CN111481170A - 基于手持式的扩散光学探头及输出电压校正的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于手持式的扩散光学探头及输出电压校正的方法，该扩散光学探头包括沿对称轴对称设置的若干行光源模块和若干行探测模块，相邻两行所述光源模块之间设置有一行所述探测模块，所述光源模块和所述探测模块位于同一电路板上，每行所述光源模块包括若干发光光源，每行所述探测模块包括若干探测器，位于对称轴一侧的相邻的所述光源模块的发光光源的数量和所述探测模块的探测器的数量从第一行所述光源模块至对称位置的方向按照预设数量依次递增。本发明所提供的基于手持式的扩散光学探头可以作为乳腺癌早期诊断的补充成像方式，由于其非侵入、无电离辐射等优点，孕妇也可以使用。

Description

基于手持式的扩散光学探头及输出电压校正的方法

技术领域

本发明属于成像技术领域，具体涉及一种基于手持式的扩散光学探头及输出电压校正的方法。

背景技术

近年来，与可用的各种笨重的光学成像仪器相反，基于手持式光学成像设备的开发被用于该技术的临床转化。从实现的测量技术(连续波、时域或频域)，使用的成像方法以及将其应用到的特定应用方面，迄今为止开发了很多基于手持式NIR(Near Infrared，现代近红外光谱)设备。大多光学成像系统都与超声或其他成像设备组成双模或者多模成像模式，用以提高成像深度或者成像精度。超声也是常用的临床手段，能够甄别肿瘤和囊肿。图1是新奥博为技术有限公司研发的光学成像与线性超声探头组成的双模成像系统，光学成像部分采用的光源为近红外LED(Light Emitting Diode，发光二极管)，探测器为雪崩光电二极管(Avalanche Photo Diode，APD)。图2是荷兰特温特大学米拉研究所生物医学光子成像小组研发的手持式双模成像设备。图3a和图3b是美国康涅狄格大学团队研发的光学与超声结合的成像设备，此成像设备中的光学部分光源采用近红外LED，探测器采用光电倍增管(Photomultiplier Tube，PMT)。

大多数用于乳腺癌诊断的三维(3D)光学成像研究都采用基于压缩组织的成像配置或基于圆形的成像配置。基于压缩组织的配置类似于X射线乳房X线照相术，并且由于组织挤压给患者带来的舒适度大大降低以及在整个乳腺组织周围获得的信息有限，因此存在不利之处。基于圆形的配置使患者的不适感最小，但受到笨重且不可携带的器械的限制。由于X射线具有电离辐射，因此不宜用于人体组织病变的长期监测，同时对于孕妇也不适用。

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手持式的扩散光学探头及输出电压校正的方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种基于手持式的扩散光学探头，包括沿对称轴对称设置的若干行光源模块和若干行探测模块，相邻两行所述光源模块之间设置有一行所述探测模块，所述光源模块和所述探测模块位于同一电路板上，每行所述光源模块包括若干发光光源，每行所述探测模块包括若干探测器，所述发光光源的总数量和所述探测器的总数量相等，其中，

