CN109187423B - 一种扩散光学层析成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种扩散光学层析成像系统，该系统包括光源模块、传输模块、接收模块、数据处理模块；其中，光源模块用于产生第一光信号；传输模块连接光源模块，用于传输第一光信号和第二光信号，第二光信号由被测物体经第一光信号照射后形成；接收模块连接传输模块，用于将第二光信号转化为电信号；数据处理模块连接接收模块，用于将电信号转化为数字信号后对数字信号进行处理。本发明实施例使用激发与接收二合一光纤，减少光纤数量，降低光纤排布复杂度，提高数据采集效率；在接收端设置接收端光开关，减少PMT的数量，降低系统成本；通过处理单元控制接收端光开关切换实现多通道数据同时采集，提升检测效果。
Description
技术领域
本发明属于分子影像领域，具体涉及一种扩散光学层析成像系统。
背景技术
扩散光学层析成像又称漫射光学层析成像(Diffuse Optical tomography,DOT)是一种面向厚组织体的利用近红外光照射获得的三维功能成像方法，其目标是通过发展高灵敏的近红外光子检测仪器和基于生物组织光子输运模型的图像重建技术，从多点激励下表面扩散光的时间、空间和光谱分布测量信息中反演组织体内部光学特性参数的三维分布，并使之与该组织的生理状态(血红蛋白浓度及氧饱和度等)相关联。DOT对组织功能的变化具有特异性、动态性和灵敏性，而且还具有使用安全、可靠，低成本等优势。因此，DOT具有广泛的应用潜力和研究价值。目前，DOT主要的应用方面是脑功能成像和乳腺成像等。对于乳腺成像，如果组织发生癌变，就会具有明显的血管化特征，与正常组织相比对光的吸收更强，因此，DOT可以利用对乳腺内血红蛋白、水、脂类等内源性物质显像从而获得肿瘤组织与正常组织间生理参数的差异。
现有DOT系统使用的光纤包含单个PMT(photo multiplier tube，光电倍增管)或多个PMT，如图2所示，图2为现有扩散光学层析成像系统的结构示意图，其中，包含单个PMT的技术方案为由光源模块产生固定波长的激发光，经过光纤传输到1×16的线性平移台；然后，通过工业控制计算机控制线性平移台顺序移动，依次切换激发通道；接着，再控制接收端的线性平移台依次顺序采集每个激发点对应的16个接收点的数据；最后，使用单个PMT进行接收。其中，由于线性平移台属于机械器件，使用两个线性平移台作为激发位置与接收位置切换的器件，移动过程中不可避免的会出现误差，从而影响光信号传输，会造成严重的光信号衰减；使用位置分离的光纤，虽然降低了相互之间的影响，但是不利于探测点的增加，增加了系统复杂度。同时，由于不能进行多通道同时测量，成倍的增加了数据采集时间，降低了系统效率且对于乳房密度较高的年轻女性，其检测结果不太理想并具有电离辐射。
因此，如何降低光纤排布复杂度，提高数据采集效率，降低系统成本，实现多通道同时测量，提升检测效果就显得尤为重要。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种扩散光学层析成像系统。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明实施例提供了一种扩散光学层析成像系统，包括光源模块、传输模块、接收模块、数据处理模块；其中，
所述光源模块用于产生第一光信号；
所述传输模块连接所述光源模块，用于传输所述第一光信号和第二光信号，其中，所述第二光信号由被测物体经所述第一光信号照射后形成；
所述接收模块连接所述传输模块，用于将所述第二光信号转化为电信号；
所述数据处理模块连接所述接收模块，用于将所述电信号转化为数字信号后对所述数字信号进行处理。
在本发明的一个实施例中，所述光源模块包括激光二极管、电流控制器以及温度控制器；其中，
所述激光二极管用于产生所述第一光信号；
所述电流控制器连接所述激光二极管，用于对所述激光二极管的电流进行控制；
所述温度控制器连接所述激光二极管，用于调节所述激光二极管的工作温度。
在本发明的一个实施例中，所述光源模块还包括安装座，所述安装座用于对所述第一光信号进行正弦幅度调制。
在本发明的一个实施例中，所述传输模块包括激发端光开关、若干光纤以及接收端光开关；其中，
所述激发端光开关的输入端连接所述激光二极管，用于将所述光纤的状态切换为激发状态或者接收状态；
