CN111466874A - 一种基于方波调制的扩散光学层析成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于方波调制的扩散光学层析成像系统，包括：方波产生单元，用于根据正弦波得到方波；光源驱动单元，连接所述光源驱动单元，用于将所述方波添加至发光光源上，并驱动所述发光光源发出光束，所述发光光源提供的光束照射至待测物体上；探测单元，用于探测所述发光光源的光束穿过所述待测物体产生的电信号。本发明所提供的扩散光学层析成像系统的结构简单、易于集成；本发明的扩散光学层析成像系统利用方波对发光光源进行调制，可以保证信号的稳定性。

Description

一种基于方波调制的扩散光学层析成像系统

技术领域

本发明属于成像技术领域，具体涉及一种基于方波调制的扩散光学层析成像系统。

背景技术

功能成像所反应的血氧参数信息在临床诊断和治疗中具有重要的作用，无创检测是医患双方的期望。肿瘤检测诊断中，组织内部的血红蛋白浓度等信息可以在一定程度上反应早期病变；脑组织对缺氧十分敏感，实时检测大脑血氧饱和度有利于脑保护。扩散光学层析成像技术利用多波长近红外光对病人组织进行照射，采集边沿出射光流量，重建出病人组织内部的血红蛋白浓度、血氧饱和度等功能信息图像，实现组织生理、病理状态监测。

扩散光学层析成像技术有三种测量方式：连续波、时域和频域。请参见图1，在连续波模式中，光源通常是不变的，但有时被调制成低频来改善信噪比，通过计算出射光幅度衰减来重建吸收系数；在时域模式中，光源是超短脉冲，通过出射光在时间上的展宽和幅度衰减可以重建出吸收系数和散射系数；在频域模式中，光源是数十或数百MHz的正弦波，通过出射光相位上的延迟和幅度的衰减来重建吸收系数和散射系数。因为关于时域模式的系统所需要的成本较为昂贵，因此目前更多研究集中在关于连续波和频域的系统上。在连续波工作模式中，由于光学信号属于微弱信号，在测量中部分可用信号的幅值与噪声信号的幅值不相上下，除此之外环境光以及元器件本身也存在暗电流。为了解决微弱信号放大和传输问题，采用低频调制方法可以给测量信号施加某些特征以便于放大和传输，从而提升信号的信噪比。在频域工作模式中，对光源加进行高频调制，通过计算出射光与入射光之间的相位延迟和信号衰减来重建吸收系数和散射系数。

目前，美国达特茅斯学院研制的扩散光学层析成像系统中具有连续波和频域两种工作模式。请参见图2，在连续波工作模式中，数据采集卡(USB6255,NationalInstruments)产生低频调制信号加在连续波的光源上，调制频率为50Hz、90Hz、110Hz，在频域工作模式中，采用信号发生器产生高频调制信号，信号发生器的三个通道产生频率分别为100.0004MHz、100.0007MHz和100.0011MHz信号，请参见图3，这三个通道的信号通过T型偏置耦合器与直流信号进行耦合加在激光二极管光源上，第四个通道产生频率为100MHz的信号，用于与前三个信号进行混频，提取差频信号来计算相位值。

但是，上述系统的结构复杂，使用体积较大的信号发生器作为信号源，造成系统结构复杂，不易集成；正弦波为模拟信号，模拟信号在数据传输中易受杂讯(信号中不希望得到的随机变化值)的影响，在长距离传输中存在信号衰减，抗干扰能力差，易与噪声积累；另外，混频信号的转换效率低，且混频器使系统的电路变得复杂，且还存在频率准确度和稳定度较差的问题以及波形失真较大的问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于方波调制的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：

一种基于方波调制的扩散光学层析成像系统，包括：

方波产生单元，用于根据正弦波得到方波；

光源驱动单元，连接所述光源驱动单元，用于将所述方波添加至发光光源上，并驱动所述发光光源发出光束，所述发光光源发出的光束照射至待测物体上；

探测单元，用于探测所述发光光源的光束穿过所述待测物体产生的光信号，并将所述光信号转换为电信号。

在本发明的一个实施例中，所述方波产生单元包括MCU模块、DDS模块、比较模块、直流电压模块和加法模块，所述MCU模块连接所述DDS模块，所述DDS模块连接所述比较模块，所述比较模块和所述直流电压模块连接所述加法模块，其中，