位于对称轴一侧的相邻的所述光源模块的探测器的数量和所述探测模块的探测器的数量从第一行所述光源模块至对称位置的方向按照预设数量依次递增。

在本发明的一个实施例中，所述发光光源包括多波长发光二极管，且所述多波长发光二极管包括N个不同波长的发光二极管，所述探测器包括硅光电倍增管。

在本发明的一个实施例中，还包括若干模拟开关，所有所述多波长发光二极管中的同一波长的发光二极管连接至同一模拟开关的输出端。

在本发明的一个实施例中，还包括低频调制模块和电流源，所述低频调制模块连接所述电流源，所述电流源分别连接所述若干模拟开关。

在本发明的一个实施例中，还包括采集模块和若干放大器，每个所述硅光电倍增管对应连接一所述放大器的输入端，所有所述放大器的输出端均连接至所述采集模块。

在本发明的一个实施例中，所述采集模块包括单片机。

在本发明的一个实施例中，在每个所述硅光电倍增管上设置有一透镜，所述硅光电倍增管和所述透镜的总高度等于所述多波长发光二极管的高度。

在本发明的一个实施例中，每个所述透镜和每个所述硅光电倍增管上均贴合设置有一相容性材料。

本发明一个实施例还提供一种用于对输出电压进行校正的方法，包括：

获取校正曲线；

根据所述校正曲线的第一设定部分得到实际拟合函数；

根据所述校正曲线的第二设定部分得到理论拟合函数；

根据上述任一项实施例所述的扩散光学探头得到实际输出电压；

根据所述实际输出电压和所述实际拟合函数得到电流值；

根据所述电流值和所述理论拟合函数得到理论输出电压。

在本发明的一个实施例中，获取校正曲线，包括：

在设定光强下得到第一探测器的平均基准电压；

在所述设定光强下得到若干第二探测器的平均电压；

根据所述第一探测器的平均基准电压和所述若干第二探测器的平均电压得到若干校正系数；

根据所述第一探测器的输出电压和所述第二探测器的输出电压得到校正曲线。

本发明的有益效果：

本发明所提供的基于手持式的扩散光学探头可以作为乳腺癌早期诊断的补充成像方式，由于其非侵入、无电离辐射等优点，孕妇也可以使用。另外其成像数据的获取不需要挤压组织，因此极大增加了用户的舒适度。从另一方面考虑，其拓宽了元器件的应用领域。

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光学成像与线性超声探头组成的双模成像系统的示意图；

图2是现有技术提供的一种超声与光声成像相结合组成的双模反射成像系统的示意图；

图3a是现有技术提供的一种超声引导的光学成像设备的控制部分的示意图；

图3b是现有技术提供的一种超声引导的光学成像设备的学成像部分电路的示意图；

图4是本发明实施例提供的一种基于手持式的扩散光学探头的示意图；

图5是本发明实施例提供的一种光源部分电路的示意图；

图6是本发明实施例提供的一种探测器部分电路的示意图；

图7是本发明实施例提供的8个SiPM校正前数据显示的示意图；

图8是本发明实施例提供的8个SiPM通道间一致性的校正后数据显示的示意图；

图9是本发明实施例提供的8个SiPM非线性校正后数据显示的示意图。

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

基于表贴式的成像设置是一种相对较新的方法，不需要组织压缩，并且可以设计为便携式且灵活的成像探头。该技术使用近红外光代替更广为人知的X射线或超声波。除了具有非侵入性和非电离性外，其优点还在于其便携式，相对便宜且患者舒适。透过人体的光可以提供有关各种组织中血液和氧气供应的信息。进而，医生可以使用此信息来诊断和监视各种疾病。APD是一种增益高，频谱范围广的探测器，尽管APD结构小，但是它的工作所需外围电路最为复杂，工作时需要配合雪崩信号甄别电路、抑制电路、放大电路以及相应的供电电路，因此，APD不是一个理想的选择。PMT凭借增益高，噪声低，响应时间快等优势，能工作于时域、频域和连续波三种DOT(Diffuse Optical Tomography，扩散光学层析成像)系统，国内外有很多成熟的系统都是基于PMT搭建的。但是PMT价格昂贵而且容易损坏，尺寸较大，使用时必须采用光纤作为探测前端。因此PMT无法作为便携式设备的探测器使用。电荷耦合器件(CCD,Charge Coupled Device)也是一种DOT系统常用的的光电传感器件。但是CCD相机体积大，无法在便携式设备中使用。

基于上述问题，本实施例提供了一种基于手持式的扩散光学探头。请参见图4，图4是本发明实施例提供的一种基于手持式的扩散光学探头的示意图。本实施例提供一种基于手持式的扩散光学探头，该扩散光学探头包括沿对称轴对称设置的若干行光源模块和若干行探测模块，相邻两行光源模块之间设置有一行探测模块，光源模块和探测模块位于同一电路板上，每行光源模块包括若干发光光源，每行探测模块包括若干探测器，发光光源的总数量和探测器的总数量相等，其中，位于对称轴一侧的相邻的光源模块的发光光源的数量和探测模块的探测器的数量从第一行光源模块至对称位置的方向按照预设数量依次递增，该第一行光源模块是指距离对称轴最远的那一行光源模块。

也就是说，在某一对称轴的两侧均对应设置有若干行光源模块和若干行探测模块，且位于该对称轴两侧的光源模块和探测模块呈对称方式设置，且相邻两行光源模块之间会设置一行探测模块，每行光源模块包括若干发光光源，每行探测模块包括若干探测器，同时还要求位于对称轴同一侧的光源模块的发光光源的数量与其相邻的探测模块的探测器的数量相差预设数量，并要求按照从第一行光源模块至对称轴位置按照预设数量依次递增，其中预设数量可以为1，也可以为2或者3，还可以为其他数值，本实施例对此不做具体限定，请参见图4，例如每行光源模块中的发光光源(source)的数量为8个，每行探测模块的探测器(detector)的数量也为8个，预设数量为1个，对称轴为水平方向的对称轴，则位于对称轴上侧的所有发光光源和探测器的分布方式与位于对称轴下侧的所有发光光源和探测器的分布方式对称，处于对称轴上侧的第一行的光源模块中的发光光源的数量为1个，处于对称轴上侧的第二行的探测模块的探测器的数量为2个，处于第一行的光源模块中的发光光源的数量为3个，以此类推。