所述光纤的一端与所述激发端光开关的输出端连接，所述光纤的另一端分为激发光纤和接收光纤，且所述激发光纤垂直连接所述被测物体表面，用于在所述光纤的状态为激发状态时传输所述第一光信号；所述接收光纤接触所述被测物体表面后连接所述接收端光开关，用于在所述光纤的状态为接收状态时传输所述第二光信号；
所述接收端光开关用于对所述第二光信号进行时分复用探测。
在本发明的一个实施例中，所述激发端光开关为1×16光开关，所述激发端光开关的数量为1个。
在本发明的一个实施例中，所述接收端光开关为1×4光开关，所述接收端光开关的数量为4个。
在本发明的一个实施例中，所述光纤的数量为16根。
在本发明的一个实施例中，所述接收模块包括PMT和放大器；其中，
所述PMT的输入端连接所述传输模块，所述PMT的输出端连接所述数据处理模块，用于将所述第二光信号转化为所述电信号；
所述放大器的输入端连接所述PMT的输出端，所述放大器输出端连接所述数据处理模块，用于将所述电信号放大。
在本发明的一个实施例中，所述数据处理模块包括采集单元、控制单元和处理单元；其中，
所述采集单元包括数据采集卡，所述数据采集卡连接所述放大器，所述采集单元用于将所述电信号转化为数字信号；
所述控制单元包括增益控制卡，所述增益控制卡连接所述PMT的输出端，用于控制所述PMT的增益；
所述处理单元分别连接所述数据采集卡和所述增益控制卡，所述处理单元用于对所述数字信号进行处理。
在本发明的一个实施例中，所述增益控制卡采用的增益控制方法为阈值法或列表法。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
(1)、使用激发与接收二合一光纤，减少光纤数量，降低光纤排布复杂度，提高数据采集效率；
(2)、设置接收端光开关，减少PMT的数量，降低系统成本；
(3)、通过处理单元控制接收端光开关切换实现多通道数据同时采集，提升检测效果。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种扩散光学层析成像系统的模块结构示意图；
图2为现有扩散光学层析成像系统的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种扩散光学层析成像系统的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的光纤工作原理示意图；
图5为本发明实施例提供的接收端光开关控制程序流程示意图；
图6为本发明实施例提供的数据采集程序流程示意图；
图7为本发明实施例提供的采用阈值法进行增益控制的流程示意图；
图8为本发明实施例提供的采用列表法进行增益控制的流程示意图；
图9为本发明实施例提供的初始增益电压控制原理示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1和图3，图1为本发明实施例提供的一种扩散光学层析成像系统的模块结构示意图，图3为本发明实施例提供的一种扩散光学层析成像系统的结构示意图。
一种扩散光学层析成像系统，包括：光源模块100、传输模块200、接收模块300、数据处理模块400。
光源模块100用于产生第一光信号，照射被测物体；
其中，光源模块100包括激光二极管101、电流控制器102、温度控制器103以及安装座。光源模块100优选波长为785nm的激光器套件。
其中，本实施例中第一光信号为激光二极管101发出的激光信号，激光二极管101优选带尾纤激光二极管，优选型号为LP785-SF100。
其中，电流控制器102，优选型号为LDC205C，用于对激光二极管101的电流进行控制。
其中，温度控制器103，优选型号为TED200C，用于调节激光二极管101的工作温度，保证激光二极管101输出的波长稳定。
其中，安装座带有调制信号输入端，用于对第一光信号进行正弦幅度调制。
正弦幅度调制是指正弦波的幅度随输入信号的变化而变化，包括调幅、双边带、单边带和残留边带。
传输模块200连接光源模块100，传输模块200包括激发端光开关201、若干光纤202以及接收端光开关203，用于传输第一光信号和第二光信号，第二光信号由被测物体经第一光信号照射后形成；
激发端光开关201输入端连接激光二极管101，用于将光纤202的状态切换为激发状态或者接收状态，有利于数据的快速采集，实现光纤202的复用，降低系统成本；
