CN1149956C

CN1149956C - 诊断断层照相术激光成象装置

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Publication number: CN1149956C
Application number: CNB95197940XA
Authority: CN
Inventors: J; 里查德J·格拉布尔
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-06-07
Filing date: 1995-07-10
Publication date: 2004-05-19
Anticipated expiration: 2015-07-10
Also published as: ATE325576T1; CA2223606C; CA2223606A1; AU712849B2; AU2999895A; DE69532304D1; US5692511A; DE69532304T2; DE69534988T2; EP0837649A1; DE69534988D1; JP2001520529A; WO1996039935A1; MX9709830A; EP0837649A4; EP0837649B1; EP1389441B1; ATE255847T1; EP1389441A1; CN1193898A

Abstract

一个激光成像装置(R)包括一个用于以正面向下的卧姿支承女性病人的台架(16)，该台架包括一个孔(20)，使病人的乳房能在台架的表面之下垂直的悬垂；扫描机构，包括一个靠近台架下侧的多面镜(38)，该镜围绕其自身的轴转动并沿围绕悬垂的乳房的轨道运动；一个相干近红外窄光脉冲源可操作地照射多面镜，把光脉冲从与台架隔开的位置照射到多面镜的面上的多个光学反射镜，以便按一系列的水平扇形光束通过悬垂在台架下面的乳房反射；可操作地配置的光检测器(40)，用于检测通过乳房后的光脉冲；用于获得正比于所接收的脉冲的强度的电压的电路，和编程的计算机(10)，用于存储和显示由电压获得的在乳房中的组织的像。

Description

诊断断层照相术激光成象装置

发明背景

本发明涉及诊断医学成象装置，更特殊地，涉及使用近红外脉冲激光作为辐射源的乳房照相术的机器。

乳房的癌症是美国妇女中的主要死亡原因。这种疾病的有效治疗紧接早期恶性肿瘤检测很容易完成。正在进行的主要工作是提供大量作为乳房肿瘤症状的人的筛选。这种筛选将要求很复杂的自动化设备。以可靠地完成检测过程。

现有的X射线摄影法的X射线吸收密度分辨率不足以提供可靠的恶性乳房肿瘤的早期检测。研究已经表明，对于大小超过1cm的乳房肿瘤，其转移的可能性急剧地增加。这种大小的肿瘤在被检测的乳房照片上很少产生足够的对比。为在照相乳房照片上产生可检测的对比，大小为2～3cm是需要的。用于已有技术的乳房照相术中的肿瘤推断检测的钙沉积看起来也与大的尺寸的肿瘤有关。由于这些原因，摄影乳房照相术在这种情况下的检测已无效了。

今天用于诊所和医院的大多数乳房照相设备需要采用乳房压缩技术，该技术至少是不舒服的，且在更多情况下，患者是疼痛的。此外，X射线构成离子化辐射，该辐射作为现已广泛使用的乳房摄影技术引入了进一步伤害因素。

也有提议用超声的，如美国专利US-4,075,883，它要求把乳房浸在充填液体的扫描室内。美国专利US-3,973,126也要求把乳房浸在用于X射线扫描技术的充填液体的腔内。

发明目的和概述

本发明的目的在于提供一种使用与超快激光耦合的光和/或近红外光的成象装置，该装置克服已有技术的X射线设备的缺陷。

本发明的另一个目的在于提供一种乳房照相术装置，其中，患者卧在面向下的位置，把妇女的乳房置于扫描室内，按这种方式，以取得远离胸部的最大的组织量，由此，提供了最大的暴露区域，且没有压缩乳房。

本发明还有一个目的在于提供一种激光成象装置，该装置与低泄漏精密积分器耦合的雪崩光电二极管使用作为灵敏的检测系统。

本发明的另一个目的在于提供一种采用多路复用技术的激光成象装置，以便有效的获取扫描数据。

本发明还有一个目的在于提供一种使用飞秒脉宽的近红外激光脉冲的激光成象装置。

本发明的乳房照相装置包括一个由气体激光器泵浦的固体激光器发出的近红外波长的，非常短的脉冲形式的非离子化辐射源。病人面向下卧在一个水平框架上，其一个乳房穿过在框架内的一个开口，自由地悬垂在扫描室内。一个光学系统把激光脉冲转换成水平扇形光束，该光束穿过乳房组织。在乳房最接近患者人体的部分处开始对其在整个360°范围内扫描。然后垂直向下地步进扫描，并在每次垂直步进时重复扫描，直到完成对整个乳房的全部扫描。这些光脉冲在通过乳房组织后被检测，并转换成电信号，然后记录和/或显示，以提供正常和不正常的乳房组织的象。