所述DDS模块，用于根据所述MCU模块的控制产生正弦波；

所述比较模块，用于根据所述正弦波得到第一方波；

所述加法模块，用于根据所述第一方波的电压幅值和所述直流电压模块提供的直流电压得到第二方波，所述第二方波的电压幅值为正电压。

在本发明的一个实施例中，所述光源驱动单元包括电容C1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、n个所述发光光源、三极管Q1、DC电源，其中，

所述电容C1的第一端连接所述加法模块，所述电容C1的第二端连接所述电阻R1的第一端和所述三极管Q1的基极，所述电阻R3串接在所述三极管Q1的发射极和接地端之间，所述电阻R1的第二端连接所述电阻R2的第一端和所述DC电源的正极，n个所述发光光源的阳极共同连接至所述电阻R2的第二端，n个所述发光光源的阴极共同连接至所述三极管Q1的集电极，所述DC电源的负极连接至所述电阻R3和所述接地端之间。

在本发明的一个实施例中，所述探测单元包括若干硅光电倍增管，所述若干硅光电倍增管并联连接。

在本发明的一个实施例中，所述发光光源为LED。

在本发明的一个实施例中，还包括带通滤波单元，所述带通滤波单元连接所述探测单元，所述带通滤波单元用于滤除所述第二方波中的谐波并保留所述第二方波中的基波以得到滤波信号。

在本发明的一个实施例中，所述带通滤波单元包括窗函数模块、第一快速傅里叶变换模块、第二快速傅里叶变换模块、乘积模块、傅里叶反变换模块，所述窗函数模块连接所述第一快速傅里叶变换模块，所述探测单元连接所述第二快速傅里叶变换模块，所述第一快速傅里叶变换模块和所述第二快速傅里叶变换模块共同连接所述乘积模块，所述乘积模块连接所述傅里叶反变换模块，其中，

所述窗函数模块，用于提供窗函数；

所述第一快速傅里叶变换模块，用于对所述窗函数进行傅里叶变换得到第一组数值；

所述第二快速傅里叶变换模块，用于对所述探测单元提供的电信号进行傅里叶变换得到第二组数值；

所述乘积模块，用于对所述第一组数值和所述第二组数值对应进行相乘处理得到第三组数值；

所述傅里叶反变换模块，用于对所述第三组数值进行傅里叶反变换得到滤波信号。

在本发明的一个实施例中，还包括幅值模块，所述幅值模块连接所述带通滤波单元，所述幅值模块包括第一左移模块、第一累加模块、第一平均值计算模块、第三快速傅里叶变换模块和第一幅值计算模块，其中，

所述第一左移模块，连接所述带通滤波单元，用于对所述滤波信号按照预设方法进行移位处理得到若干第一移位信号；

所述第一累加模块，连接所述第一左移模块，用于将所述滤波信号和所述若干第一移位信号对应进行累加处理得到第一累加信号；

所述第一平均值计算模块，连接所述第一累加模块，用于根据所述第一累加信号和所述滤波信号的长度得到第一平均信号；

所述第三快速傅里叶变换模块，连接所述第一平均值计算模块，用于对所述第一平均信号进行傅里叶变换得到第四组数值；

所述第一幅值计算模块，连接所述第三快速傅里叶变换模块，用于在所述第四组数值中得到第一预设数值，并根据所述第一预设数值的实部和虚部得到幅值。

在本发明的一个实施例中，所述发光光源为LD。

在本发明的一个实施例中，还包括幅值和相位值计算模块，所述幅值和相位值计算模块连接所述探测单元，所述幅值和相位值计算模块包括第二左移模块、第二累加模块、第二平均值计算模块、第四快速傅里叶变换模块、第二幅值计算模块和相位值计算模块，其中，