优选地，采用型号为FSW1×16-MM-A的1×16光开关作为激发端光开关201，1×16光开关具有16个切换通道，用于实现16个激发位置的通道切换；
光纤202优选为激发与接收二合一光纤，数量为16根，16根光纤202一端与激发端光开关201输出端的16个接口分别连接，光纤202另一端分为激发光纤和接收光纤；
具体请参见图4，图4为本发明实施例提供的光纤工作原理示意图。
其中，激发光纤垂直连接被测物体表面，用于在光纤202状态为激发时传输第一光信号；
其中，接收光纤接触被测物体表面后连接接收端光开关203输入端的接口，用于在光纤202状态为接收状态时传输第二光信号；
其中，当1根激发光纤传输第一光信号时，其它15根光纤作为接收光纤，接收光纤接收并传输由被测物体经第一光信号照射后形成的第二光信号，完成第一根光纤的光信号传输后，激发端光开关201将第二根光纤的状态由接收状态切换为激发状态，依次对16根光纤进行操作，实现光纤202的复用。
激发与接收二合一光纤有效的降低了扩散光学层析成像系统的结构复杂度。
接收端光开关203用于对第二光信号进行时分复用探测。
优选地，采用型号为FSW1×4-MM-A的1×4光开关作为接收端光开关203，每个接收端光开关203有4个接口，配合用于接收的PMT301实现对第二光信号的时分复用探测。
时分复用是指采用同一物理连接的不同时段来传输不同的信号，也能达到多路传输的目的。
激发端光开关201与接收端光开关203被统一集成在一个1×N多模光开关中，该1×N多模光开关带有控制按键与显示界面，方便对激发端光开关201与接收端光开关203运行情况进行实时监控。该1×N多模光开关的工作波长为660nm～980nm，光纤接口为通用FC/PC，相邻通道切换时间小于等于10ms，通道切换控制方式分为两种：一种是手动按键操作控制，另一种是RS-232串口控制。为便操作，本发明实施例采用RS-232串口控制。
如图5所示，图5为本发明实施例提供的接收端光开关203控制程序流程示意图。在数据采集过程中，激发端光开关201的控制程序通过控制激发端光开关201切换通道，间接用于控制光的激发位置与接收位置的切换。i代表激发位置，j代表接收位置。首先对激发端光开关201进行初始化，设置i＝1，j＝1，在1号位置激发，在1号位置接收。然后，进行数据采集工作。采集完成之后，判断j是否小于4，因为本系统使用了4块PMT301实现对16个位置的采集，每次接收位置的切换对应4个1×4接收端光开关203同时切换，所以接收位置的切换范围为1-4。若j<4，继续进行采集，直到j＝4。若j＞4，说明该激发位置对应的16个接收位置的数据全部采集完毕。然后，开始进行下一个激发位置的数据采集，同时，设置j＝1，代表接收位置重新开始切换。当该激发位置对应的16个接收位置的数据全部采集完成之后，开始对下一个激发位置进行数据采集。当i＝16时，对16号激发位置进行数据采集。数据采集完成之后，若i＞16，跳出循环，整个数据采集过程结束。
本发明实施例优选提供4个PMT301配合4个1×4的接收端光开关203实现16个位置的数据采集，接收位置的每次切换对应4个1×4接收端光开关203同时切换，实现多通道的同时测量。1×N多模光开关的串口操作控制有效降低了操作复杂度，减少了操作时间，提高了系统集成度，使系统数据采集方便、高效。
接收模块300连接传输模块200，包括PMT301和放大器302，用于将第二光信号转化为电信号；
其中，PMT301优选型号为H10721-20，具有104-107的增益调整范围，用于接收第二光信号并将第二光信号转化为电信号后输出，PMT301的输入端与传输模块200连接，PMT301的输出端与数据处理模块400连接；
其中，放大器302的输入端连接PMT301的输出端，放大器302的输出端连接数据处理模块。
数据处理模块400包括采集单元401、控制单元402和处理单元403。
其中，采集单元401包括数据采集卡4011，优选地，数据采集卡4011采用多通道数据采集卡，与处理单元403连接，用于接收放大器302输出的电信号并将电信号转化为数字信号后输出，数据采集卡4011与放大器402连接。如图6所示，图6为本发明实施例提供的数据采集程序流程示意图，处理单元403通过程序控制数据采集卡4011，先对数据采集卡4011进行初始化，然后对四个通道进行逐通道逐点扫描式采集，采集完成后对数据进行保存并分类，得到每个通道对应的数据。
