CN110123281A - 基于锁相光子计数技术的并行激励扩散光学层析成像装置 - Google Patents

Abstract

一种基于锁相光子计数技术的并行激励扩散光学层析成像装置和方法。其中该装置包括可调制光源单元，用于发出恒功率调幅激光；源‑探布配阵列单元，用于将可调制光源单元发射的调幅激光传导至待测组织表面并将待测组织体表面溢出的光信号传导至探测单元；探测单元，用于接收待测组织表面的反射光，并将光信号等比例转化成电脉冲信号；控制与数据处理单元，用于对接收的电脉冲信号计数解调，光学参数的空间分布图像重建，以及产生光源调制信号和源‑探布配阵列单元测量通道的选通；其中，可调制光源单元和探测单元均采用源探光纤二合一的同轴光纤结构，依靠控制与数据处理单元指令及开关的选择实现源‑探布配阵列单元中源探光纤的分时复用。

Description

基于锁相光子计数技术的并行激励扩散光学层析成像装置

技术领域

本发明涉及生物医学设备领域，尤其涉及一种基于锁相光子计数技术的并行激励扩散光学层析成像装置及其成像方法。

背景技术

扩散光层析成像技术利用扩散光在组织体内较高的穿透深度，实现对生物组织内部光学参数空间分布的重建和重要生化参数的无创检测。相比于其他成像方式，扩散光层析成像具有无电离辐射、无创及提供生理学信息等优势，其主要应用集中在脑功能成像、新生儿大脑血氧状态监测和乳腺肿瘤筛查等方面。

根据光源的不同，扩散光层析成像技术可以分为三种测量模式，包括时域模式、频域模式和连续波模式，其中时域模式和频域模式能够区分生物组织内部吸收和散射的影响，具有高灵敏度和信噪比的优点，但其成本高，测量速度慢，连续波模式能够获取的信息较少，灵敏度和信噪比也不及时域模式和频域模式，但其具有高时间分辨率、系统简单、可移植性强的优点。

扩散光学层析成像技术目前仍存在一些问题，首先，由于近红外波段散射限制的存在，生物组织体中的吸收作用远小于散射作用，对于大尺寸的生物组织，检测信号的强度将会随着探测距离的变化而产生数量级的改变，导致扩散光层析成像空间分辨率较差，此外，扩散光学层析成像技术可以从正常的背景里分辨出病变区域，是因为正常组织与病变组织存在血红蛋白浓度的差异，但在两者相差不大的情况下，重建图像质量不高，即灵敏度较低，同时，三维扩散光层析成像重建需要的数据量较大，测量时间随之增长，在进行人体成像时，人的呼吸、运动等都会对成像结果产生干扰，因此在保证测量数据准确性的同时需要尽量短的测量时间。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提出了一种基于锁相光子计数技术的并行激励扩散光学层析成像装置和方法，以至少部分解决现有方法中存在的测量速度慢，成像空间分辨率差，灵敏度低和信噪比低的问题。

(二)技术方案

根据本发明的一方面，提供一种基于锁相光子计数技术的并行激励扩散光学层析成像装置包括：可调制光源单元，用于发出恒功率调幅激光；源-探布配阵列单元，用于将可调制光源单元发射的所述调幅激光传导至待测组织表面并将待测组织体表面溢出的光信号传导至探测单元；探测单元，用于接收待测组织表面的反射光，并将光信号等比例转化成电脉冲信号；控制与数据处理单元，用于对接收的电脉冲信号计数解调，光学参数的空间分布图像重建，以及产生光源调制信号和源-探布配阵列单元测量通道的选通；其中，所述的可调制光源单元和探测单元均采用源探光纤二合一的同轴光纤结构，依靠控制与数据处理单元指令及开关的选择实现源-探布配阵列单元中源探光纤的分时复用。

在进一步的方案中，所述的可调制光源单元包括激光器，用于发射激光，该激光器为多个，分别能产生具有不同波长的激光，产生不同波长激光的激光器使用合束器通过FC接头与源-探布配阵列单元中源光纤耦合；可调制恒功率光源驱动电路，与所述激光器相连，用于对激光器发射的激光进行调制以恒功率输出。

在进一步的方案中，源-探布配阵列单元包括源光纤，与所述激光器相连，激光经源光纤到达待测组织表面；探测光纤，与所述探测器光开关相连，从组织体表面溢出的光信号由探测光纤送至光电探测器；光纤架，用于将源光纤和探测光纤固定于待测组织体表面，其中所述光纤架为4层，每层均匀分布8个光纤位置，即4层8列，共32个位置。

