CN1131013C - 近红外光医学成像装置的单发射双接收探头 - Google Patents

Abstract

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。包括单路近红外激光发射探头和同时接收该发射探头的出射光的双路光接收探头，三探头安装在同一支架上，还包括分别驱动该支架在x方向和y方向运动的两部控制电机。本发明提出的近红外光医学成像装置的单发射双接收探头，具有可以进行异物的三维定位，分辨率不受探头粗细影响，成本低，调试简单等优点。

Description

近红外光医学成像装置的单发射双接收探头

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，已有的近红外光医学成像装置采用的探头主要有两种：

第一种为单发射单接收探头。发射与接收探头正对，二者的中轴线在同一条直线上，设为z方向。用两部控制电机分别驱动探头在x方向和y方向运动，产生二维投影。或者接收探头与发射探头在被测物体同侧，靠接收反射光信息产生二维图像。单发射单接收探头成本低，因为采用单发射接收探头，探头采样的步距可以根据实际情况任意设定，分辨率基本不受探头粗细的影响，但是控制系统相对复杂且不能进行三维定位，必需要像干板法检测乳腺一样对待测物体进行两次检测，分别为x-y面和x-z面(此时，探头轴线在y方向)，通过两幅图来描述异物的空间位置。

第二种为多发射多接收探头。图1为一种断层成像的多发射多接收探头的分布示意图，可用于断层扫描。图中，虚线以上的探头阵列为发射探头11，虚线以下的探头阵列为接收探头12。发射探头11与接收探头12一一对应，对应探头在同一直线上。所有探头在同一平面内。容器中的待测物体13位于中心。其特点是：在采样过程中整个探头阵列在垂直纸面方向运动，并每隔一段距离采样一次，计算机对每个断面的数据进行处理，重建三维图像。采样时，发射探头阵列中各个探头依次发射，与之相对的接收探头依次接收。采样要求所有探头在同一平面内且均匀分布，同步运动，对机械装置的精密性要求高。由于探头本身占一定空间，相邻探头轴心之间有一定间距，采样的空间间距受探头粗细影响，不像单发射单接收探头步距可以无限小，图像的分辨率因而受到限制。多探头要求多套发射接收电路，成本高，而且多对探头之间存在空间位置和衰减系数的匹配问题。

综上所述，上述的两种探头均存在着一些缺陷。单发射单接收探头不能直接进行三维定位。多发射多接收探头成本高，各路探头之间很难匹配，给数据处理带来很大麻烦。

发明内容

本发明的目的在于为克服已有技术的不足之处，提出一种近红外光医学成像装置的单发射双接收探头，具有可以进行异物的三维定位，分辨率不受探头粗细影响，成本低，调试简单等优点。

本发明提出的一种近红外光医学成像装置的单发射双接收探头，其特征在于包括，单路近红外激光发射探头，同时接收该发射探头的出射光的双路光接收探头，所说的三探头安装在同一支架上，还包括分别驱动该支架在x方向和y方向运动的两部控制电机。

本发明所说的三个探头在同一平面内排成“品”字形，发射探头与两接收探头相对，两接收探头平行、紧邻并相对于发射探头轴线对称。

本发明的工作原理为：两部控制电机分别驱动三探头在x方向和y方向运动。在每一个机械扫描位置，当发射探头发射时，两个接收探头从不同方向接收到红外光，再分别经过与每个接收探头相连的光电倍增管，两路的光强信号转化成电信号，计算机通过采集卡接收并记录此电信号。探头扫过整个待测物体后，计算机就采集了分别来自两个接收探头的两组数据，这两组数据实际上是光源在两个不同方向的投影。理论上，探头之间的相对位置是已知的，据此可判断出产生投影的异物的三维立体位置，进行三维定位。由于采用单发射双接收，匹配问题仅存在于两个接收探头，从而大大简化了调试与数据处理；而且降低了成本。

本发明可以进行异物的三维定位，分辨率不受探头粗细影响，成本低，调试简单。

附图说明：

图1为已有的多发射多接收断层成像探头分布示意图。

图2为本发明的发射及接收探头分布示意图。

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探头实施例结合附图2详细说明如下：

本发明实施例探头采用单发射双接收方式，三个探头在同一平面内排成“品”字形，发射探头21与两接收探头22相对，两接收探头平行、紧邻并相对于发射探头中轴线(z方向)对称。发射和接收探头安装成一整体结构，用两部控制电机(图中未示出)分别驱动探头在x方向和y方向运动。在每一个机械扫描位置，两个接收探头同时接收发射探头发射的光。在本实施例中，采用的探头内芯为直径2mm的光纤丛，每根探头包有塑料外皮，起到保护和隔离环境光的作用，两端是2cm长、直径5mm的金属箍头，两个紧邻的接收探头之间中心距为6mm。发射探头与接收探头间距可以根据被测物体23的厚度进行调整，实际应用中一般为40mm-70mm。