所述第二左移模块，连接所述探测单元，用于对所述探测单元输出的电信号按照预设方法进行移位处理得到若干第二移位信号；

所述第二累加模块，连接所述第二左移模块，用于将所述电信号和所述若干第二移位信号对应进行累加处理得到第二累加信号；

所述第二平均值计算模块，连接所述第二累加模块，用于根据所述第二累加信号和所述电信号的位数得到第二平均信号；

所述第四快速傅里叶变换模块，连接所述第二平均值计算模块，用于对所述第二平均信号进行傅里叶变换得到第五组数值；

所述第二幅值计算模块，连接所述第四快速傅里叶变换模块，用于在所述第五组数值中得到第二预设数值，并根据所述第二预设数值的实部和虚部得到幅值；

所述相位值计算模块，连接所述第四快速傅里叶变换模块，用于在所述第五组数值中得到第二预设数值，并根据所述第二预设数值的实部和虚部得到相位值。

本发明的有益效果：

本发明所提供的扩散光学层析成像系统的结构简单、易于集成；本发明的扩散光学层析成像系统利用方波对发光光源进行调制，可以保证信号的稳定性。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是现有技术提供的一种三种测量方式的示意图；

图2是现有技术提供的一种成像系统的示意图；

图3是现有技术提供的一种频域模式调制信号的示意图；

图4是本发明实施例提供的一种基于方波调制的扩散光学层析成像系统的示意图；

图5是本发明实施例提供的一种方波产生单元和光源驱动单元的示意图；

图6是本发明实施例提供的另一种基于方波调制的扩散光学层析成像系统的示意图；

图7是本发明实施例提供的一种采集到的方波信号的示意图；

图8是本发明实施例提供的一种信号的快速傅里叶变换的示意图；

图9是本发明实施例提供的一种带通滤波单元的幅频特性曲线的示意图；

图10是本发明实施例提供的一种经带通滤波单元之后信号的波形示意图；

图11是本发明实施例提供的一种带通滤波单元的示意图；

图12是本发明实施例提供的一种幅值模块的示意图；

图13是本发明实施例提供的又一种基于方波调制的扩散光学层析成像系统的示意图；

图14是本发明实施例提供的一种幅值和相位值计算模块的示意图；

图15是本发明实施例提供的另一种采集到的方波信号的示意图；

图16是本发明实施例提供的另一种信号的快速傅里叶变换的示意图；

图17是本发明实施例提供的调制信号为正弦波时SiPM的输出值的示意图；

图18是本发明实施例提供的调制信号为方波时经带通滤波器后SiPM的输出值的示意图。

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4，图4是本发明实施例提供的一种基于方波调制的扩散光学层析成像系统的示意图。本实施例提供一种基于方波调制的扩散光学层析成像系统，该扩散光学层析成像系统包括：

方波产生单元，用于根据正弦波得到方波；

光源驱动单元，连接所述光源驱动单元，用于将所述方波添加至发光光源上，并驱动所述发光光源发出光束，所述发光光源提供的光束照射至待测物体上；

探测单元，用于探测所述发光光源的光束穿过所述待测物体产生的电信号。

也就是说，本实施例的方波产生单元可以根据正弦波得到方波，然后可以将该方波通过光源驱动单元添加到发光光源上，以实现对发光光源所激发的光束进行调制，从而可以实现在频域模式下的探测，方波作为调制信号可以获得更高的调制深度，且方波信号生成方便，且方波作为调制信号可以保证信号的稳定性。当添加有方波的光束照射到待测物体(乳腺)上时，探测单元便会对穿过待测物体的光束进行探测，探测单元则可以将所探测的光信号转换为电信号。

请参见图5，在一个具体实施例中，方波产生单元包括MCU(MicrocontrollerUnit，微控制单元)模块、DDS(Direct Digital Synthesis，直接数字频率合成)模块、比较模块、直流电压模块和加法模块，MCU模块连接DDS模块，DDS模块连接比较模块，比较模块和直流电压模块连接加法模块，其中，DDS模块用于根据MCU模块的控制产生正弦波，比较模块用于根据正弦波得到第一方波；加法模块用于根据第一方波的电压幅值和直流电压模块提供的直流电压得到第二方波，且第二方波的电压幅值为正电压。

