CN114098652A - 用于近红外脑功能成像的高压偏置电压补偿方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于近红外脑功能成像的高压偏置电压补偿方法及系统，所述方法包括：在控制端配置高压偏置电源，所述高压偏置电源并联连接多路光接收电路，每一路光接收电路均配置有APD模块和可调分压模块；调节光接收电路中的可调分压模块，通过所述可调分压模块校准APD模块的偏置电压；获取APD模块中APD管的温度、放大增益、偏置电压关系曲线；获取光接收电路传送的电压信号及温度数据，根据所述函数关系结合温度数据及校准后的偏置电压，确定放大增益，并通过所述放大增益对接收的电压信号进行补偿。本发明解决了接收探头内APD易受温度影响而导致检测信号不准的问题。
Description
技术领域
本发明涉及医学影像技术领域，具体涉及一种用于近红外脑功能成像的高压偏置电压补偿方法及系统。
背景技术
雪崩光电二极管APD的内部增益对温度很敏感，随着环境温度发生变化，雪崩光电二极管APD的增益会发生温度漂移现象，引起测量精度的恶化。当雪崩光电二极管APD温度升高时，由热激发所产生的载流子数目也将增加，这部分载流子同样获得雪崩增益，但这些载流子将消耗很大一部分场强，使得P-N结上的场强降低，从而使雪崩光电二极管APD的增益降低；反之当雪崩光电二极管APD的温度降低时，其增益将增加。
在近红外脑功能成像系统中，雪崩光电二极管APD被广泛的应用于红外光信号检测，在使用过程中，需要有技术方法保持雪崩光电二极管APD的增益不变。而雪崩光电二极管APD独特的物理特性决定了其需要一个高压偏置电源，该高压偏置电压能够随着温度的改变而随之改变，使雪崩光电二极管APD始终工作在一个线性的放大区域。
公开号CN203732166U的中国专利于2014年7月23日公开了一种APD温度自适应近红外单光子探测装置，包括雪崩光电二极管APD、直流偏压温度跟随电路、直流偏压保护电路、信号放大输出电路、DC-DC高压模块和外壳；直流偏压温度跟随电路、直流偏压保护电路与DC-DC高压模块输入端连接；雪崩光电二极管APD的阴极通过电阻R1与DC-DC高压模块输出端连接；雪崩光电二极管APD的阳极与信号放大输出电路连接；雪崩光电二极管APD的阳极通过负载电阻R2接地；直流偏压温度跟随电路、直流偏压保护电路、信号放大输出电路、DC-DC高压模块安装在外壳的内腔；雪崩光电二极管APD嵌入外壳的前端。
上述专利可通过直流偏压温度跟随电路，保证温度变化时APD增益的稳定。但对于具有多路APD并联的近红外脑功能成像系统，难以对各路采集信号进行独立补偿，不适用于近红外脑功能成像领域的光信号检测。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种用于近红外脑功能成像的高压偏置电压补偿方法及系统，用以解决接收探头内APD易受温度影响而导致检测信号不准的问题。
根据本发明说明书的一方面，提供一种用于近红外脑功能成像的高压偏置电压补偿方法，所述方法包括：
在控制端配置高压偏置电源，所述高压偏置电源并联连接多路光接收电路，每一路光接收电路均配置有APD模块和可调分压模块；
调节光接收电路中的可调分压模块，通过所述可调分压模块校准APD模块的偏置电压；
获取APD模块中APD管的温度、放大增益、偏置电压关系曲线；
获取光接收电路传送的电压信号及温度数据，根据所述函数关系结合温度数据及校准后的偏置电压，确定放大增益，并通过所述放大增益对接收的电压信号进行补偿。
上述技术方案中，通过控制端配置的高压偏置电源并联多路光接收电路中的APD管并使其正常工作，通过在每一路并联的APD管电路中加入可调分压模块，来调节每路APD管的偏置电压，实现对多路光接收电路中APD管的统一校准；在校准每路APD管的偏置电压后，通过取点测量的方式获取不同工作环境温度下APD管的放大增益，并形成温度、放大增益、偏置电压三者的关系曲线；依据该关系曲线和APD管的实时温度能够确定APD管的实时放大增益，并通过该实时放大增益对其当前的光接收信号进行校准补偿。