优选地，相邻两个发光光源之间的距离与相邻两个探测器的距离相等，例如距离为20mm。

优选地，发光光源包括多波长发光二极管，且多波长发光二极管包括N个不同波长的发光二极管，探测器包括硅光电倍增管(Silicon Photomultiplier，简称SiPM)。

本实施例采用的探测器为硅光电倍增管代替传统的手持式设备所采用的探测器件，例如CCD相机、光电计数雪崩二极管、PMT等，因为SiPM是一种新型的光电探测器件，由工作在盖革模式的雪崩二极管阵列组成，其具有增益高、灵敏度高、偏置电压低、对磁场不敏感、结构紧凑等特点。贴片式封装的SiPM体积小，使用起来灵活，比PMT有更好的适用性；更重要的是价格上，一个SiPM不到PMT的三十分之一，而且可以提供和PMT相近的增益。因此在很多应用场景下，SiPM已经开始逐步代替PMT。SiPM用于近红外成像领域的可行性得到了很多国内外医学成像团队的验证，所以本发明将其用于手持式成像设备中。

本实施例采用的光源为多波长发光二极管，每个多波长发光二极管是在一个封装中安放多个波长的光源，每个波长的光源可以有单独的供电引脚，互相不产生干扰。采用SiPM作为探测器器件，可以使得源探采用连续反射式成像方式，即发光光源与探测器在电路板同一侧。因此探测器输出的电压信号被放大电路放大后，再采集该对放大后的电压信号。因为将多波长发光二极管和SiPM设置在电路板同一侧，能够使得该扩散光学探头紧贴人体组织，因此通过依次激发多波长发光二极管中的发光二极管光源点亮，经过一系列吸收散射，最终透过人体组织的光便被SiPM所接收，并将其转化为电压信号，电压信号通过采集电路被传输到电脑，从而可以对所得到的电压信号进行后续的处理，将其转化为图像信息等。

优选地，多波长发光二极管和硅光电倍增管的数量均为8个，多波长发光二极管包括2个不同波长的发光二极管，波长分别为660nm和808nm。

本实施例光源采用双波长发光二极管，探测器采用SiPM。在扩散方程约束条件下，对源探布局设置进行大量仿真设计，得到了每种布局下探测器最大穿透深度及其成像分辨率。根据所得到的最大穿透深度等信息，结合硬件电路实现复杂程度，最终采用8个双波长发光二极管和8个SiPM均匀排布的布局方式，在该源探排布方式下，源探位置关于坐标轴对称。双波长发光二极管与双波长发光二极管之间的间距为20mm，SiPM与SiPM之间的间距为20mm。

本实施例的扩散光学探头还包括低频调制模块、电流源和若干模拟开关，低频调制模块连接所述电流源，所述电流源分别连接所述若干模拟开关，所有多波长发光二极管中的同一波长的发光二极管连接至同一模拟开关的输出端。低频调制模块用于向多波长发光二极管提供低频信号，低频调制模块提供的低频信号的频率例如为100Hz至1MHz，低频调制模块例如可以为ARM(Advanced RISC Machines)单片机，电流源用于提供电流，模拟开关用于控制多波长发光二极管中对应波长的通断，例如，请参见图5，低频调制模块对应图5中的信号源，多波长发光二极管为双波长发光二极管，波长分别为660nm和808nm，则所有双波长发光二极管中波长为660nm的发光二极管连接一模拟开关，该模拟开关则可以分别控制波长为660nm的发光二极管的通断，所有双波长发光二极管中波长为660nm的发光二极管连接一模拟开关，该模拟开关则可以分别控制波长为808nm的发光二极管的通断。

请参见图6，本实施例的扩散光学探头还包括采集模块和若干放大器，每个硅光电倍增管对应连接一放大器的输入端，所有大器的输出端均连接至采集模块，因此当硅光电倍增管探测到信号时，便将所采集的信号转换为电压信号，并经过其对应的放大器进行放大，之后采集模块对放大后的电压信号进行采集。

优选地，采集模块为ARM单片机，本实施例的扩散光学探头因为适用于手持式的，因此源探个数相对较少，所以硬件电路的控制部分就会比较容易实现，因此采集模块可以采用ARM单片机，从而简化电路，然后将采集到的数据通过无线传输装置传输到电脑，进行后续数据处理。

