CN1100987C

CN1100987C - 光纤多通道生物体功能成像检测系统装置

Info

Publication number: CN1100987C
Application number: CN99120137A
Authority: CN
Inventors: 骆清铭; 曾绍群; 余江胜
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 1999-12-21
Filing date: 1999-12-21
Publication date: 2003-02-05
Anticipated expiration: 2019-12-21
Also published as: CN1263261A

Abstract

本发明为一种用于生物医学科研与临床检测光纤多通道生物体功能成像检测系统及装置。其构成为：光源、光源光纤组、光源调制与传输分配系统、探测头、信号检测系统、锁定放大系统、计算机信号分析与处理系统依次相连接，对信号检测系统与频率检测装置的信号进行锁相放大后，处理得到组织特定成分变化的图象。本发明具有抗干扰性强，成像分辨率可调，成像空间范围可调，系统易扩展，成本较低等特点。

Description

光纤多通道生物体功能成像检测系统及装置

技术领域：

本发明属于生物医学光学类科研与临床检测仪器。

背景技术：

长期以来有一种需要，即如何检测组织中特定成分(如血氧含量和血容)的变化，达到对组织进行功能成像的目的。

国内外已有用于生物组织检测的组织功能光学成像技术，光源使用多个激光器，探测部分使用多个高灵敏度光电探测器，但该技术不成熟而且成本极高，仪器易出故障，不易调节，而且难以排除外界背景光的干扰，成像的分辨率难以调节，系统不易扩展。

在临床实践中，估计血氧含量的方法有多种方法，最常采用的是取动脉血，在数分钟内测量动脉氧分压(PO₂)，并计算动脉血氧饱和度(SaO₂)。由于这种方法需要动脉穿刺或者插管，对病人有痛苫，并且不能连续监测。

1988年12月4日，日本特许厅公开了一项专利“光CT装置及び画像再构成方法”，公开号：JP10-318911。在该专利中利用光学方法检测投射光通过组织后的强度，通过一系列成像算法，计算出组织各个小部分的吸收系数，以恢复被检测组织的吸收系数静态空间分布图像。但是该装置不能作动态功能成像。

发明内容：

本发明的目的是针对现有技术中存在的问题和不足，提供的一种能检测组织中特定成分(如血氧含量和血容)变化的光纤多通道生物体动态功能成像检测系统及装置。

本发明所说的光纤多通道生物体功能成像检测系统及装置，主要组成部分是由光源1，光源光纤组2，光源调制与传输分配系统3，探测头4，信号检测系统5，锁定放大系统6和计算机信号分析与处理系统7等组成。

其整体构成为：光源1与光源光纤组2前端相连，光源光纤组2与光源调制与传输分配系统3相连接，光源调制与传输分配系统3的光信号输出端与探测头4相连接；信号检测系统5的光信号输入端与探测头4相连接，输出端与锁定放大系统6相连接；锁定放大系统6的输出端与计算机信号分析与处理系统7的输入端相连接。

具体构成为：光源1与光源光纤组2前端相连，光源光纤组2由一根或一根以上的光纤组成，光源光纤组2后端设置在第一支架8上的圆孔9上；第一支架8、调制盘10和第二支架11依次安装，并保证第一支架8上的圆孔9分别与第二支架11上的孔12同轴；调制盘10由转动装置13驱动。在所说的调制盘10上分布有圆孔组14，所说的调制盘10上的圆孔组14的数目根据锁相的需要可选取不同的数目；在所说的调制盘10旁设置有频率检测装置15。(本自然段中的编号“9”、“12”、“14”是指分别以编号圆孔9、孔12、圆孔组14为基础的系列，例如圆孔9、9’、9”、……、9^(n-1)’，其中n为自然数)。

多进一出光纤16的前端固定在第二支架11的孔12上，在多进一出光纤16的各个前端均安装有滤光片17。多进一出光纤16的中部经支架21后，其末端固定在转动盘18的圆孔22上。转动盘18由第二转动装置20驱动；转动盘18和第三支架19同轴安装，第三支架19上设置有圆孔组24，光纤组23前端固定在第三支架19的圆孔组24上。(本自然段中的编号“12”、“17”是指分别以编号孔12、滤光片17为基础的系列，例如滤光片17、17’、17”、……、17^(n-1)’，其中n为自然数)。