本发明的工作原理为：两部控制电机分别驱动三探头在x方向和y方向运动。在每一个机械扫描位置，当发射探头发射时，两个接收探头从不同方向接收到红外光，再经过与每个接收探头相连的光电倍增管，两路的光强信号分别转化成电信号，计算机通过采集卡接收并记录此电信号。探头扫过整个待测物体后，计算机就采集了分别来自两个接收探头的两组数据，这两组数据实际上是光源在两个不同方向的投影。

由于每次发射探头发光时，其左右两个接收探头分别接收并由计算机记录下透射振幅的大小，一次检测将获得两幅图像，分别记为M_L和M_R。下标L和R指示接收探头与发射探头相对位置，“左”或者“右”。M_L(i，j)表示左侧图的第i行j列元素。无论是对于左侧图M_L或右侧图M_R，当被检组织中包含有吸收异物时，将造成在其投影位置附近的透射振幅减少，在灰度图上将表现为比周围较暗的吸收阴影。

对二维图像做表面拉普拉斯运算，即对相应的矩阵做二次差分可得到：

L(i，j)＝ΔM(i，j)

       ＝M(i+1，j)+M(i-1+j)    (1)

         +M(i，j+1)+M(i，j-1)-4M(i，j)L(i，j)最大值的位置就是吸收中心。

确定了左、右侧投影图上的吸收中心后，我们可以利用最可几路径对异物的中心进行三维定位。令左侧图给出的凹面特征集共有m个，分别记为L_i(i＝1，2，......，m)；右侧图给出的凹面特征集有n个，分别记为R_j，(j＝1，2，......，n)。则以下程序用于异物的三维定位：

1)根据组织厚度和光源-探测器的相对位置反推组织的背景光学参数，并计算出最可几漫射路径。

2)从凹面特征集中分别取出L_i和R_j，比较它们的相应数值，如果满足以下条件则称它们是相符的，对应同一个吸收体：

A、二者的中心Y坐标应一致。考虑到步进距离和噪声带来的误差，可以容许的范围是|Y_Li-Y_Rj|≤step。其中step是探头的步进距离。

B、二者的中心X坐标差值应在规定的范围内，即X_Li≥X_Rj，以及X_Li-X_Rj≤d。其中d是相邻接收导光束之间的距离。

C、二者的深度之比应足够接近1。令H_Li、H_Rj分别是L_i和R_j中的深度值，则应该有 $\left|\ln \frac{H_{\mathrm{Li}}}{H_{\mathrm{Rj}}}\right|\≤\mathrm{\ϵ},$ 其中ε是预先设置的大于0的一个小的正实数。D、二者的周长之比应足够接近1。令P_Li、P_Rj分别是L_i和R_j中的周长值，则应该有 $\left|\ln \frac{P_{\mathrm{Li}}}{P_{\mathrm{Rj}}}\right|\≤\mathrm{\δ},$ 其中δ是预先设置的大于0的一个小的正实数。

满足以上条件的凹面特征集被组合成一个匹配对。重复以上过程直到所有可能的组合都被检验过。每一个匹配对对应一个吸收体。

1)计算吸收体中心的平面坐标。由于发射探头到两接收探头的距离是相等的，且发射探头和接收探头处于同一竖直平面上，平面坐标的计算只是简单的平均： $X=\frac{X_L+X_R}{2}----\left(2\right)$ $Y=\frac{Y_L+Y_R}{2}$

  其中(X_L，Y_L)(X_R，Y_R)分别是匹配对中左、右侧图的吸收中心。

2)计算吸收体中心的深度坐标。令Z＝f(ΔX)是左侧检测器到光源的最可几漫射路径，其中ΔX为离检测器的距离。那么异物中心的深度坐标应该是： $Z=Z_0-f\left(\frac{X_L-X_R}{2}\right)----\left(3\right)$

其中Z₀是组织厚度。以上为本实施例对异物进行三维定位的算法。

Claims (1)

1、一种近红外光医学成像装置的发射接收探头，其特征在于包括，单路近红外激光发射探头，同时接收该发射探头的出射光的双路光接收探头，所说的三探头安装在同一支架上，还包括分别驱动该支架在x方向和y方向运动的两部控制电机；所说的三个探头在同一平面内排成“品”字形，发射探头与两接收探头相对，两接收探头平行、紧邻并相对于发射探头轴心对称。

Images