另外，控制单元402包括增益控制卡4021，增益控制卡4021连接PMT301的输出端，用于控制PMT301的增益。
由于接收位置与激发位置之间距离的关系，不同的距离出射第一光信号强度也会不同，为了保障PMT301可以对第二光信号进行有效探测，提升PMT301的探测距离，需要对不同位置的PMT301设置不同的增益，通过调制PMT301的增益控制电压(+0.5～+1.1V)来控制PMT301的增益，以达到PMT301的有效探测范围。本发明实施例提出以下两种PMT301增益控制方案：
(1)、阈值法
如图7所示，图7为本发明实施例提供的采用阈值法进行增益控制的流程示意图，包含以下步骤：
S1、将增益控制电压设为最小值5×10-4V，等待PMT301稳定后测量信号；
S2、与阈值进行对比，如果小于阈值，增加增益控制电压继续进行测量对比，直到大于阈值电压或达到最大控制电压2.9V，保存数据；
S3、对所有采集点重复步骤S1到步骤S3，完成数据测量。
采用阈值法进行增益控制，由于是对逐点逐位置进行增益调整控制，在距离激发点位置较远的点，光强较弱，需要多次进行重复设置测量，耗费时间长，因此本发明实施例优选采用列表法进行增益控制。
(2)、列表法
如图8所示，图8为本发明实施例提供的采用列表法进行增益控制的流程示意图，包含以下步骤：
S1、设置初始增益电压控制列表，用于测量过程中设置对应点PMT301增益控制电压值；
S2、读取相应激发点的增益电压控制列表，进行增益设置，设置完成后等待200ms左右保证PMT301稳定后再进行数据测量；
S3、切换激发位置重复步骤S1到步骤S3，完成其它点的测量。
其中，如图9所示，图9为本发明实施例提供的初始增益电压控制原理示意图，设置初始增益电压控制列表包括将初始增益电压接收位置分为A,B,C,D四个部分，其中，激发位置1号点为A部分，距离激发点较近的四个点2,3,15,16为A部分，距离适中的六个点4,5,6,12,13,14为B部分，距离较远的五个点7,8,9,10,11为C部分。A,B,C,D四个部分，每个部分对应一个相同的增益，D部分为激发点，增益控制电压为0。由于激发与接收二合一光纤的距离改变，接收光纤接收到的值会大不相同，在相同增益下，距离激发光纤较远的点接收光纤可能会探测不到值，所以本发明实施例采用区域分割的方法实现增益自适应控制，A部分的增益为0.76，B部分的增益为0.9，C部分的增益为1.1。当激发位置改变，由处理单元403中的C++编程程序控制初始列表进行循环移位即可得到当前激发点对应的增益电压控制列表，从而使激发与接收二合一光纤间隔较远的时候也可以采集到数字信号，实现更多数字信号的获取。
本发明实施例同时还提供了一种扩散光学层析成像方法，包括以下步骤：
S1、将选定波长的光源模块100通过一个1×16的激发端光开关201和入射方向的激发与接收二合一光纤202相连接，激发与接收二合一光纤的另一端分为激发光纤与接收光纤，其中，激发光纤与成像腔内的被测物体表面垂直连接，接收光纤与被测物体表面接触后与1×4接收端光开关203连接，通过接收端光开关203的切换获得不同位置的出射光信号；
S2、出射光信号入射至PMT301转化为电信号，当近红外光照射到PMT301时，PMT301向真空中激发出光电子，光电子按聚焦极电场进入倍增系统，并通过放大器302进一步的二次发射得到倍增放大，放大后的光电子经PMT301采集后作为电信号输出；
S3、数据采集卡4011将PMT301输出的电信号以较高的精度转换为数字信号，同时发送至处理单元403进行数字信号的处理与分析，处理单元403通过控制激发端光开关201不同通道的切换可以采集到256个边界数字信号，处理单元403将得到的数字信号进行简单的预处理，得到适合重建的数据格式，将处理后的数据导入到重建软件中通过计算来恢复被测物体内部的光学系数分布，从而得到光学系数分布图像，根据光学系数分布图像可以用来判断被测物体是否存在病灶并获得病灶的尺寸，为临床诊断提供可靠的依据。
其中，成像过程在暗光环境中进行，并在数据采集前检查系统是否存在可以避免的误差，如：空测时的数值不易超过1×10-4mV，将误差排除之后再进行工作。