也就是说，在MCU模块的控制下可以使得DDS模块产生正弦波，比较模块会将该正弦波的电压与比较模块的阈值进行比较，大于该阈值，则信号为1，小于这个阈值，则信号为0，比较模块则会将小于这个阈值的正弦波转换为第一方波，该比较模块例如为比较器，比较器的型号例如为LTC6752，因为需要所得到的方波没有负压，因此本实施例利用直流电压模块提供的直流电压与所得到的第一方波对应的电压幅值利用加法模块进行相加，相加后则可以得到第二方波，该第二方波的电压幅值需为正电压，例如，第一方波的电压幅值为-1V～+1V，则可以利用直流电压模块提供一个+2V的直流电压，利用加法模块将其相加后得到电压幅值为+1V～+3V的第二方波。加法模块例如为加法器。

请参见图5，在一个具体实施例中，光源驱动单元包括电容C1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、n个发光光源、三极管Q1、DC电源，其中，电容C1的第一端连接加法模块，电容C1的第二端连接电阻R1的第一端和三极管Q1的基极，电阻R3串接在三极管Q1的发射极和接地端之间，电阻R1的第二端连接电阻R2的第一端和DC电源的正极，n个发光光源的阳极共同连接至电阻R2的第二端，n个发光光源的阴极共同连接至三极管Q1的集电极，DC电源的负极连接至电阻R3和接地端之间。

本实施例通过光源驱动单元将方波产生单元的第二方波添加至发光光源所发出的光束上，从而实现利用方波对光束进行调制，从而实现频域模式的调制信号，该光源驱动单元可以实现对发光光源的驱动，从而驱动发光光源将光束照射至待测物体上，本实施例对发光光源的排布方式没有具体要求，只要保证其能够照射至待测物体上，并能被探测单元所探测到即可。

本实施例的发光光源例如可以为LED(Light Emitting Diode，发光二极管)，也可以为LD(Laser Diode，激光二激光)，本实施例的扩散光学层析成像系统也可以同时设置有LED和LD，本领域技术人员可以根据实际需求进行设置。

本实施例的探测单元可以包括若干硅光电倍增管(Silicon photomultiplier，SiPM)，所有的硅光电倍增管并联连接，这些硅光电倍增管可以对探测穿过待测物的光信号，并将光信号转换为电信号。

本实施例的扩散光学层析成像系统的周期性的方波是由多个频率的正弦波信号叠加而成，各次谐波的频率按照基波信号频率的整数倍依次递增。从信号能量分布的角度来讲，周期信号的能量主要分布在频率较低的有限次谐波分量上。在连续波工作模式中，通过设置带通滤波器，过滤谐波信号，保留基波信号，则可以用于图像重建。在频域工作模式中，由于使用硅光电倍增管(SiPM)，其充能时间为23ns。硅光电倍增管自身特性限制其不能用于探测频率超过43MHz的信号，因此可以采用频率为25MHz-40MHz方波调制信号后，在这个频率范围硅光电倍增管则可以成为良好的低通滤波器，无需后续滤波电路，能够保留基波信号，滤掉谐波分量。

本发明所提供的扩散光学层析成像系统的结构简单、易于集成；本发明的扩散光学层析成像系统利用方波对发光光源进行调制，可以保证信号的稳定性。

实施例二

本实施例在实施例一的基础上对于发光光源为LED的扩散光学层析成像系统做具体说明。

请参见图6，图6是本发明实施例提供的另一种基于方波调制的扩散光学层析成像系统的示意图。在发光光源为LED时，该扩散光学层析成像系统还可以包括带通滤波单元，带通滤波单元连接探测单元，带通滤波单元用于滤除第二方波中的谐波并保留第二方波中的基波以得到滤波信号。

当发光光源为LED时，调制信号的频率例如为200Hz，使用采样频率为4KHz的数据采集卡对SiPM探测到的信号进行采集，最终得到方波信号如图7所示。方波是由基波和不同频率的谐波叠加而成，而在发光光源为LED时，需要只保留基波，且需要滤除谐波，本实施例的所有硅光电倍增管并联之后连接至带通滤波单元，则带通滤波单元可以滤除谐波保留基波。请参见图8，在没有带通滤波单元时，对信号进行快速傅里叶变换后观察频率谱线时会发现存在多个谐波分量，在设置有带通滤波单元后，带通滤波器幅频曲线如图9所示，例如保留了200Hz的基波信号，基波信号如图10所示，提取该信号的幅值，则可以用于重建吸收系数。