本发明的这些和其它目的从下面的详细说明将会更加清楚。

附图简述

图1是本发明的透视图，说明病人的支承框架和操作者的控制台；

图2是图1的病人支承框架部分的部分侧视图，说明乳房照片研究时病人的体位，其一个乳房是位于扫描室内；

图3A是扫描室部分的侧视图；

图3B是图3A的扫描室的示意图；

图4是围绕病人乳房的扫描室的顶视图；

图5是图4的扫描室的最上面部分的部分透视图；

图6是用于带有扫描装置部分的可转动板的支承台的放大图；

图7是用于本发明的光电检测器列阵的示意透视图；

图8A和图8B是用于本发明的检测器电路的示意图；

图9是用于本发明的电系统的功能方框图；

图10是在图9中所示的检测器电子和多路复用器的功能方框图；

图11是带有旋转多面镜的旋转板的示意顶视图，表示在旋转板的4000个位置之一处由旋转多面镜所产生的扇形激光束；

图12是用于本发明的数据采集的流程图；

图13是用于本发明的数据重建的流程图；

图14是使用本发明的女性乳房成象的一个例子；

图15是箝位和时闸开关电路的示意电路图；

图16是用于本发明的激光脉冲拾取电路的示意电路图；

图17A是用于向图15的箝位和时闸开关电路提供输出的箝位控制电路的功能性方框图；

图17B是典型的光电检测器的响应曲线，表示在数据采集期间在曲线的前沿处取得的测量值；

图18A表示激光脉冲链；

图18B表示雪崩光电二极管检测器对图18A的脉冲链的响应曲线；

图18C是类似于图18B的响应曲线，说明比较器阈值电平的选择；

图18D表示基于图18C的比较器阈值电平的脉冲链；

图19表示雪崩光电二极管检测器对经过空气散弹(air-shot)的激光脉冲链的响应曲线；

图20表示雪崩光电二极管检测器对进入介质(如乳房组织)的激光脉冲链的响应曲线；

图21是用于计算激光脉冲到达时间的距离示意图；

图22是用于本发明的轨道板的支承结构的另一个实施例的透视图；

图23用于下降或提升图22所示支承板的部分断开的驱动机构的透视图；

图24是轨道板安装就位的图22的支承板的剖面图；

图25是用于图22的支承结构的部分断开的轨道板的透视图，说明用于本发明的光学部件的配置；

图26A说明光子通过组织的示意图，说明弹道、类似于锯齿的或散射的光子通过组织的所取得的路径；

图26B是典型的雪崩光电检测器的响应曲线，说明分别由弹道、类似于锯齿的和散射的光子进入组织之后所产生的部分；

图27A示意地示出在自由空间中在检测器处激光束到达的时间；

图27B示意地示出当通过组织时在检测器处的激光束到达时间；

图28是说明由检流计驱动的以便激光束横过扫描圆扫描的振动镜。

本发明的详细描述

参照图1和图2，按照本发明的装置R包括以标号10标注的含监视器12和14的操作人员的控制台。病人支承平台16覆盖在装有本发明电子和光学部分的机壳18上。平台16上有一个孔20，该孔使病人的一个乳房15能通过该孔定位并悬挂在扫描室22内。由氩离子泵浦微光器21和钛：蓝宝石激光器23产生的激光束用于扫描在扫描室22内的病人的乳房。

现在详细说明扫描室22内的扫描机构。参照图3A，4、5和6，在平台16的孔20下面紧接着装有一个顶端开口的箱形件24，其内装有具与孔20的中心对准的垂直轴的扫描室22，一块用于旋转的支承在扫描室22内的轴承28和30上的环形板26(图6)，该板使它能围绕扫描室22的内壁步进地或按分度转动。用于产生这种转动的按分度转动的驱动机构在图4中以标号32标注。