上述技术方案实现了多路光接收电路中APD管的统一校准，实现了每路光接收信号的独立校准补偿，解决了因APD管温度影响造成其放大增益非线性变化、进而导致检测信号不准的问题。
作为进一步的技术方案，所述方法进一步包括：以取点测量的方式确定不同的环境温度测量点，在不同偏置电压下记录不同环境温度测量点对应的APD管放大增益，获得各路光接收电路中不同APD管的温度、放大增益、偏置电压关系曲线。
上述技术方案对于APD管在不同偏置电压、不同环境温度的放大增益进行测量记录，并形成不同偏置电压下的温度-放大增益关系曲线，以便于依据该关系曲线获取APD管在不同偏置电压、不同环境温度下的放大增益，进而基于该放大增益进行信号校准补偿，保证信号的一致性。
作为进一步的技术方案，所述方法进一步包括：将光接收电路中接收探头的环境温度调至预设温度，通过调整偏置电压来确定一个基准放大增益，然后以预设温度为中心确定多个环境温度测量点，并记录每个环境温度测量点对应的放大增益。
上述技术方案设定预设温度，先确定该预设温度点对应的基准放大增益，并将该基准放大增益对应的偏置电压作为后续测量的偏置电压，在确定偏置电压后，以预设温度为中心，向两端延伸获取多个环境温度测量点，并分别记录每个环境温度测量点对应的放大增益，形成同一偏置电压下的温度-放大增益曲线。
作为进一步的技术方案，所述预设温度为30℃，多个所述环境温度测量点的取点范围为-10℃-40℃。该技术方案考虑近红外脑功能成像系统的接收探头所使用的APD管实际工作情况，设置预设温度及取点温度范围，使最终得到的一定偏置电压下温度-放大增益曲线更贴近APD管的实际情况。
作为进一步的技术方案，所述可调分压模块包括可调电阻，通过调节可调电阻的阻值大小来确定APD管的偏置电压。该技术方案的电路结构简单，且调节方便，通过控制端改变电阻阻值可直接实现偏置电压的调整，便于实际使用操作，对于不具有偏置电压数字补偿专业知识的近红外脑功能系统操作人员，也可通过简单的数值变化实现偏置电压的调整，更有利于应用推广。
作为进一步的技术方案，所述系统的控制端配置有控制组件，所述控制组件与接收探头电连接；所述接收探头内集成有温度传感器，所述温度传感器与控制组件电连接。该技术方案可实时获取接收探头内APD管的工作温度并传送至控制端，由控制组件基于该温度并结合一定偏置电压下的温度-放大增益曲线获取该APD管的实时放大增益，并基于该实时放大增益对该路光接收信号进行校准补偿。
作为进一步的技术方案，所述控制组件内配置有ADC模块，所述ADC模块在接收到光接收电路传来的电压信号后，通过乘以该光接收电路中APD管对应的放大增益，对接收的电压信号进行校准补偿。该技术方案的ACD模块首先对光接收信号进行采样，获取光接收信号，然后根据该路光接收电路中APD管的实时放大增益对该光接收信号进行补偿校准，从而得到真实的原始脑血流信号，提高检测精度。
根据本发明说明书的一方面，提供一种用于近红外脑功能成像的高压偏置电压补偿系统，所述系统包括控制组件，所述控制组件内配置有ADC模块和高压偏置电源，所述高压偏置电源并联接入多路光接收电路，每一光接收电路均配置有APD模块和可调分压模块，所述可调分压模块与控制组件相连，用于根据控制组件的控制来调节APD模块中APD管的偏置电压；所述控制组件还连接有温度传感器，所述温度传感器用于获取APD管的实时温度；所述控制组件在通过ADC模块进行光接收信号采样后，通过预先存储的温度、放大增益、偏置电压关系曲线对光接收信号进行校准补偿。
上述技术方案在控制端配置高压偏置电源，且通过该高压偏置电源同时并联连接多路APD管，并通过每路APD管配置的可调分压模块实现每路APD管偏置电压的调整；同时，在接收探头端还配置温度传感器，用于获取APD管的实时工作温度，一方面便于在测试前通过调整偏置电压获取APD管在不同工作温度下对应的放大增益，建立温度、放大增益、偏置电压关系曲线，另一方面便于在测试时，通过获取APD管的实时工作温度结合该关系曲线，得到APD管的实时放大增益，进而通过该实时放大增益对光接收信号进行校准补偿，提高检测精度，解决因APD管放大增益非线性导致的信号失真问题。