光纤组23的后端固定在探测头4上，探测头4上分布有圆孔组25、25’，其中圆孔组25、25’的一部分孔25固定光纤组23；探测头4上圆孔组25、25’的另一部分孔25’用作与第二光纤组26的前端固定。光纤组23的后端与第二光纤组26的前端在探测头4上间隔分布。通过改变探测头4上光纤组23后端与第二光纤组26前端在探测头4上的间隔分布疏密，则能调节成像的分辨率。通过增加光纤组23和/或第二光纤组26的光纤数目，则可以增大成像的空间范围。从光纤组23传来的光在探测头4中照射被检测组织27，第二光纤组26前端在探测头4中检测经组织特定成分吸收后的光变化信号。

第二光纤组26的后端固定在第四支架28上的圆孔组29上，第四支架28与第三转动盘30同轴安装，在第三转动盘30上有圆孔31，光纤32前端固定在第三转动盘30的圆孔31上，光纤32后端与信号检测系统5相连，信号检测系统5将信号送到锁定放大系统6，与频率检测装置15送来的参考信号合成进行锁相放大，然后将信号输入计算机信号分析与处理系统7处理得到组织特定成分变化的图像。

计算机软件处理部分由控制部分，数据采集部分和数据处理部分组成。控制部分控制转动装置和锁定放大系统，数据采集部分采集经过锁相后的模拟信号，经数据处理部分数据分析和数据成像，最终得到图像。

本发明是依据生物体中组织中的不同成分，对不同波长的光的选择吸收性能不同，对特定波长的光敏感，吸收较多。特定成分含量变化时会引起对特定波长光的吸收程度变化的原理。故在保持光源稳定时，检测经过组织吸收后的光的变化，即可得到组织中特定成分含量的变化，经计算机处理后得到该特定成分随时间和空间的变化图像，因此，可以为监测和治疗研究提供依据。

本发明所说的光纤多通道生物体功能成像检测系统及装置，通过锁定放大技术可以排除外界背景光的干扰，通过调整光纤之间的间距，成像的分辨率可调，系统容易扩展，增加光纤的数目，成像的空间范围可增大，计算机进行数据信号处理，实时成像。

本发明所说的系统光源采用普通光谱光源，利用滤波片获得被测组织特定成分血氧含量和血容所需的特定波长，(如，690nm和940nm)。与采用激光为光源的系统相比，更容易满足测量所需要的光功率要求，成本降低，对探测器的要求也降低，灵活性较大。另外，把光源发出的光分配到多路入射光纤，和把检测到的多路光信号复用到一个探测器，一般采用价格昂贵的光开关，本系统可采用机械精密转盘结构，减少了系统体积和成本。

附图说明：

图1：光纤多通道生物体功能成像检测系统功能模块示意图；

图2：光纤多通道生物体功能成像检测系统及装置结构示意图；

图3：第一支架8的示意图；

图4：调制盘10的示意图；

图5：第二支架11的示意图；

图6：转动盘18的示意图；

图7：第三支架19的示意图；

图8：探测头4光纤安置孔的局部示意图；

图9：第四支架28的示意图；

图10：第三转动盘30的示意图；

图11：只有一个圆孔组到调制盘10的不意图；

图12：有n个圆孔组构成的调制盘10的示意图；

图13：有n个光纤孔构成的第一支架8或第二支架11的示意图。

具体实施方式：

以下结合使用两根光源光纤组的实施例和附图对本发明的结构和工作原理作进一步的描述：

如图2所示，光源1经由光源光纤组2传输，转动装置13带动调制盘10转动，将光纤组2传来的光斩断成不同频率的非连续光，经滤光片组17、17’再滤成一定波长的光；多进一出光纤16出光端在转动装置13带动下，对光纤组23轮流扫描，使被检测组织空间各点依次得到照射，探测头4在检测头部时制成头盔状，检测时固定在头上。第二光纤组26传输检测到的信号，转动装置33带动光纤32轮流将第二光纤组26每根光纤检测到的光信号送至信号检测系统5；频率探测器15可用两组光发射接收对管将探测到的频率信号送到锁相放大器作参考信号，与信号检测系统5输出的信号进行锁相放大，锁相放大后的信号数据经计算机处理得到组织的功能成像。