固定到环形或轨道板26上的环形齿条33与驱动机构32共同操作，以便按分度转动轨道26，正如在图4中所示的。

整个扫描室22可以通过多根细长的带螺纹的驱动杆34从图3A所示的最上面的位置向下垂直移动，所述的驱动杆34可操作地在支点36和螺帽37处固定到箱形件24上。驱动电机39可操作地通过已有技术的装置，如图3A所示的通过皮带/皮带轮装置41连接到螺杆34上。螺杆34的转动有效地使扫描器22下降或上升。驱动电机39通过标准件，如托架，牢固地固定在箱形件24上，且电机39由电机43控制。

现在回到装置R的光学部分，环形板26在其上表面带有一个多面镜，如图3、4和5所示。多面镜38可围绕其垂直轴转动。光电检测器阵列40的环45支承在扫描室22的上表面上，并且当它按由板26的旋转所形成轨道轨迹移动时，所述的光电检测器阵列40的环45围绕多面镜38的活动轨迹。阵列40固定在扫描室内并相对于该腔是静止的。环45优选的是与多面镜38的轨道轨迹同心。

步进电机39用于转动螺杆34，以便顺着每个完整的多面镜38的轨道运动通过连续的增量或薄片(slice)使扫描室22垂直向下运动，以便使病人的乳房部分连续地暴露于脉冲的激光辐射之下，直到整个乳房都已受到照射。

用于对乳房扫描提供辐射的激光器23和21如图2所示装在机壳18内。由固体激光器发出的相干脉冲光由激光器经一系列的反射镜和棱镜射向多面镜38。转动的多面镜有利于通过不使光束扩散和保持投射的激光束和各个检测器62之间的准直来保持激光束强度。反射镜46把入射的激光束44反射到反射镜48，再把入射的光束入射到多个楔形棱镜50，该多个楔形棱镜以一个适当的角度使光束偏转并使它通过轨道板26的孔52。两个装在板26上的附加反射镜54和56再把光束引入转动的多面镜38。该多面镜对其每一个轨道位置产生一个扇形光束55，如图4和图5所示。搁板35由板26支承，并支承楔形棱镜50。搁板35随板26转动，这样，楔形棱镜50总是以相同的方式相对于板26对准，当板26转动时。

参照图3B，用于产生扇形光束55的多面镜38的转动速度由系统的电子部分51控制并保持恒速。中空的滑动环装置53用于把电信号传给多面镜驱动电机控制器59。当多面镜38正在其壳体内转动时，整个多面镜装置在检测器阵列40的环45内的轨道上转动，多面镜装置的轨道(运行)速度(不是镜本身的转动速度)是由驱动电机32和它的电机控制器控制。多面镜装置的轨道位置是通过使用本地检测器57和装在驱动电机32上的转动编码器确定。本地编码器提供一个固定的参考点，它与转动编码器相结合用于确定多面镜装置38的位置。由此，对于在多面镜装置38的轨道上的每个位置，确定了随激光束55的扇形摆动的检测器环内的检测器62。

在波长为800到900纳米(nm)范围内的近红外幅射的飞秒宽度脉冲(约106fs宽)由钛：蓝宝石锁模激光器23产生，其平均激光功率其重复率大约为76.5兆周(MHz)时在750毫瓦(mw)范围内。在每个激光脉冲中含的能量大约为9.9纳焦耳(nj)，峰值脉冲功率在67千瓦(kw)范围内。钛：蓝宝石激光由使用全部谱线的7瓦氩离子激光器21泵浦。

通过以极高的速度转动多面镜38，例如在6000RPM量级，产生扇形光束55，而扇形的宽度是这样的，即使得大约25％的光电二极管检测器阵列40在每个板26的转动分度位置上受到照射。优选的是多面镜38在360°的圆周范围内分成4000个位置。因此，当扫描室由驱动电机39向下分度时，该扫描图形以连续的垂直地向下位置或板的薄片重复。