作为进一步的技术方案，所述控制组件内配置有存储器，用于存储每路光接收电路中APD管的温度、放大增益、偏置电压关系曲线，并在ADC模块进行光接收信号采样后，调用存储的与当前光接收信号相对应的APD管函数关系，对当前光接收信号进行校准补偿。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明提供一种方法，该方法通过控制端配置的高压偏置电源并联多路光接收电路中的APD管并使其正常工作，通过在每一路并联的APD管电路中加入可调分压模块，来调节每路APD管的偏置电压，实现对多路光接收电路中APD管的统一校准；在校准每路APD管的偏置电压后，通过取点测量的方式获取不同工作环境温度下APD管的放大增益，并形成温度、放大增益、偏置电压三者的关系曲线；依据该关系曲线和APD管的实时温度能够确定APD管的实时放大增益，并通过该实时放大增益对其当前的光接收信号进行校准补偿，实现了多路光接收电路中APD管的统一校准，实现了每路光接收信号的独立校准补偿，解决了因APD管温度影响造成其放大增益非线性变化、进而导致检测信号不准的问题。
本发明提供一种系统，该系统在控制端配置高压偏置电源，且通过该高压偏置电源同时并联连接多路APD管，并通过每路APD管配置的可调分压模块实现每路APD管偏置电压的调整；同时，在接收探头端还配置温度传感器，用于获取APD管的实时工作温度，一方面便于在测试前通过调整偏置电压获取APD管在不同工作温度下对应的放大增益，建立温度、放大增益、偏置电压关系曲线，另一方面便于在测试时，通过获取APD管的实时工作温度结合该关系曲线，得到APD管的实时放大增益，进而通过该实时放大增益对光接收信号进行校准补偿，提高检测精度，解决因APD管放大增益非线性导致的信号失真问题。
附图说明
图1为根据本发明实施例的用于近红外脑功能成像的高压偏置电压补偿方法的流程示意图；
图2为根据本发明实施例的用于近红外脑功能成像的高压偏置电压补偿系统的示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述发实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
根据本发明说明书的一方面，提供一种用于近红外脑功能成像的高压偏置电压补偿方法，该方法实现了多路光接收电路中APD管的统一校准，实现了每路光接收信号的独立校准补偿，解决了因APD管温度影响造成其放大增益非线性变化、进而导致检测信号不准的问题。
如图1所示，所述方法包括：
步骤1，结构配置：在控制端配置高压偏置电源，所述高压偏置电源并联连接多路光接收电路，每一路光接收电路均配置有APD模块和可调分压模块。
所述可调分压模块包括可调电阻，通过调节可调电阻的阻值大小来确定APD管的偏置电压。可调分压模块放在控制板上，上面放多个贴片电位器作为可调电阻，方便对多路APD的偏置电压调节。通过控制端改变电阻阻值可直接实现偏置电压的调整，便于实际使用操作，对于不具有偏置电压数字补偿专业知识的近红外脑功能系统操作人员，也可通过简单的数值变化实现偏置电压的调整，更有利于应用推广。
所述系统的控制端配置有控制组件，所述控制组件与接收探头电连接；所述接收探头内集成有温度传感器，所述温度传感器与控制组件电连接。本发明可实时获取接收探头内APD管的工作温度并传送至控制端，由控制组件基于该温度并结合一定偏置电压下的温度-放大增益曲线获取该APD管的实时放大增益，并基于该实时放大增益对该路光接收信号进行校准补偿。
所述控制组件内配置有ADC模块，所述ADC模块在接收到光接收电路传来的电压信号后，通过乘以该光接收电路中APD管对应的放大增益，对接收的电压信号进行校准补偿。ACD模块首先对光接收信号进行采样，获取光接收信号，然后根据该路光接收电路中APD管的实时放大增益对该光接收信号进行补偿校准，从而得到真实的原始脑血流信号，提高检测精度。
步骤2，确定偏置电压：调节光接收电路中的可调分压模块，通过所述可调分压模块校准APD模块的偏置电压。
步骤3，获取关系曲线：获取APD模块中APD管的温度、放大增益、偏置电压关系曲线。在确定偏置电压后，可在该偏置电压下取多组温度测量点进行测量，获取对应的放大增益，进而绘制出该偏置电压下的温度-放大增益曲线。