在进一步的方案中，控制与数据处理单元包括控制器，由FPGA(Fieldprogrammable gate array，现场可编程门阵列)实现，可配置一方波调制信号发生模块，与所述可调制光源单元相连，用于调制信号的产生；锁相光子计数模块，与所述的探测单元相连，用于电脉冲的计数和锁相解调；串口，用于与计算机通信及控制探测器光开关的选通；计算机，与所述控制器相连，用于测量过程的控制和光学参数的空间分布图像重建。

本发明还提供一种应用上述成像装置的成像方法，包括：

首先，通过控制与数据处理单元的计算机设定探测通道、计数门宽等参数；

控制器中的方波调制信号发生模块产生一系列方波信号对激光器进行调制，激光器发出调幅激光，所述激光经源光纤传导至待测生物组织体；

传导至生物组织体的激光经生物组织体后溢出扩散光，再经由探测光纤将光子流输入到光电探测器；

光电探测器将输入光子流转换成电脉冲流；

锁相光子计数模块对电脉冲流进行计数，同时将不同调制频率的信号进行解调分离；

控制器通过串口将解调后的数据发送至计算机进行三维光学参数图像重建。

在进一步的方案中，探测光纤列由控制器控制探测器光开关选定。

在进一步的方案中，光源列是去除探测光纤列及其左右临近各一列，剩余的5列光纤全部设定为光源列，并行激励测量。

在进一步的方案中，在一个探测列完成探测后，选定下一列为探测光纤列，按同一规则选定光源列，直到所有光源列全部完成测量。

在进一步的方案中，计算机进行三维光学参数图像重建时，对于每一层光源，仅采用邻近两层的探测数据进行重建。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明的基于锁相光子计数技术的并行激励扩散光学层析成像装置至少具有以下有益效果：

源-探布配阵列单元中源探光纤的分时复用会产生多波长多光源同时测量的效果，采用这种连续光测量模式，成本低，测量时间短。

引入锁相检测技术，提高了信噪比，达到多光源并行激励测量，进一步缩短系统测量时间，提高了动态性能，可进行动态测量。

通过设置锁相光子计数模块，经采用光子计数技术，使装置具有超高的灵敏度。

由于激光器为多个，分别能产生具有不同波长的激光，能够形成多个波长的光源，可以进行组织功能成像。

附图说明

图1是本发明实施例基于锁相光子计数技术的并行激励扩散光学层析成像装置系统框图。

图2是图1中可调制恒功率光源驱动电路图。

图3是图1中波分复用器结构图。

图4是图1中源探二合一同轴光纤示意结构图。

图5是图1中探测通道选择示意图。

图6是图1中锁相光子计数模块工作流程示意图。

【附图中本发明实施例主要元件符号说明】

1-激光器；2-可调制恒功率光源驱动电路；3-锁相光子计数模块；

4-串口；5-控制器；6-方波调制信号发生模块；

7-10光电探测器；11-探测器光开关；12-光纤接头；13-探测光纤；

14-源光纤；15-光纤架；16-计算机；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供了一种基于锁相光子计数技术的并行激励扩散光学层析成像装置，包括：可调制光源单元，用于发出恒功率调幅激光；源-探布配阵列单元，用于将可调制光源单元发射的所述调幅激光传导至待测组织表面并将待测组织体表面溢出的光信号传导至探测单元；探测单元，用于接收待测组织表面的反射光，并将光信号等比例转化成电脉冲信号；控制与数据处理单元，用于对接收的电脉冲信号计数解调，光学参数的空间分布图像重建，以及产生光源调制信号和源-探布配阵列单元测量通道的选通；其中，所述的可调制光源单元和探测单元均采用源探光纤二合一的同轴光纤结构，依靠控制与数据处理单元指令及开关的选择实现源-探布配阵列单元中源探光纤的分时复用。该装置用于对生物组织体内的光学参数进行三维重建，以下将结合具体实施例对该发明进行具体阐述。