具体结构和工作原理如下：

光源1(可采用普通宽带光源)与光源光纤组2前端相连，光源光纤组2由两根光纤组成。光源光纤组2后端通过第一支架8上的圆孔9、9’固定在第一支架8上，在第一支架8半径为R₁，R₂的圆周上分布有圆孔9和9’，圆孔半径均为R₃。第一支架8、调制盘10和第二支架11同轴安装，保证第一支架8上的圆孔9、9’分别与第二支架11上的孔12、12’同轴。调制盘10由转动装置13驱动。所说的调制盘10在半径为R₁，R₂的圆周上分布有圆孔组14、14’，其圆孔组14、14’的半径均为R₃。在第二支架11半径为R₁和R₂的圆周上也分布有两个孔12、12’，其孔12、12’的半径亦均为R₃。

在所说的调制盘10上的圆孔组14、14’各组孔的数目根据锁相的需要可选取不同的数目。所说的圆孔半径均为R₃是为与光纤半径相配合和加工方便，也可使用不同孔径与不同半径的光纤。

转动装置13驱动调制盘10转动时，经光纤组2传送的光经过圆孔9、9’被调制盘10斩断为一定频率的不连续光，改变调制盘10转动速度或改变调制盘10上各组孔14、14’的数目能改变光的斩断频率。在所说的调制盘10旁设置有频率检测装置15，频率检测装置15将检测到的斩断频率送到锁相放大系统6作为参考信号。多进一出光纤16的前端固定在第二支架盘11的孔12、12’上，并在多进一出光纤16的前端各安装有一块不同的滤光片17、17’，使只有特定波长的光才能通过滤光片17、17’。

转动盘18和第三支架19同轴安装，转动盘18由第二转动装置20驱动。多进一出光纤16的中部经支架21后，其末端固定在转动盘18的圆孔22上。转动盘18转动时将光分配到光纤组23上，起到对不同部位轮流扫描的效果。转动盘18在半径为R₂的圆周上有半径为R₃的圆孔22，第三支架19半径为R₂的圆周上有半径为R₄的圆孔组24，光纤组23前端固定在第三支架19的圆孔组24上。

光纤组23的后端固定在探测头4上，探测头4上分布有半径为R₄的圆孔组25、25’，第二光纤组26的前端固定在探测头4上，光纤组23的后端与第二光纤组26的前端在探测头4上间隔分布(如图8所示，图8中的圆孔代表光纤组23的后端所要固定的孔25；带阴影的孔表示第二光纤组26的前端所要固定的孔25’)。通过改变探测头4上光纤组23后端与第二光纤组26前端在探测头4上的间隔分布疏密，则能调节成像的分辨率。通过增加光纤组23和/或第二光纤组26的光纤数目，则可以增大成像的空间范围。从光纤组23传来的光在探测头4中照射被检测组织27，第二光纤组26前端在探测头4中检测经组织特定成分吸收后的光信号。

第二光纤组26的后端固定在第四支架28上的圆孔组29上，在第四支架28半径为R₂的圆周上分布有半径为R₄的圆孔组29。第四支架28与第三转动盘30同轴安装，在第三转动盘30半径为R₂的圆周上分布有半径为R₃的圆孔31，光纤32前端固定在第三转动盘30的圆孔31上，光纤32后端与信号检测系统5相连，第三转动装置33驱动第三转动盘30转动时，对第二光纤组26的光纤轮流扫描，将检测到的信号送到信号检测系统5，信号检测系统5将信号送到锁定放大系统6，并与频率检测装置15送来的参考信号合成进行锁相放大，然后将信号输入计算机信号分析与处理系统7处理得到组织特定成分变化的图像。

计算机软件处理部分由控制部分，数据采集部分和数据处理部分组成。控制部分控制转动装置和锁相器(锁定放大系统)，数据采集部分采集经过锁相后的模拟信号，经数据处理部分数据分析和数据成像，最终得到图像。

