CN1112163C

CN1112163C - 数字化近红外光医学成像及异物定位装置

Info

Publication number: CN1112163C
Application number: CN 99110835
Authority: CN
Inventors: 白净; 张永红; 陈南光; 刘登峰
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 1999-07-23
Filing date: 1999-07-23
Publication date: 2003-06-25
Anticipated expiration: 2019-07-23
Also published as: CN1241395A

Abstract

本发明属于图像处理在医学中应用的综合技术领域。涉及数字化近红外光医学成像及异物定位装置。包括：多路近红外激光发射电路、多路光接收及放大电路自动扫描装置、信号采集与处理成像系统；多路近红外激光发射电路包括，近红外激光器及其驱动电路，50MHz信号发生器；所说的多路光接收及放大电路包括，光电倍增管，前置放大器和解调放大器；自动扫描装置包括，透明玻璃板，发射导光束阵列和接收导光束阵列，步进电机。本发明性能稳定，可靠性好，分辨率高，达到国外类似成像系统的最高水平。所成图象采用伪彩方法进行处理后，具有直观，易懂，层次清晰等特点。

Description

数字化近红外光医学成像及异物定位装置

技术领域

本发明属于近红外激光，计算机，机械，电子以及图像处理在医学中应用的综合

技术领域。

背景技术

目前，已有的近红外光成像的方法主要为以下两种：

第一种为红外热像仪：以普郎克定律为理论依据，利用近红外波段摄像机，通过测量物体的红外辐射能量，并将其转换为电信号，从而确定物体的温度分布，并以灰度或伪彩的方式成像。在医学上，红外热像仪是通过检测人体表面上不同区域的温度差异，来间接判断内部生理组织的生理特性及其变化。一般认为，正常人体具有高度热对称性，红外热像仪就是通过检测人体热不对称来发现异常的。由于红外热像仪符合率低，图像不清晰，很难判断异物是否存在。

第二种为简单乳腺透视仪：采用连续可见光或近红外光照射乳房一侧，在乳房对侧放置近红外摄像机作为检测器接收透射光，并通过监视器来观察乳房变化。目前国内大多采用此仪器进行乳腺检查。由于采用连续光照射乳房这样具有强烈光学散射性质的组织，因此形成的图像对比度和分辨率很低，导致这类仪器误诊率高。1991年，美国食品和药物管理局将其列入III类仪器，并认为此仪器不适用于乳腺检查。

综上所述，上述的两类仪器均存在着一些缺陷，即：无法准确定位异物的位置、分辨率低、方法仅停留在定性(即“有”，“无”异物)上，无法定量确定异物的大小，更无法对组织及其中的异物进行成像。

目前新兴的乳腺断层照相术激光成像装置包括：近红外激光发射电路、与该发射电路相对应的多路光接收及放大电路、连接于该发射电路与接收及放大电路之间的自动扫描装置、由信号采集板、扫描控制板、微机以及存储在微机中的相应软件程序组成的信号采集与处理成像系统；该装置主要采用光谱时域分辨方法，采用飞秒级的激光脉冲照射乳房，用环行探头在与照射光同一水平面内接收经过组织后到达的弹道光子。这部分光子未经组织散射，基本上是直线到达。断层图像处理的方法与X光断层扫描类似，使用反投影重建的算法。该仪器可以对俯卧的病人悬垂下来的乳房进行断层扫描，发现体内异物。但是由于使用飞秒器件，仪器的价格昂贵，不适合做乳腺癌普查。

发明内容

本发明的目的在于，为克服已有技术的不足之处，提出一种数字化近红外光医学成像及异物定位装置，采用高频近红外激光作为检测光源，通过接收透过人体的散射光子，对人体软组织如乳腺等生理组织进行成像，可用于临床乳腺癌的检测，脑功能检测等。同时也可用于其他生理软组织的癌变或生理功能进行检测。由于光源被调制到很高的频率，如几十MHz到几GHz，透射光振幅主要来自短扩散路径光子的贡献，而长扩散路径光子的贡献受到抑制。与普通的透射成像装置相比，本发明的分辨率大为提高。另外，本发明利用最可几扩散路径，实现肿瘤的三维定位。