激光束检测器阵列40如图3、4和图5所示是在扫描室22的顶部表面上的环45上并围绕悬垂的乳房定位。每个阵列40包括多个雪崩光电二极管62(见图7)。光电二极管62的数目决定了当激光束扇面55扫描通过乳房时可以检测到的激光扇形光束投射的数目。

每个阵列40的检测器62配置在基底64上，阵列40是作为围绕轨道板26的圆的弦定位，如图4所示。每个阵列40具有25个雪崩光电二极管检测器62。由24个检测器阵列40构成激光束检测器环，共有600个雪崩光电二极管检测器。

每个光电二极管62连接一个检测器电路69，如图8A所示。雪崩光电二极管62是反向偏置的，以对所检测的信号进行放大。每个反向偏置的检测器62是作为电流源使用，其电流量作为落在每个检测器62上的激光的光子66的数目的函数确定。到达每个检测器62的光子的数目跨越从光子未受到乳房组织阻挡的无衰减到光子通过乳房并实际上由乳房出射的明显衰减的广阔的动态范围。电流限制串联电阻68用于控制流过检测器62的电流，并避免了可能导致检测器62损坏的无衰减激光束产生的过电流。适当大小的去耦电容器70用于存储电荷，以提供当检测器62响应快速上升的光子密度的脉冲时所需的能量。

在每个阵列40中的由每个检测器62产生的电流如图8A或8B所示由运算放大器电路72或者由电子积分器73开与断。运算放大器电路72用于将电流转换成电压，以在输出端74产生正比于由每个检测器62产生的输入电流的直流电压。由此，所产生的DC电压可以表示落在每个检测器62上的激光束的强度。

快速肖特基二极管76对于每个检测器62提供了开关。肖特基二极管76通过在接点77连接的箝位电路接通或断开。

为控制每个检测器62的输出所需要的检测器电路69和若干个控制电路称之为检测器电子线路82，如图9所示。检测器电子线路82的输出馈入多路复用器84，然后，该复用器的输出馈入模数转换器86，转换器86的输出送入计算机88。由检测器电子线路82采集的数据通过计算机用于通过下面将要说明的由计算断层照相术理论推导出来的重建运算产生被扫描乳房的像。数字化的切片数据由计算机用重建运算转换成像，然后以单色的或伪彩色在监视器上显示。原始切片数据和成象数据可以存储在硬驱动器92或其它使用软盘驱动器94，磁带驱动器96或CD-ROM驱动器98的储存媒质内。

参照图10，检测器电子线路82包括由箝位和时闸开关电路102控制的检测器电路69，而箝位和时闸开关电路则由箝位控制电路104控制。箝位控制电路104通过计算机88和脉冲拾取电路106对锁模钛：蓝宝石激光器23的输出脉冲同步。对于由通过乳房的激光扇形光束55激发的各个检测器，只有检测器响应曲线的前沿分量被检测器电路69内的电子线路的积分器72或运算放大器采样，这些将在下面说明。这种技术容许选择只是一部分光子，且对于装置R的正确操作来说是必需的。

对于每个检测器阵列40有两个箝位和时闸开关电路102，每个检测器62都被包含在检测器电路82内。

对于每个检测器阵列40都有一个多路复用器电路108。每个检测器阵列40具有25个光电二极管检测器62。每个多路复用器电路108的输出送入多路复用器电路110。每个多路复用器电路108用于选择接近转动的多面镜38的轨道位置的检测器输出。来自多路复用电路110的检测器输出通过模数转换器86转换成12位的数字。存储对每个转动的多面镜38的轨道位置的每个检测器输出电压的数字值。缓冲电路112夹在多路复用器108和110之间。

参照图11，当轨道板26转动到4000个位置的每一个位置时(一般以箭头114表示)，数据是在围绕乳房的轨道上的多面镜38的4000个位置处在每个扫描室22的每个垂直或薄片位置获取。由此，由多面镜38的轨道描绘出一个圆。检测器阵列40的圆保持固定就位，而多面镜38绕其自身的轴转动(总的以箭头116表示)，且是沿轨道围绕病人乳房转动。图11中示出了多面镜38的4000个位置中的一个。在4000个位置中的每一个，转动的多面镜38使激光束通过视场118扫描，该视场包含乳房必须置于其内的扫描直径120。视场118包含四分之一或150个检测器62。在实际上，为了正确的数据采集，对于每个轨道位置使用包括152个或更多个的检测器进行超扫描。