请参见图11，具体地，带通滤波单元包括窗函数模块、第一快速傅里叶变换模块、第二快速傅里叶变换模块、乘积模块、傅里叶反变换模块，窗函数模块连接第一快速傅里叶变换模块，探测单元连接第二快速傅里叶变换模块，第一快速傅里叶变换模块和第二快速傅里叶变换模块共同连接乘积模块，乘积模块连接傅里叶反变换模块，其中，窗函数模块用于提供窗函数，第一快速傅里叶变换模块用于对窗函数进行傅里叶变换得到第一组数值；第二快速傅里叶变换模块用于对探测单元提供的电信号进行傅里叶变换得到第二组数值；乘积模块用于对第一组数值和第二组数值对应进行相乘处理得到第三组数值；傅里叶反变换模块用于对第三组数值进行傅里叶反变换得到滤波信号。

在本实施例中，窗函数模块用于提供一窗函数，从而使得最后保留的为所需要的频率的波形，例如200Hz，因此通过窗函数模块可以只保留所限定的频率中的信号，而把其余频率的信号去掉，第一快速傅里叶变换模块则可以对窗函数模块所提供的窗函数进行傅里叶变换从而得到第一组数值，而第二快速傅里叶变换模块则可以对探测单元提供的电信号进行傅里叶变换从而得到第二组数值，同时要求第一组数值和第二组数值中所包括的数值个数相同，然后便可以利用乘积模块对第一组数值和第二组数值中的数值一一进行相乘处理，从而可以得到第三组数值，也就是说第一组数值中的第一个数值和第二组数值中的第一个数值进行相乘得到第三组数值中的第一个数值，第一组数值中的第二个数值和第二组数值中的第二个数值进行相乘得到第三组数值中的第二个数值，第一组数值中的第三个数值和第二组数值中的第三个数值进行相乘得到第三组数值中的第三个数值，依此类推。在得到了第三组数值之后则可以利用傅里叶反变换模块对进行傅里叶反变换处理，从而便可以得到滤波信号，该滤波信号则是滤除了谐波保留了基波的信号。

请参见图7，本实施例的扩散光学层析成像系统还包括幅值模块，该幅值模块用于根据滤波信号得到幅值，该幅值可以用于得到吸收系数，从而可以对图像进行重建，请参见图12，该幅值模块连接带通滤波单元中的傅里叶反变换模块，该幅值模块包括第一左移模块、第一累加模块、第一平均值计算模块、第三快速傅里叶变换模块和第一幅值计算模块，傅里叶反变换模块、第一左移模块、第一累加模块、第一平均值计算模块、第三快速傅里叶变换模块和第一幅值计算模块依次连接，其中，第一左移模块用于对滤波信号按照预设方法进行移位处理得到若干第一移位信号，第一累加模块用于将滤波信号和若干第一移位信号对应进行累加处理得到第一累加信号，第一平均值计算模块用于根据第一累加信号和滤波信号的长度得到第一平均信号，第三快速傅里叶变换模块用于对第一平均信号进行傅里叶变换得到第四组数值，第一幅值计算模块用于在第四组数值中得到第一预设数值，并根据第一预设数值的实部和虚部得到幅值。

在本实施例中，第一左移模块需要对滤波信号按照预设方法进行移位处理，例如信号长度为N，则首先将滤波信号整体向左移一位得到第一个第一移位信号，之后再将滤波信号整体向左移二位得到第二个第一移位信号，直至将滤波信号整体向左移N位得到第N个第一移位信号之后，便将滤波信号、第一个第一移位信号至第N个第一移位信号对应位置的信号进行叠加处理，即滤波信号、第一个第一移位信号至第N个第一移位信号的第一位信号进行叠加得到第一累加信号的第一位信号，滤波信号、第一个第一移位信号至第N个第一移位信号的第二位信号进行叠加得到第一累加信号的第二位信号，依次类推从而得到最终的第一累加信号。例如滤波信号x＝{1，2，3，4，5，6}，则：