本发明设计了一种数字化近红外光医学成像及异物定位装置，包括：多路近红外激光发射电路、与该发射电路相对应的多路光接收及放大电路、连接于该发射电路与接收及放大电路之间的自动扫描装置、由信号采集板、扫描控制板、微机以及存储在微机中的相应软件程序组成的信号采集与处理成像系统；其特征在于，所说的多路近红外激光发射电路包括，近红外激光器及其驱动电路，产生高频正弦波输入到近红外激光驱动电路的50MHz信号发生器；所说的多路光接收及放大电路包括，将透过生理组织的光信号转换为电信号的光电倍增管，对该光电倍增管输出的电信号进行经过解调和放大的前置放大器和解调放大器；所说的自动扫描装置包括，夹持待测生理组织的两个透明玻璃板，用于引导多个光源的发射导光束阵列和接收导光束阵列，所说的发射导光束阵列和接收导光束阵列两两相对，分别固定在玻璃板两侧，驱动所说的两个玻璃板进行同步位移与在180°方向上转动的步进电机。

整个检测过程由微机控制，检查过程为：

1.启动微机系统，固定待测生理组织，并确定扫描起始位置和电机移动步长。

2.一维检测：激光管输出的光信号通过导光束照射到生理组织的一侧，对侧的导光束将接收的光信号送到光接收及放大电路。多个发射导光束与多个接收导光束两两相对。在微机控制下，顺序开启对应激光管和光接收器，进行一维检测，并通过数据采集板数字化后进入微机存储。

3.二维扫描：一维检测结束后，微机通过扫描控制板控制步进电机运动，实现发射导光束和接收导光束的同步移动。然后，再次进行一维检测。直到全部扫描被检测组织，从而完成二维检测。

4.检测数据以文件的形式保存在微机中，然后进行数据处理和图像显示。数据处理包括：滤波处理、去模糊处理、以及计算最可几路径。

本发明的成像系统分辨率为：对于0.25％浓度的Intralipid溶液(体积约为400毫升，其散射系数与人体软组织如乳腺组织相似)(74×69×143)毫米³中，高吸收系数的单个物体的分辨率为直径3毫米物体，高散射系数的散射体之间的最小可区分距离为8毫米，对一高吸收系数物体和一相对高散射系数物体可分辨距离为8-10毫米。相对高散射系数的物体的散射系数约为100毫米^-1(Intralipid的浓度约为1％)。两相对高散射系数的物体的可分辨距离为10-12毫米。对实际脂肪组织(厚度为30毫米)的异物分辨率为8毫米。(以上可分辨距离均指物体内边缘距离)

本发明的肿瘤定位精度为：对于乳腺组织，横向定位精度为0.5毫米，纵向定位精度为1毫米。

本系统性能稳定，可靠性好，分辨率高，达到国外类似成像系统的最高水平。所成图象采用伪彩方法进行处理后，具有直观，易懂，层次清晰等特点。

附图说明

图1为本发明的数字化近红外光医学成像系统的总体结构框图。

图2为本发明的单通道近红外激光发射和接收原理图。

图3为本发明的成像系统的自动扫描装置示意图。

图4为本发明的成像系统的软件控制处理流程。

图5为本实施例成像系统的50MHz信号发生电路。

图6为本实施例成像系统的光接收电路。

图7为本实施例成像系统放大电路中的带通滤波器。

图8为本实施例成像系统放大电路中的低通滤波器。

具体实施方式

本发明设计出一种数字化近红外光医学成像及异物定位装置实施例结合各附图详细说明如下：

图1为本发明所述数字化近红外光医学成像系统的总体结构框图，包括多路近红外激光发射电路、自动扫描装置、多路光接收及放大电路、信号采集板、扫描控制板、及微机系统。微机为系统控制中心，采用奔腾CPU，32M内存。通过扫描控制板的机械开关一方面控制多路激光发射电路和光接收放大电路的切换，同时也控制步进电机运动，从而完成二维扫描。光接收器采用光电倍增管和普通PIN光电二极管两种方式实现光信号向电信号的转换。光电倍增管转换效果好，而普通PIN光电二极管体积小，容易实现。光接收放大电路输出信号，通过插在微机主板上的PS-216信号采集板，进入微机存储，并待扫描结束后，进行数据处理成像。

