管发出的每三种不同波长的激光通过一个光纤合束器合成一束后经过一根光纤传输至待测对象的源点。
对于每一路恒流驱动电路，如图2，其实现方式是通过FPGA输出高低电平信号S到激光驱动芯ELM185的AMD引脚来控制激光二极管的亮灭。不同波长的激光二极管的工作电流的不同，需要将图2中R1，R2，R3，R4按不同的阻值组合实现后续电路占空比50％的方波驱动。数字电位器通常采用按键式控制方式；本发明将其改进为通过精确控制FPGA的GPIO输出有效TTL电平信号长度来精确控制档位变化，而且阻值调节到最高后不会出现因内部计数器的溢出返回最低阻值的情况。每一个数字电位器有PU和PD两个控制引脚，每激光二极管驱动模块的强度调节需要24个控制引脚，考虑到FPGA引脚有限，在电路中采用3片74HC595移位寄存器级联，可实现用4个引脚控制24个引脚的TTL信号输出，这4个引脚分别是移位时钟信号(SCLK)，锁存时钟信号(RCLK)，以及串行输入数据信号(SI)，输出使能信号(OE)，其输出时序通过FPGA编程控制。
利用上述用于近红外脑功能成像仪的强度自动调节光源系统实现光源强度自动调节的方法是，先将每组激光二极管中的12个激光二极管按照点亮的顺序依次记为LD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、LD7、LD8、LD9、LD10、LD11和LD12；12个激光二极管依次对应通道1-12，如图4所示，对每一组激光二极管进行强度自动调节的过程相同，均包括以下步骤，
步骤1)首先调节移位寄存器输出使能信号有效。
步骤2)开始上电系统初始化：FPGA通过GPIO接口将阻值最高调节信号Amax按位传输到串入并出移位寄存器上，所述移位寄存器的输出使能有效时，阻值最高调节信号Amax并行发送到数字电位器的PU引脚上，将12路数字电位器的阻值调至最高，使得激光二极管光功率最小；使得激光二极管(LD)光功率最小保护其不被损坏，自动初始化完成。
步骤3)通过所述上位机的用户界面输入光子计数范围，最大光子计数值Cmax和最小光子计数值Cmin通过上位机的rs232串口发送到FPGA的寄存器。
步骤4)FPGA产生的低电平信号经过所述GPIO接口作用于到要点亮的激光二极管LD1光源调制信号输入端，而其它11个激光二极管调制信号输入端均接收来自于FPGA产生的高电平信号，此刻仅点亮激光二极管LD1，顺序执行步骤5)和6)调节该激光二极管的强度。
步骤5)所述光电倍增管从探点探测到的离散光子转换成宽度是10ns的电脉冲信号，FPGA对该电脉冲信号抓取并进行单位时间的计数。
步骤6)判断该光子计数值是否在用户输入的光子计数范围内：若光子计数值大于最大光子计数值Cmax，计数器清零后发送当前激光二极管阻值升高调节信号Dn_rise，若光子计数值小于最小光子计数值Cmin，计数器清零后发送当前激光二极管阻值降低调节信号Dn_reduce，否则，发送当前激光二极管完成调节标志，发送高电平信号到当前激光二极管的调制信号输入端，从而灭掉当前激光二极管，光子计数器清零。
步骤7)点亮激光二极管LD2光源并开始调节，激光二极管LD2光源的调节方式同理，只是每个光源对应的调节阻值升高和降低的关键字是不同的；即顺序点亮下一个激光二极管，重复执行步骤5)和6)，直至完成该组激光二极管中的所有激光二极管；所述FPGA发送输出使能无效信号，并将该组中12个激光二极管调节完毕标志信号返回到上位机。
其他3组36路光源强度自动调节的实现方式同上，最终完成4组激光二极管的强度自动调节。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (2)
1.一种用于近红外脑功能成像仪的强度自动调节光源系统，包括上位机和4组激光二极管，其特征在于，还包括有4个12路激光二极管驱动模块和自动调节过程控制单元；
每一组激光二极管包括12个3种不同波长的激光二极管，其中，每种波长的激光二极管有4个；
每个12路激光二极管驱动模块包括三个级联的移位寄存器和并行布置的12路恒流驱动电路，所述恒流驱动电路包括激光二极管驱动芯片和数字电位器，所述激光二极管驱动芯片的型号为ELM185；所述移位寄存器的输出连接至所述数字电位器阻值增大和阻值减小的引脚，所述数字电位器用于限制所述激光二极管驱动芯片驱动电流的大小；
所述自动调节过程控制单元包括光电倍增管和与所述上位机相连的FPGA，所述FPGA包括光子计数模块、判断模块和信号发生器；所述光电倍增管的输出信号作为光子计数模块的输入；
同一组激光二极管发出的每三种不同波长的激光通过一个光纤合束器合成一束后经过一光纤传输至待测对象的源点。
2.一种用于近红外脑功能成像仪的光源强度自动调节方法，其特征在于，利用如权利要求1所述用于近红外脑功能成像仪的强度自动调节光源系统，每组激光二极管中的12个激光二极管按照点亮的顺序依次记为LD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、LD7、LD8、LD9、LD10、LD11和LD12；对每一组激光二极管进行强度自动调节的过程相同，均包括以下步骤：
步骤1)首先调节移位寄存器输出使能信号有效；
步骤2)开始上电系统初始化：FPGA通过GPIO接口将阻值最高调节信号Amax按位传输到串入并出移位寄存器上，所述移位寄存器的输出使能有效时，阻值最高调节信号Amax并行发送到数字电位器的PU引脚上，将12路数字电位器的阻值调至最高，使得激光二极管光功率最小；
步骤3)通过所述上位机的用户界面输入光子计数范围，最大光子计数值Cmax和最小光子计数值Cmin通过上位机的rs232串口发送到FPGA的寄存器；
步骤4)FPGA产生的低电平信号经过所述GPIO接口作用于到要点亮的激光二极管LD1光源调制信号输入端，而其它11个激光二极管调制信号输入端均接收来自于FPGA产生的高电平信号，此刻仅点亮激光二极管LD1，顺序执行步骤5)和6)调节该激光二极管的强度；
步骤5)所述光电倍增管从探点探测到的离散光子转换成宽度是10ns的电脉冲信号，FPGA对该电脉冲信号抓取并进行单位时间的计数；
步骤6)判断该光子计数值是否在用户输入的光子计数范围内：若光子计数值大于最大光子计数值Cmax，计数器清零后发送当前激光二极管阻值升高调节信号D_rise，若光子计数值小于最小光子计数值Cmin，计数器清零后发送当前激光二极管阻值降低调节信号D_reduce，否则，发送当前激光二极管完成调节标志，发送高电平信号到当前激光二极管的调制信号输入端，从而灭掉当前激光二极管，光子计数器清零；
步骤7)顺序点亮下一个激光二极管，重复执行步骤5)和6)，直至完成该组激光二极管中的所有激光二极管；所述FPGA发送输出使能无效信号，并将该组中12个激光二极管调节完毕标志信号返回到上位机；
最终完成4组激光二极管的强度自动调节。
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