左移零位：x(0)＝1 2 3 4 5 6；

左移一位：x(1)＝2 3 4 5 6 1；

左移二位：x(2)＝3 4 5 6 1 2；

左移三位：x(3)＝4 5 6 1 2 3；

左移四位：x(4)＝5 6 1 2 3 4；

左移五位：x(5)＝6 1 2 3 4 5；

左移六位：x(6)＝1 2 3 4 5 6。

第一累加信号的第一位信号为1+2+3+4+5+6+1＝22、第二位信号为2+3+4+5+6+1+2＝22、第三位信号为3+4+5+6+1+2+3＝22、第四位信号为4+5+6+1+2+3+4＝22，第五位信号为5+6+1+2+3+4+5＝22、第六位信号为6+1+2+3+4+5+6＝22。

本实施例在得到了第一累加信号之后，便可以利用第一平均值计算模块计算得到第一平均信号，即所得到的第一累加信号除以滤波信号的长度对应得到的即为第一平均信号，然后利用第三快速傅里叶变换模块可以对该第一平均信号进行傅里叶变换处理得到第四组数值，第一幅值计算模块可以从所得到的第四组数值选取第一预设数值，该第一预设数值为所需要频率对应的点，例如频率为200Hz或者25MHz对应的点，该点对应的数值即为第一预设数值，再得到了第一预设数值之后，第一幅值计算模块便可以求取根号下第一预设数值的实部的平方和第一预设数值的虚部的平方，该计算结果即为所需要的幅值，则可以用于重建吸收系数，得到重建图像。

幅值的计算公式为：

其中，F为幅值，_a为实部，b为虚部。

本发明所提供的扩散光学层析成像系统的结构简单、易于集成；本发明的扩散光学层析成像系统利用方波对发光光源进行调制，可以保证信号的稳定性。

实施例三

本实施例在实施例一的基础上对于发光光源为LD的扩散光学层析成像系统做具体说明。

请参见图13，图13是本发明实施例提供的又一种基于方波调制的扩散光学层析成像系统的示意图。在发光光源为LED时，该扩散光学层析成像系统还可以包括幅值和相位值计算模块，该幅值和相位值计算模块连接探测单元，即所有硅光电倍增管并联连接后连接至幅值和相位值计算模块，请参见图14，该幅值和相位值计算模块包括第二左移模块、第二累加模块、第二平均值计算模块、第四快速傅里叶变换模块、第二幅值计算模块和相位值计算模块，探测单元、第二左移模块、第二累加模块、第二平均值计算模块、第四快速傅里叶变换模块依次连接，第二幅值计算模块和相位值计算模块均连接至第四快速傅里叶变换模块，第二左移模块用于对探测单元输出的电信号按照预设方法进行移位处理得到若干第二移位信号，第二累加模块用于将电信号和若干第二移位信号对应进行累加处理得到第二累加信号，第二平均值计算模块用于根据第二累加信号和电信号的位数得到第二平均信号，第四快速傅里叶变换模块用于对第二平均信号进行傅里叶变换得到第五组数值，第二幅值计算模块用于在第五组数值中得到第二预设数值，并根据第二预设数值的实部和虚部得到幅值，相位值计算模块用于在第五组数值中得到第二预设数值，并根据第二预设数值的实部和虚部得到相位值。

在本实施例中，第二左移模块需要对探测单元输出的电信号按照预设方法进行移位处理，例如信号长度为N，则首先将电信号整体向左移一位得到第一个第二移位信号，之后再将电信号整体向左移二位得到第二个第二移位信号，直至将电信号整体向左移N位得到第N个第二移位信号之后，便将电信号、第一个第二移位信号至第N个第二移位信号对应位置的信号进行叠加处理，即电信号、第一个第二移位信号至第N个第二移位信号的第一位信号进行叠加得到第二累加信号的第一位信号，电信号、第一个第二移位信号至第N个第二移位信号的第二位信号进行叠加得到第二累加信号的第二位信号，依次类推从而得到最终的第二累加信号。