本发明实施例通过使用激发与接收二合一光纤，减少光纤数量，降低光纤排布复杂度，提高数据采集效率；在接收端设置1×4的接收端光开关203，减少PMT301的数量，降低系统成本；通过处理单元403控制激发端光开关201切换实现多通道数据同时采集，提升检测效果。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种扩散光学层析成像系统，其特征在于，包括光源模块(100)、传输模块(200)、接收模块(300)、数据处理模块(400)；其中，
所述光源模块(100)用于产生第一光信号；
所述传输模块(200)连接所述光源模块(100)，用于传输所述第一光信号和第二光信号，其中，所述第二光信号由被测物体经所述第一光信号照射后形成；
所述传输模块(200)包括激发端光开关(201)、若干光纤(202)以及接收端光开关(203)；其中，
所述激发端光开关(201)的输入端连接激光二极管(101)，用于将所述光纤(202)的状态切换为激发状态或者接收状态；
所述光纤(202)的一端与所述激发端光开关(201)的输出端连接，所述光纤(202)的另一端分为激发光纤和接收光纤，且所述激发光纤垂直连接所述被测物体表面，用于在所述光纤(202)的状态为激发状态时传输所述第一光信号；所述接收光纤接触所述被测物体表面后连接所述接收端光开关(203)，用于在所述光纤(202)的状态为接收状态时传输所述第二光信号；
所述接收端光开关(203)用于对所述第二光信号进行时分复用探测；所述接收模块(300)连接所述传输模块(200)，用于将所述第二光信号转化为电信号；所述数据处理模块(400)连接所述接收模块(300)，用于将所述电信号转化为数字信号后对所述数字信号进行处理。
2.根据权利要求1所述的扩散光学层析成像系统，其特征在于，所述光源模块(100)包括激光二极管(101)、电流控制器(102)以及温度控制器(103)；其中，
所述激光二极管(101)用于产生所述第一光信号；
所述电流控制器(102)连接所述激光二极管(101)，用于对所述激光二极管(101)的电流进行控制；
所述温度控制器(103)连接所述激光二极管(101)，用于调节所述激光二极管(101)的工作温度。
3.根据权利要求2所述的扩散光学层析成像系统，其特征在于，所述光源模块(100)还包括安装座，所述安装座用于对所述第一光信号进行正弦幅度调制。
4.根据权利要求1所述的扩散光学层析成像系统，其特征在于，所述激发端光开关(201)为1×16光开关，所述激发端光开关(201)的数量为1个。
5.根据权利要求1所述的扩散光学层析成像系统，其特征在于，所述接收端光开关(203)为1×4光开关，所述接收端光开关(203)的数量为4个。
6.根据权利要求1所述的扩散光学层析成像系统，其特征在于，所述光纤(202)的数量为16根。
7.根据权利要求1所述的扩散光学层析成像系统，其特征在于，所述接收模块(300)包括PMT(301)和放大器(302)；其中，
所述PMT(301)的输入端连接所述传输模块(200)，所述PMT(301)的输出端连接所述数据处理模块(400)，用于将所述第二光信号转化为所述电信号；
所述放大器(302)的输入端连接所述PMT(301)的输出端，所述放大器(302)输出端连接所述数据处理模块(400)，用于将所述电信号放大。
8.根据权利要求7所述的扩散光学层析成像系统，其特征在于，所述数据处理模块(400)包括采集单元(401)、控制单元(402)和处理单元(403)；其中，
所述采集单元(401)包括数据采集卡(4011)，所述数据采集卡(4011)连接所述放大器(302)，所述采集单元(401)用于将所述电信号转化为数字信号；
所述控制单元(402)包括增益控制卡(4021)，所述增益控制卡(4021)连接所述PMT(301)的输出端，用于控制所述PMT(301)的增益；
所述处理单元(403)分别连接所述数据采集卡(4011)和所述增益控制卡(4021)，所述处理单元(403)用于对所述数字信号进行处理。
9.根据权利要求8所述的扩散光学层析成像系统，其特征在于，所述增益控制卡(4021)采用的增益控制方法为阈值法或列表法。
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