作为一种实施方式，以取点测量的方式确定不同的环境温度测量点，在不同偏置电压下记录不同环境温度测量点对应的APD管放大增益，获得各路光接收电路中不同APD管的温度、放大增益、偏置电压关系曲线，然后从这些关系曲线中选择目标偏置电压所对应的关系曲线。对于APD管在不同偏置电压、不同环境温度的放大增益进行测量记录，并形成不同偏置电压下的温度-放大增益关系曲线，以便于依据该关系曲线获取APD管在不同偏置电压、不同环境温度下的放大增益，进而基于该放大增益进行信号校准补偿，保证信号的一致性。
作为一种实施方式，将光接收电路中接收探头的环境温度调至预设温度，通过调整偏置电压来确定一个基准放大增益，然后以预设温度为中心确定多个环境温度测量点，并记录每个环境温度测量点对应的放大增益。这里先设定预设温度，确定该预设温度点对应的基准放大增益，并将该基准放大增益对应的偏置电压作为后续测量的偏置电压，在确定偏置电压后，以预设温度为中心，向两端延伸获取多个环境温度测量点，并分别记录每个环境温度测量点对应的放大增益，形成同一偏置电压下的温度-放大增益曲线。
优选地，考虑近红外脑功能成像系统的接收探头所使用的APD管实际工作情况，设置所述预设温度为30℃，多个所述环境温度测量点的取点范围为-10℃-40℃，使最终得到的一定偏置电压下温度-放大增益曲线更贴近APD管的实际情况。
步骤4，放大增益补偿：获取光接收电路传送的电压信号及温度数据，根据所述函数关系结合温度数据及校准后的偏置电压，确定放大增益，并通过所述放大增益对接收的电压信号进行补偿。
根据本发明说明书的一方面，提供一种用于近红外脑功能成像的高压偏置电压补偿系统，如图2所示，所述系统包括控制组件，所述控制组件内配置有ADC模块和高压偏置电源，所述高压偏置电源并联接入多路光接收电路，每一光接收电路均配置有APD模块和可调分压模块，所述可调分压模块与控制组件相连，用于根据控制组件的控制来调节APD模块中APD管的偏置电压；所述控制组件还连接有温度传感器，所述温度传感器用于获取APD管的实时温度；所述控制组件在通过ADC模块进行光接收信号采样后，通过预先存储的温度、放大增益、偏置电压关系曲线对光接收信号进行校准补偿。
所述控制组件内配置有存储器，用于存储每路光接收电路中APD管的温度、放大增益、偏置电压关系曲线，并在ADC模块进行光接收信号采样后，调用存储的与当前光接收信号相对应的APD管函数关系，对当前光接收信号进行校准补偿。
本发明系统在控制端配置高压偏置电源，且通过该高压偏置电源同时并联连接多路APD管，并通过每路APD管配置的可调分压模块实现每路APD管偏置电压的调整；同时，在接收探头端还配置温度传感器，用于获取APD管的实时工作温度，一方面便于在测试前通过调整偏置电压获取APD管在不同工作温度下对应的放大增益，建立温度、放大增益、偏置电压关系曲线，另一方面便于在测试时，通过获取APD管的实时工作温度结合该关系曲线，得到APD管的实时放大增益，进而通过该实时放大增益对光接收信号进行校准补偿，提高检测精度，解决因APD管放大增益非线性导致的信号失真问题。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“某些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式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方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。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方式或示例中以合适的方式结合。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案。
Claims (9)
1.用于近红外脑功能成像的高压偏置电压补偿方法，其特征在于，所述方法包括：
在控制端配置高压偏置电源，所述高压偏置电源并联连接多路光接收电路，每一路光接收电路均配置有APD模块和可调分压模块；