本实施例在得到了第二累加信号之后，便可以利用第二平均值计算模块计算得到第二平均信号，即所得到的第二累加信号除以电信号的长度对应得到的即为第二平均信号，然后利用第四快速傅里叶变换模块可以对该第二平均信号进行傅里叶变换处理得到第五组数值，第二幅值计算模块可以从所得到的第五组数值选取第二预设数值，该第二预设数值为所需要频率对应的点，例如频率为200Hz或者25MHz对应的点，该点对应的数值即为第二预设数值，再得到了第二预设数值之后，第二幅值计算模块便可以求取根号下第二预设数值的实部的平方和第二预设数值的虚部的平方，该计算结果即为所需要的幅值，则可以用于重建吸收系数，得到重建图像。幅值的计算公式为：

其中，F为幅值，a为实部，b为虚部。

另外，相位值计算模块也可以从所得到的第五组数值选取第二预设数值，再得到了第二预设数值之后，便可以根据第二预设数值的实部和虚部之比的反正切值得到相位值，而根据所得到的相位值便可以得到相位差，相位差可以通过两个信号的相位值的差值得到，例如，本实施例又56个硅光电倍增管，则可以将55个硅光电倍增管的相位值分别与剩余的一个硅光电倍增管做差从而得到55个硅光电倍增管对应的相位差。本实施例所得到的幅值和相位差可以用于重建吸收系数和散射系数，从而可以实现图像的重建。

本发明所提供的扩散光学层析成像系统的结构简单、易于集成；本发明的扩散光学层析成像系统利用方波对发光光源进行调制，可以保证信号的稳定性。

在频域工作模式中，方波产生单元例如可以产生25MHz的高频信号驱动激光二极管，则可以使用采集频率为100MHz的采集卡对SiPM探测到的信号进行采样，信号波形如图15所示，对信号进行快速傅里叶变换可以观察频率谱线，如图16所示，发现基本只保留了25MHz的基波信号，对信号进行幅值和相位差的计算可以用于重建吸收系数和散射系数。

请参见图17和图18，图17为调制信号为正弦波时SiPM的输出值，图18为调制信号为方波时经带通滤波器后SiPM的输出值。本发明使用相同的光源和相同的SiPM探测器，在光源上分别加相同幅值、相同频率的正弦波信号和方波信号，对比SiPM探测器输出信号电压值大小。经计算发现，方波信号幅值大小为775.80mV，正弦波信号幅值大小为510.05mV。因此，方波信号可以提高信号的幅值，提升信号信噪比。

本发明使用频率为100MHz的高速采集卡对信号直接进行采样，避免混频造成信号的不稳定，可以比较好的恢复信号的相位值。

表1方波调制与正弦波调制对比表

本发明所提供的扩散光层析成像系统使降低了系统复杂度；使用硅光电倍增管作为探测器降低了系统成本，本发明充分利用了光电探测器SiPM的低通滤波特性，使其缺点转换为优点。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

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 (10)

1.一种基于方波调制的扩散光学层析成像系统，其特征在于，包括：

方波产生单元，用于根据正弦波得到方波；

光源驱动单元，连接所述光源驱动单元，用于将所述方波添加至发光光源上，并驱动所述发光光源发出光束，所述发光光源发出的光束照射至待测物体上；

探测单元，用于探测所述发光光源的光束穿过所述待测物体产生的光信号，并将所述光信号转换为电信号。

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，所述方波产生单元包括MCU模块、DDS模块、比较模块、直流电压模块和加法模块，所述MCU模块连接所述DDS模块，所述DDS模块连接所述比较模块，所述比较模块和所述直流电压模块连接所述加法模块，其中，

所述DDS模块，用于根据所述MCU模块的控制产生正弦波；

所述比较模块，用于根据所述正弦波得到第一方波；

所述加法模块，用于根据所述第一方波的电压幅值和所述直流电压模块提供的直流电压得到第二方波，所述第二方波的电压幅值为正电压。

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，所述光源驱动单元包括电容C1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、n个所述发光光源、三极管Q1、DC电源，其中，

所述电容C1的第一端连接所述加法模块，所述电容C1的第二端连接所述电阻R1的第一端和所述三极管Q1的基极，所述电阻R3串接在所述三极管Q1的发射极和接地端之间，所述电阻R1的第二端连接所述电阻R2的第一端和所述DC电源的正极，n个所述发光光源的阳极共同连接至所述电阻R2的第二端，n个所述发光光源的阴极共同连接至所述三极管Q1的集电极，所述DC电源的负极连接至所述电阻R3和所述接地端之间。