通过锁定放大技术可以排除外界背景光的干扰，通过调整光纤之间的间距，成像的分辨率可调，系统容易扩展，增加光纤的数目，成像的空间范围可增大，计算机进行数据信号处理，实时成像。

本发明所说的光源光纤组2可以由一根或者一根以上的光纤组成，当由一根光纤构成时，在所说的第一支架盘8上可只设置一个圆孔9。当由n根光纤组成时，在所说的第一支架盘8上可设置n个圆孔9、9’、9”、……、9^(n-1)’光纤多通道生物体功能成像检测系统及装置；在所说的调制盘10上可设置n组圆孔组14、14’、14”、……、14^(n-1)’；在所说的第二支架盘11上可设置n个孔12、12’、12”、……、12^(n-1)’；在所说的多进一出光纤16的各个前端设置滤光片17、17’、17”、……、17^(n-1)’，(其中n为自然数)。

所说的多进一出光纤16可随第一支架8，调制盘10，第二二支架11上所分布的不同半径的圆孔组的增多或减少换用多路光纤。

所说的转动装置可使用电机或其它转动机构。

Claims

1、一种光纤多通道生物体功能成像检测系统装置，其特征在于，光源(1)与光源光纤组(2)前端相连，光源光纤组(2)后端设置在第一支架(8)上的圆孔(9)上；第一支架(8)、调制盘(10)和第二支架(11)依次安装，并保证第一支架(8)上的圆孔(9)分别与第二支架(11)上的孔(12)同轴；所说的调制盘(10)由转动装置(13)驱动；在所说的调制盘(10)上分布有圆孔组(14)；

多进一出光纤(16)的前端固定在第二支架(11)的孔(12)上，在多进一出光纤(16)的前端安装有滤光片(17)；多进一出光纤(16)的中部经支架(21)后，其末端固定在转动盘(18)的圆孔(22)上，转动盘(18)由第二转动装置(20)驱动，转动盘(18)和第三支架(19)同轴安装，第三支架(19)上设置有圆孔组(24)，光纤组(23)前端固定在第三支架(19)的圆孔组(24)上；

光纤组(23)的后端固定在探测头(4)上，探测头(4)上分布有圆孔组(25)、(25’)，其中圆孔组(25)、(25’)的一部分孔(25)固定光纤组(23)，探测头(4)上圆孔组(25)、(25’)的另一部分孔(25’)固定第二光纤组(26)的前端；光纤组(23)的后端与第二光纤组(26)的前端在探测头(4)上间隔分布；

第二光纤组(26)的后端固定在第四支架(28)上的圆孔组(29)上，第四支架(28)与第三转动盘(30)同轴安装，在第三转动盘上分布有圆孔(31)，光纤(32)前端固定在第三转动盘(30)的圆孔(31)上，光纤(32)后端与信号检测系统(5)相连，信号检测系统(5)与锁定放大系统(6)相连接；频率检测装置(15)的输出端亦与锁定放大系统(6)相连接，锁定放大系统(6)的输出端与计算机信号分析与处理系统(7)相连接。

2、按照权利要求1所说的光纤多通道生物体功能成像检测系统装置，其特征在于，所说的光源光纤组(2)可以由一根或者一根以上的光纤组成，当由一根光纤构成时，在所说的第一支架盘(8)上可只设置一个圆孔(9)。

3、按照权利要求1所说的光纤多通道生物体功能成像检测系统装置，其特征在于，所说的光源光纤组(2)可以由一根或者一根以上的光纤组成，当由n根光纤组成时，在所说的第一支架盘(8)上可设置n个圆孔(9)、(9’)、(9”)、……、(9^(n-1)’)；在所说的调制盘(10)上可设置n组圆孔组(14)、(14’)、(14”)、……、(14^(n-1)’)；在所说的第二支架盘(11)上可设置n个孔(12)、(12’)、(12”)、……、(12^(n-1)’)；在所说的多进一出光纤(16)的各个前端设置滤光片(17)、(17’)、(17”)、……、(17^(n-1)’)，其中n为自然数。