计算机88使多面镜38的转动、通过多路复用器108和110对特定的检测器62的选择和模数转换器86的转换周期同步，以便当每个检测器62被照射时测量激光束强度。经这个过程，在多面镜38的一个轨道上的4000个位置的每一个处，测量至少150个所选检测器的输出，并转换成数字形式，然后作为部分的数字化的薄片数据存储。数字化的薄片数据也包含涉及检测器62在4000个位置上的哪一个被测量的编码信息。

由于只有600个检测器62，且数据是从扫描室22的每个垂直或薄片位置处的4000个位置上收集，需要一种选择600个检测器中哪一个输出被采样的技术。使用多个多路复用器电路108和110，以选择在检测阵列40的每一个中的哪一个单个检测器62用作对4000个位置的每一个的150个或更多个检测器的部分。

例如，参照图11，对于多面镜38所示的位置，150个检测器可以被选择来用于测量。多面镜的4000个位置和600个检测器的比值是6.67。由于这个比值，对于多面镜38的7个连续的位置，可以选择相同的150个检测器62用于测量。对于多面镜38下7个位置，可以选择2到151的检测器62。由模/数转换器86所采样的检测器62的步增量是由数据采集算法和计算机88控制，这种算法将在下面说明。转动的多面镜38和特定的检测器62的位置之间的精确关系是由多面镜的安装位置和检测器阵列40的固定环之间的机械关系和用于程序的各个编号系统确定。

对于每个转动多面镜38的垂直位置所采集的数据称之为薄片数据。这个数据通过由计算机断层照相理论推导的重建算法用于产生被扫描的乳房的像(图14)，对此将在下面说明。

参照图12，说明用在本发明的对每个薄片收集数据的采集算法。

做扫描的技术人员使卧在扫描台16的病人将一个悬着的乳房通过扫描室22的孔20，如图2所示。

当技术人员开始扫描时，将几个预置参数输入程序。转动速度和多面镜38上的面数是两个基本值。多面镜的面数是一个不易改变的物理参数，除非更换多面镜装置。在步骤122中选择改变转动速度是可行的，在这种情况下，某些未来的情况使这种变化是必需的，且速度变化易于实现。可用的转速是6000，8000，10000和12000转/分(RPM)。

装置R用12面的多面镜38，多面镜的转速是6000转/分，或100转/秒。对于一个面移动照射的激光束通过一束扇面55的时间可以从下式计算：

转速：100转/秒

1转＝1/100转/秒＝0.01秒/转

对于1个扇面

0.1秒/12个面＝8.33×10^-4秒(833微秒)

选择改变到另一种面数的多面镜是在步骤124通过预置一个扇面的时间实现的。

由于存在着扫描激光束55的机械位置和电子线路位置的差异，另一个参数，面延迟(FACET DELAY)可在步骤126预置。这个参数可以在初始扫描器安装时确定，且可从0到883μs间变化。

激光束的扇形通过检测器62的弧形扫描(稍稍大于90°)。检测器环有600个检测器，90°表示四分之一的检测器62，或150个检测器。

由于在多面镜38的相邻面不是在相交线上形成锐利的棱角，而是用圆角连接，所以，实际上使用的数目是超过上述检测器62的数目。激光束扇形扫过任何一个检测器的时间(在此称为面停顿(时间))可按下式计算：

833μs/150个检测器＝5.6μs/检测器

实际上的面停顿时间是在初始扫描器安装时确定，并在步骤128输入。

理想的是所有的检测器都是可操作的。然而，在实际情况下，一些检测器62可能是有故障的，这种情况，如在限制范围之内，只要已知有故障的个别检测器的特定位置，就可以容忍。有故障的检测器在质量控制扫描时识别。然后在步骤130中忽略不计这些有故障的检测器。