4.根据权利要求3所述的扩散光学层析成像系统，其特征在于，所述探测单元包括若干硅光电倍增管，所述若干硅光电倍增管并联连接。

5.根据权利要求4所述的扩散光学层析成像系统，其特征在于，所述发光光源为LED。

6.根据权利要求5所述的扩散光学层析成像系统，其特征在于，还包括带通滤波单元，所述带通滤波单元连接所述探测单元，所述带通滤波单元用于滤除所述第二方波中的谐波并保留所述第二方波中的基波以得到滤波信号。

7.根据权利要求6所述的扩散光学层析成像系统，其特征在于，所述带通滤波单元包括窗函数模块、第一快速傅里叶变换模块、第二快速傅里叶变换模块、乘积模块、傅里叶反变换模块，所述窗函数模块连接所述第一快速傅里叶变换模块，所述探测单元连接所述第二快速傅里叶变换模块，所述第一快速傅里叶变换模块和所述第二快速傅里叶变换模块共同连接所述乘积模块，所述乘积模块连接所述傅里叶反变换模块，其中，

所述窗函数模块，用于提供窗函数；

所述第一快速傅里叶变换模块，用于对所述窗函数进行傅里叶变换得到第一组数值；

所述第二快速傅里叶变换模块，用于对所述探测单元提供的电信号进行傅里叶变换得到第二组数值；

所述乘积模块，用于对所述第一组数值和所述第二组数值对应进行相乘处理得到第三组数值；

所述傅里叶反变换模块，用于对所述第三组数值进行傅里叶反变换得到滤波信号。

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，还包括幅值模块，所述幅值模块连接所述带通滤波单元，所述幅值模块包括第一左移模块、第一累加模块、第一平均值计算模块、第三快速傅里叶变换模块和第一幅值计算模块，其中，

所述第一左移模块，连接所述带通滤波单元，用于对所述滤波信号按照预设方法进行移位处理得到若干第一移位信号；

所述第一累加模块，连接所述第一左移模块，用于将所述滤波信号和所述若干第一移位信号对应进行累加处理得到第一累加信号；

所述第一平均值计算模块，连接所述第一累加模块，用于根据所述第一累加信号和所述滤波信号的长度得到第一平均信号；

所述第三快速傅里叶变换模块，连接所述第一平均值计算模块，用于对所述第一平均信号进行傅里叶变换得到第四组数值；

所述第一幅值计算模块，连接所述第三快速傅里叶变换模块，用于在所述第四组数值中得到第一预设数值，并根据所述第一预设数值的实部和虚部得到幅值。

9.根据权利要求4所述的扩散光学层析成像系统，其特征在于，所述发光光源为LD。

10.根据权利要求9所述的扩散光学层析成像系统，其特征在于，还包括幅值和相位值计算模块，所述幅值和相位值计算模块连接所述探测单元，所述幅值和相位值计算模块包括第二左移模块、第二累加模块、第二平均值计算模块、第四快速傅里叶变换模块、第二幅值计算模块和相位值计算模块，其中，

所述第二左移模块，连接所述探测单元，用于对所述探测单元输出的电信号按照预设方法进行移位处理得到若干第二移位信号；

所述第二累加模块，连接所述第二左移模块，用于将所述电信号和所述若干第二移位信号对应进行累加处理得到第二累加信号；

所述第二平均值计算模块，连接所述第二累加模块，用于根据所述第二累加信号和所述电信号的位数得到第二平均信号；

所述第四快速傅里叶变换模块，连接所述第二平均值计算模块，用于对所述第二平均信号进行傅里叶变换得到第五组数值；

所述第二幅值计算模块，连接所述第四快速傅里叶变换模块，用于在所述第五组数值中得到第二预设数值，并根据所述第二预设数值的实部和虚部得到幅值；

所述相位值计算模块，连接所述第四快速傅里叶变换模块，用于在所述第五组数值中得到第二预设数值，并根据所述第二预设数值的实部和虚部得到相位值。

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