在本发明实施例中，提供一种基于锁相光子计数技术的并行激励扩散光学层析成像装置，其系统框图如图1所示，包括：

可调制光源单元，包括：

激光器1，采用带尾纤的发光二极管，波长分别为685nm，785nm，830nm，每个波长包括32个发光二极管；

可调制恒功率光源驱动电路2，如图2所示，在本发明的示例实施例中，参数选取如下：

685nm光源：C1＝1000pF，C2＝1μF，R1＝1.5Ω，R2＝2.74kΩ，R3＝432Ω，滑动变阻器VR1的最大阻值为10kΩ；

785nm光源：C1＝1000pF，C2＝1μF，R1＝2.2Ω，R2＝3.92kΩ，R3＝619Ω，滑动变阻器VR1的最大阻值为2.5kΩ；

830nm光源：C1＝1000pF，C2＝1μF，R1＝2.4Ω，R2＝4.7kΩ，R3＝536Ω，滑动变阻器VR1的最大阻值为2.5kΩ；

每一个可调制恒功率光源驱动电路2与一个激光器1相连，用于对激光器进行调制，并保证光源输出光功率不随温度和电源电压的改变而发生变化；

探测单元，包括：

光电探测器7-10，采用包含幅度甄别-比较电路的PMT(Photomultiplier tube，光电倍增管)共4个，用于将接收到的光信号等比例转化成电脉冲信号以TTL电平信号输出，该PMT具有50ns的光脉冲分辨率以及2.5×10∧6的线性光子计数范围；

探测器光开关11，采用4-1×8多模光开关，与所述光电探测器7-10相连，用于实现4个PMT在32个探测位置的时分复用；

源-探布配阵列单元，包括：

源光纤14，采用多模光纤共32根，芯径为62.5μm，数值孔径为0.22，与所述激光器1相连，激光经源光纤到达待测组织表面；

探测光纤13，采用多模光纤共32根，芯径为1000μm，数值孔径为0.37，与所述光开关10相连，从组织体表面溢出的光信号由探测光纤送至关开关10；

光纤架15，在本发明的示例实施例中采用圆柱型，包含4层光纤，层间距为16mm，每层共包含8根光纤，均匀分布于圆周上，共32个位置；用于将源光纤14和探测光纤13固定于待测组织体表面；

控制与数据处理单元；包括：

控制器5，可由FPGA实现，包括：方波调制信号发生模块6，与所述可调制恒功率光源驱动电路2相连，用于调制信号的产生；锁相光子计数模块3，与所述光电探测器7-10相连，用于电脉冲的计数和锁相解调；串口4，用于与计算机16通信及控制探测器光开关11的选通；

计算机16，与所述控制器5相连，用于测量过程的控制和光学参数的空间分布图像重建。

在本发明的示例实施例中，三个波长的激光器1使用如图3所示的合束器通过FC接头与源光纤14耦合，对于每根源光纤14和探测光纤13通过图4所示的同轴光纤结构合并为一个光纤接头12，依靠控制器5对光源的控制和探测光开关11对探测通道的控制，每一个光纤接头12分别实现源光纤14和探测光纤13的功能。

在本发明实施例中，还提供一种基于锁相光子计数技术的并行激励扩散光学层析成像装置的成像方法，所述成像方法包括：

步骤A：计算机16设定探测通道、计数门宽等参数；

步骤B：方波调制信号发生模块6产生一系列方波信号对激光器1进行调制，激光器1发出调幅激光，所述激光经源光纤14传导至待测生物组织体；

步骤C：步骤B中所述传导至生物组织体的激光经生物组织体后溢出扩散光，再经由探测光纤13将光子流输入到光电探测器7-10；

步骤D：光电探测器7-10将步骤C所述的输入光子流转换成电脉冲流；

步骤E：锁相光子计数模块3对光电探测器7-10输出的电脉冲进行计数，同时将不同调制频率的信号进行解调分离

步骤F：控制器5通过串口4将解调后的数据发送至计算机16进行三维光学参数图像重建。

所述步骤A中，设定计数门宽为1秒，选择探测通道如图5所示，光纤架共8列，设定1列D1为探测位置后，除去该列与邻近2列，其余5列S1-S5为光源列，5列共20个光源同时调制，D1一列共4个探测位置同时接受数据，当该通道探测完成后，选定下一列为探测列，对应5列为光源列继续测量，直至8个通道全部完成测量，整个过程耗时8秒。

所述步骤B中，产生的方波调制信号频率为6kHz-11.04kHz，频率间隔为252Hz，共20个调制频率，同时对20个光源进行调制。

所述步骤E中，锁相光子计数模块3包含4个PMT锁相光子检测通道，每个检测通道与光电探测器7-10中的一个PMT相连，每个通道包含20个相敏检测通道，与20个调制信号相对应，以调制信号为参考信号，用于不同调制频率光子信号的分离，每个相敏检测通道的工作流程如图6所示：每检测到一个PMT电脉冲的上升沿，对计数门宽信号进行判断，若计数门宽信号为低，该相敏通道结束，若计数门宽为高继续对参考信号进行判断，当参考信号为高时累加器+1，参考信号为低时累加器+1，在计数门宽内累加的最终结果为该参考频率下的光强。基于上述流程，锁相光子计数模块实现20个光源的光子信号分离，将装置的整体测量速度提高20倍。