图2为本发明所述成像系统中的单通道近红外激光发射及接收原理图。图中上虚线框为近红外激光发射电路，下虚线框为光接收电路，中间为待测生理组织。

近红外激光发射电路用于产生高频调制激光。50MHz信号发生器产生的高频正弦波，输出到近红外激光驱动电路，用于调制激光管的输出光信号，输出50MHz高频激光。斩光器用于实现近红外高频激光的外调制，外调制频率为1600赫兹。激光发射功率为5毫瓦，中心频率为780纳米。

经过两次调制的近红外激光通过导光束照射到生理组织，对侧的导光束将通过生理组织的光送到光接收电路。与激光管相配合，接收器的光敏响应峰值频率为780纳米。透过生理组织的光信号通过导光束首先到达光电倍增管(PMT)，将光信号转换为电信号。PMT输出的电信号经过解调和放大，然后通过多路信号采集板数字化后进入计算机处理。

图3为本发明所述成像系统的自动扫描装置。待测生理组织固定在两个透明玻璃板中，用于引导多个光源的发射导光束阵列和接收导光束阵列，两两相对，分别固定在玻璃板两侧。整套装置可在180°方向上转动，以便在不同方向上对待测组织进行扫描。在某一时刻，控制仅有一路近红外激光和相对的光检测电路工作，通过多路切换电路，使多路激光发射和光接收电路逐对工作，实现一维检测。微机通过扫描控制板控制步进电机，实现发射导光束阵列和接收导光束阵列同步移动，再通过多路切换电路的一维检测，从而完成二维扫描。

图4为本发明所述成像系统的软件控制处理过程，包括步进电机控制模块、光源及接收器阵列切换控制模块、数据采集模块、数据处理和成像模块。数据处理包括滤波、最可几扩散路径计算、去模糊处理。

图5为本实施例成像系统的50MHz信号发生电路，系统使用高频振荡芯片MC1648作为核心部件来组成正弦波发生器，50MHz振荡频率由管脚10和管脚12之间的电容和电感决定，管脚3为50MHz正弦波输出。

图6为本实施例成像系统的光接收电路，使用普通PIN光电二极管和普通双极型晶体管。光电二极管光敏面直径约0.7毫米，工作带宽为0.5-60MHz，光敏电路最大响应频率为780纳米。PIN管的暗电流＜1纳安，响应度大于20毫伏/微瓦。

图7为本实施例成像系统放大电路中的带通滤波器，是用于光接收和放大电路中前置放大和调制放大的基本电路。带通滤波器使用VCVS有源滤波器，通过改变电路中R₂、R₃、R₄、R₅和R₈的电阻值，不仅可以改变VCVS的中心频率，而且可以调整放大倍数。

图8为本实施例成像系统放大电路中的低通滤波器，为二阶低通滤波放大电路，通过可变电阻可调整放大倍数，并使用反馈电容作为选频回路。

Claims

1.一种数字化近红外光医学成像及异物定位装置，包括：多路近红外激光发射电路、与该发射电路相对应的多路光接收及放大电路、连接于该发射电路与接收及放大电路之间的自动扫描装置、由信号采集板、扫描控制板、微机以及存储在微机中的相应软件程序组成的信号采集与处理成像系统；其特征在于，所说的多路近红外激光发射电路包括，近红外激光器及其驱动电路，产生高频正弦波输入到近红外激光驱动电路的50MHz信号发生器；所说的多路光接收及放大电路包括，将透过生理组织的光信号转换为电信号的光电倍增管，对该光电倍增管输出的电信号进行经过解调和放大的前置放大器和解调放大器；所说的自动扫描装置包括，夹持待测生理组织的两个透明玻璃板，用于引导多个光源的发射导光束阵列和接收导光束阵列，所说的发射导光束阵列和接收导光束阵列两两相对，分别固定在玻璃板两侧，驱动所说的两个玻璃板进行同步位移与在180°方向上转动的步进电机。