另外，在使用时，要求探测器和发光光源都应该紧贴皮肤表面，但是由于SiPM本身的高度比多波长发光二极管的高度矮，导致SiPM不能与皮肤紧密贴合，也即透过组织的光没有直接被SiPM接收到，而是在空气中传播了一段距离，所以为了克服SiPM本身的高度问题，在SiPM上方表面贴合设置了一透镜，该透镜覆盖在SiPM的正上方，可以使得透过组织的光汇聚在SiPM中心位置，从而减少了SiPM测量误差。

另外在与人体组织接触的多波长发光二极管和SiPM的表面均加了一层相容性材料，以防止多波长发光二极管发出的光不经过人体组织直接被SiPM所接收，严重影响成像质量，保证测量数据的准确性，相容性材料例如为硅胶。

本发明所提供的基于手持式的扩散光学探头可以作为乳腺癌早期诊断的补充成像方式,由于其非侵入、无电离辐射等优点，孕妇也可以使用。另外其成像数据的获取不需要挤压组织，因此极大增加了用户的舒适度。从另一方面考虑，其拓宽了元器件的应用领域。

实施例二

理想情况下，实施例一的SiPM探测器输出电压随光源亮度的变化呈现线性递增趋势，但是，请参见图7，实际测量中由于SiPM本身的非线性，导致其输出电压会随光源亮度的变化先趋于线性递增后达到极限最后趋于平行。另一方面，SiPM探测器之间也会存在一定的差异。由于SiPM探测器探测到数据的好坏是影响成像效果的重要因素，因此需要对SiPM探测器探测到的数据进行校正。

基于上述原因，本实施例提供了一种用于对输出电压进行校正的方法，该校正方法主要要用于对实施例一中的探测器所探测得到的输出电压进行校正，该校正分为两个方面，一方面是多个探测器通道间一致性的校正，另一方面是对多个探测器本身的非线性进行校正，该校正方法主要包括步骤1-步骤6，其中：

步骤1、获取校正曲线。

具体地，对于步骤1而言，其具体可以包括步骤1.1-1.4，其中：

步骤1.1、在设定光强下得到第一探测器的平均基准电压；

步骤1.2、在设定光强下得到若干第二探测器的平均电压；

步骤1.3、根据所述第一探测器的平均基准电压和所述若干第二探测器的平均电压得到若干校正系数；

步骤1.4、根据所述第一探测器的输出电压和所述第二探测器的输出电压得到校正曲线。

在本实施例中，为了保证数据的一致性，本实施例利用均匀光源板照射实施例一中的所有探测器，该均匀光源板为白光LED，因此该均匀光源板在照射实施例一中的所有探测器时，能够保证每个探测器所接收的光强度，因此本实施例通过均匀光源板提供的设定光强下照射人体组织(实验时可以采用仿体)，在通过实施例一的所有探测器探测光信号，因此可以在实施例一中的所有探测器中选择一个探测器作为第一探测器，并将该第一探测器探测到的一系列输出电压采集起来，并求取这些输出电压的平均值作为平均基准电压，另外实施例一中的其他探测器便作为第二探测器，并将第二探测器探测到的一系列输出电压采集起来，并求取每个第二探测器对应的输出电压的平均值作为平均电压，对于每个探测器而言其平均电压与平均基准电压即为该探测器的校正系数，而对于所有第二探测器而言，该校正系数与每个探测器对应的输出电压的乘机即为校正后的输出电压，因此对于第一探测器而言，其平均电压即为其平均基准电压，因此第一探测器对应的校正曲线为其原始曲线，第二探测器的校正曲线为经过校正后的所有输出电压所形成的曲线，该曲线表征的为平均光源板的电流与探测器输出电压之间的关系，例如，请参见图7，图7为采用平均光源板照射图4中的8个探测器所得到的曲线，图8为对图7中的输出电压进行校正后得到的校正曲线。

步骤2、根据校正曲线的第一设定部分得到实际拟合函数。

在本实施例中，校正曲线共包括三个部分，分别为线性递增部分、过渡部分和平行部分，过渡部分即为从线性递增部分结束到平行部分开始的中间部分，该部分的输出电压随着光强强度的增加还在增大，但是时非线性的，平行部分为与x轴平行的部分，即输出电压随着电流的增大达到极限值之后的部分，例如，如图8所示，线性递增部分为0-5mA对应的曲线部分，过渡部分为5-26mA对应的曲线部分，平行部分为26mA-30mA对应的曲线部分。因此，本实施例的第一设定部分即为线性递增部分和过渡部分对应的部分，第一设定部分可以利用matlab曲线拟合的方式得到实际拟合函数，该实际拟合函数可以表示为f1(x)＝a*x^b+c，其中，f1(x)为实际输出电压，x为电流值，a、b和c为系数。