调节光接收电路中的可调分压模块，通过所述可调分压模块校准APD模块的偏置电压；
获取APD模块中APD管的温度、放大增益、偏置电压关系曲线；
获取光接收电路传送的电压信号及温度数据，根据所述函数关系结合温度数据及校准后的偏置电压，确定放大增益，并通过所述放大增益对接收的电压信号进行补偿。
2.根据权利要求1所述用于近红外脑功能成像的高压偏置电压补偿方法，其特征在于，所述方法进一步包括：以取点测量的方式确定不同的环境温度测量点，在不同偏置电压下记录不同环境温度测量点对应的APD管放大增益，获得各路光接收电路中不同APD管的温度、放大增益、偏置电压关系曲线。
3.根据权利要求2所述用于近红外脑功能成像的高压偏置电压补偿方法，其特征在于，所述方法进一步包括：将光接收电路中接收探头的环境温度调至预设温度，通过调整偏置电压来确定一个基准放大增益，然后以预设温度为中心确定多个环境温度测量点，并记录每个环境温度测量点对应的放大增益。
4.根据权利要求3所述用于近红外脑功能成像的高压偏置电压补偿方法，其特征在于，所述预设温度为30℃，多个所述环境温度测量点的取点范围为-10℃-40℃。
5.根据权利要求1所述用于近红外脑功能成像的高压偏置电压补偿方法，其特征在于，所述可调分压模块包括可调电阻，通过调节可调电阻的阻值大小来确定APD管的偏置电压。
6.根据权利要求1所述用于近红外脑功能成像的高压偏置电压补偿方法，其特征在于，所述系统的控制端配置有控制组件，所述控制组件与接收探头电连接；所述接收探头内集成有温度传感器，所述温度传感器与控制组件电连接。
7.根据权利要求1所述用于近红外脑功能成像的高压偏置电压补偿方法，其特征在于，所述控制组件内配置有ADC模块，所述ADC模块在接收到光接收电路传来的电压信号后，通过乘以该光接收电路中APD管对应的放大增益，对接收的电压信号进行校准补偿。
8.用于近红外脑功能成像的高压偏置电压补偿系统，其特征在于，所述系统包括控制组件，所述控制组件内配置有ADC模块和高压偏置电源，所述高压偏置电源并联接入多路光接收电路，每一光接收电路均配置有APD模块和可调分压模块，所述可调分压模块与控制组件相连，用于根据控制组件的控制来调节APD模块中APD管的偏置电压；所述控制组件还连接有温度传感器，所述温度传感器用于获取APD管的实时温度；所述控制组件在通过ADC模块进行光接收信号采样后，通过预先存储的温度、放大增益、偏置电压关系曲线对光接收信号进行校准补偿。
9.根据权利要求8所述用于近红外脑功能成像的高压偏置电压补偿系统，其特征在于，所述控制组件内配置有存储器，用于存储每路光接收电路中APD管的温度、放大增益、偏置电压关系曲线，并在ADC模块进行光接收信号采样后，调用存储的与当前光接收信号相对应的APD管函数关系，对当前光接收信号进行校准补偿。
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|---|---|---|---|---|
| KR101448393B1 (ko) * | 2013-06-27 | 2014-10-08 | 단국대학교 천안캠퍼스 산학협력단 | 의료용 레이저 수신단의 apd 이득 안정화 방법 |
| CN106033225A (zh) * | 2015-03-16 | 2016-10-19 | 苏州旭创科技有限公司 | 低功耗apd偏压控制器与偏压控制方法及光电接收器 |
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| CN110596681A (zh) * | 2019-10-21 | 2019-12-20 | 苏州玖物互通智能科技有限公司 | 基于fpga芯片的电压式闭环随温调节系统 |
-
2021
- 2021-12-22 CN CN202111583611.XA patent/CN114098652A/zh active Pending
Patent Citations (4)
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