所述步骤F中，计算机16进行三维光学参数图像重建时，对于每一层光源，仅采用邻近两层的探测数据进行重建。即对于第1层光源采用1、2两层探测数据，对于第2层采用2、3两层，对于第3层采用2、3两层，对于第四层采用3、4两层。

通过以上实施例，其针对扩散光层析成像技术中存在的问题及三种测量模式的缺点，搭建了一套基于锁相光子计数的多波长连续波扩散光层析成像装置，装置采用连续光测量模式，成本低，测量时间短，同时，采用光子计数的测量方式使其具有超高的灵敏度，在此基础上又引入锁相检测技术，不仅进一步提高了信噪比，而且实现了光源的频分复用，达到了多波长多光源同时测量的目的，进一步缩短了测量时间，提高了动态性能。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于锁相光子计数技术的并行激励扩散光学层析成像装置，包括：

可调制光源单元，用于发出恒功率调幅激光；

源-探布配阵列单元，用于将可调制光源单元发射的所述调幅激光传导至待测组织表面并将待测组织体表面溢出的光信号传导至探测单元；

探测单元，用于接收待测组织表面的反射光，并将光信号等比例转化成电脉冲信号；

控制与数据处理单元，用于对接收的电脉冲信号计数解调，光学参数的空间分布图像重建，以及产生光源调制信号和源-探布配阵列单元测量通道的选通；

其中，所述的可调制光源单元和探测单元均采用源探光纤二合一的同轴光纤结构，依靠控制与数据处理单元指令及开关的选择实现源-探布配阵列单元中源探光纤的分时复用。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的可调制光源单元包括：

激光器，用于发射激光，其中所述激光器为多个，分别能产生具有不同波长的激光，该激光器使用合束器通过FC接头与源-探布配阵列中光纤耦合；

可调制恒功率光源驱动电路，与所述激光器相连，用于对激光器发射的激光进行调制以恒功率输出。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的探测单元包括：

光电探测器，用于将接收到的光信号等比例转化成电脉冲信号；

探测器光开关，与所述光电探测器相连，用于实现光电探测器的时分复用。

4.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，所述的源-探布配阵列单元包括：

源光纤，与所述激光器相连，激光经源光纤到达待测组织表面；

探测光纤，与所述探测器光开关相连，从组织体表面溢出的光信号由探测光纤送至光电探测器；

光纤架，用于将源光纤和探测光纤固定于待测组织体表面，其中所述光纤架为4层，每层均匀分布8个光纤位置，即4层8列，共32个位置。。

5.根据权利要求1或3所述的装置，其特征在于，所述的控制与数据处理单元包括：

控制器，由FPGA实现，包括方波调制信号发生模块，锁相光子计数模块和串口，其中方波调制信号发生模块与所述可调制光源单元相连，用于调制信号的产生，锁相光子计数模块，与所述探测单元相连，用于电脉冲的计数和锁相解调，串口，用于与计算机通信及控制探测器光开关的选通；

计算机，与所述控制器相连，用于测量过程的控制和光学参数的空间分布图像重建。

6.一种应用权利要求1-5任一所述装置的成像方法，其特征在于包括：

通过控制与数据处理单元的计算机设定探测通道和计数门宽参数，其中所述的探测通道为所述光纤架上一探测光纤列和多数个光源列；

控制器中方波调制信号发生模块产生数个方波信号对激光器进行调制，激光器发出调幅激光，所述激光经源光纤传导至待测生物组织体；

传导至生物组织体的激光经生物组织体后溢出扩散光，再经由探测光纤将光子流输入到光电探测器；

光电探测器将输入光子流转换成电脉冲流；

锁相光子计数模块对电脉冲流进行计数，同时将不同调制频率的信号进行解调分离；

控制器通过串口将解调后的数据发送至计算机进行三维光学参数图像重建。

7.根据权利要求6所述的方法，所述的探测光纤列由控制器控制探测器光开关选定。

8.根据权利要求6所述的方法，所述的光源列是去除探测光纤列及其左右临近各一列，剩余的5列光纤全部设定为光源列，并行激励测量。

9.根据权利要求7或8所述的方法，在一个探测列完成探测后，选定下一列为探测光纤列，按同一规则选定光源列，直到所有光源列全部完成测量。

10.根据权利要求6所述的方法，计算机进行三维光学参数图像重建时，对于每一层光源，仅采用邻近两层的探测数据进行重建。