步骤3、根据校正曲线的第二设定部分得到理论拟合函数；

本实施例的第二设定部分即为线性递增部分对应的部分，第二设定部分可以利用matlab曲线拟合的方式得到理论拟合函数，该理论拟合函数可以表示为f2(x)＝p1*x+p2，其中，f2(x)为理论输出电压，x为电流值，p1和p2为系数。

步骤4、根据实施例一所述的扩散光学探头得到实际输出电压。

本实施例利用实施例一所提供的扩散光学探头对人体组织进行探测从而输出实际输出电压。

步骤5、根据实际输出电压和实际拟合函数得到电流值。

在本实施例中，将步骤4所得到的实际输出电压带入至实际拟合函数中，从而可以得到电流值。

步骤6、根据电流值和理论拟合函数得到理论输出电压。

在本实施例中，将步骤5中所得到的电流值带入到理论拟合函数中，从而便可以得到理论输出电压，请参见图9，图9为8个探测器经过一致性校正和SiPM本身的非线性校正之后得到的理论输出电压对应的曲线。

本实施例使用上述提到的校正方法比使用传统匀质仿体校正方法的优点有：1)不需要得到匀质仿体数据，所以不需要制作匀质仿体，节省财力物力；2)减少了实验测量过程中匀质仿体和异质仿体所带来的标定误差，提高了重建结果的准确率；3)在做与人体组织相关的实验时，常常找不到与所检测部位吸收系数等光学参数一致的匀质仿体，导致无法重建图像，使用这种方式校正的话，就用不到匀质仿体，只需要采集到的数据采用上述方法处理即可进行后续重建。

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)

1.一种基于手持式的扩散光学探头，其特征在于，包括沿对称轴对称设置的若干行光源模块和若干行探测模块，相邻两行所述光源模块之间设置有一行所述探测模块，所述光源模块和所述探测模块位于同一电路板上，每行所述光源模块包括若干发光光源，每行所述探测模块包括若干探测器，所述发光光源的总数量和所述探测器的总数量相等，其中，

位于对称轴一侧的相邻的所述光源模块的发光光源的数量和所述探测模块的探测器的数量从第一行所述光源模块至对称位置的方向按照预设数量依次递增。

2.根据权利要求1所述的基于手持式的扩散光学探头，其特征在于，所述发光光源包括多波长发光二极管，且所述多波长发光二极管包括N个不同波长的发光二极管，所述探测器包括硅光电倍增管。

3.根据权利要求2所述的基于手持式的扩散光学探头，其特征在于，还包括若干模拟开关，所有所述多波长发光二极管中的同一波长的发光二极管连接至同一模拟开关的输出端。

4.根据权利要求3所述的基于手持式的扩散光学探头，其特征在于，还包括低频调制模块和电流源，所述低频调制模块连接所述电流源，所述电流源分别连接所述若干模拟开关。

5.根据权利要求2所述的基于手持式的扩散光学探头，其特征在于，还包括采集模块和若干放大器，每个所述硅光电倍增管对应连接一所述放大器的输入端，所有所述放大器的输出端均连接至所述采集模块。

6.根据权利要求5所述的基于手持式的扩散光学探头，其特征在于，所述采集模块包括单片机。

7.根据权利要求2所述的基于手持式的扩散光学探头，其特征在于，在每个所述硅光电倍增管上设置有一透镜，所述硅光电倍增管和所述透镜的总高度等于所述多波长发光二极管的高度。

8.根据权利要求7所述的基于手持式的扩散光学探头，其特征在于，每个所述透镜和每个所述硅光电倍增管上均贴合设置有一相容性材料。

9.一种输出电压校正的方法，其特征在于，包括：

获取校正曲线；

根据所述校正曲线的第一设定部分得到实际拟合函数；

根据所述校正曲线的第二设定部分得到理论拟合函数；

根据权利要求1至8任一项所述的扩散光学探头得到实际输出电压；

根据所述实际输出电压和所述实际拟合函数得到电流值；

根据所述电流值和所述理论拟合函数得到理论输出电压。

10.根据权利要求9所述的输出电压校正的方法，其特征在于，获取校正曲线，包括：

在设定光强下得到第一探测器的平均基准电压；

在所述设定光强下得到若干第二探测器的平均电压；

根据所述第一探测器的平均基准电压和所述若干第二探测器的平均电压得到若干校正系数；

根据所述第一探测器的输出电压和所述第二探测器的输出电压得到校正曲线。

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