下面说明的重建算法要求超过理想的检测器62的90°扇形扫描。超扫描的量是在初始扫描器设定时确定并在步骤132输入。

检测器62的单个增益是可以变化的，这种变化对任何重建算法是专门调整的。然而，总的增益值都在初始扫描器设置时确定，并把这个值在步骤134中输入。

技术人员能够输入一些有关具体病人的信息，例如，姓名等，以及选择需要进行扫描的特定部位。这样就对特定部位重复扫描而不会对整个乳房重复扫描。该步骤以136表示。

在这些参数和数据已输入后，在步骤138询问技术人员，输入信息是否正确，如果输入是(YES)，扫描开始。

扫描的第一步是使带有转动多面镜38和检测器阵列40的环的扫描室22回到本地位置，即最上面的位置。如图3A所示。向电动机39供能的电动机控制器切换到上位(up position)，并保持这个模式，直到本地限制开关被激活。这个步骤以步骤140和142表示。

已达到本地位置后，计算机在步骤144检查确定激光器是否接通。如果激光器未接通，则在步骤146重新启动。多面镜38在步骤148开始转动，并按步骤122置定的预置速度连续地转动。

程序继续并预置多路复用器电路108和110，以在步骤1 50选择作为初始数据采集扇面部分使用的检测器162。由于数据是在多面镜38的轨道上对4000个位置采集，且只有600个检测器，在每个单独的扇面(扫描)时为数据采集所选择的检测器组已由这种扫描的几何关系确定。下面的表格说明了这个概念。对于每个检测器的实际识别数已作了简化。

分度＝4000个轨道位置/600个检测器

＝6.67个扇面/分度

这意味着在围绕病人乳房的轨道上对于每个位置或者多面镜38的分度要产生7个激光束扇面，每个扇面由相同的150个检测器拾取信息。

在下表中，位于检测器阵列40的环上的检测器62以1，2，3，…，n，…，600表示。

扇形号第一个检测器最后一个检测器

1 525 75

2 525 75

3 525 75

4 525 75

5 525 75

6 525 75

7 525 75

8 526 76

9 526 76

10 526 76

11 526 76

12 526 76

13 526 76

14 526 76

15 527 77

16 527 77

17 527 77

18 527 77

19 527 77

20 527 77

21 527 77

-- -- --

3990 523 73

3991 523 73

3992 523 73

3993 523 73

3994 523 73

3995 523 73

3996 523 73

3997 524 74

3998 524 74

3999 524 74

4000 524 74

在转动的多面镜38的每个分度或轨道位置，在扇面内的检测器62的总数是150个。例如，对于第1号扇形，检测器的数目是(600-525)+75＝150；又如第3999号扇形，检测器的数目是(600-496)+46＝150。

在多路复用器序列被程序化后，沿轨道运算的扇形束在步骤152开始，但数据采集尚未开始，直到在步骤154检测到轨道指示信号为止。轨道指示信号识别轨道中的机械位置，即通过被采样的检测器的多路复用器序列的数据采集开始。对于轨道指示信号的状态是0(继续沿轨道运行)或1(初始化数据采集序列)。步骤156继续到轨道指示信号等于1。

然后预置的面周期和面延迟周期在步骤158和160等待结束，之后，扇形内的第一个检测器62被选择在步骤162采样。然而，在实际采样之前，在步骤164检查忽略检测器表。如果各个检测器对采样是可接受的，然后进行采样。如果个别检测器是有故障的，检测器的地址增加到在步骤168的多路复用序列中的下一个检测器。

在步骤170在等待面停顿时间进行采样。所采集的数据在步骤172写入在数据文件内的各自的位置。在步骤174检查在这个循环中所采样的检测器的数目，以确定在扇形中的最后一个检测器是否已经采样。如果最后一个检测器已经采样，则在步骤176关闭用于特定薄片的数据文件并将程序移到下一个薄片位置。如果最后一个检测器没有采样，则在168增加检测器计数并采集下一个数据扇形。在步骤178，在步骤174最后一个检测器检测之后，程序进入下一个薄片位置。

在薄片文件关闭之后，包括多面镜38和检测器阵列40的环在内的扫描室22向下移到下一个薄片位置，计算机88监视向下的运动。下一个薄片位置的状态在步骤180中监视。当到达下一个薄片位置，在步骤182确定该薄片位置是否是扫描位置的末端。计算机88监视薄片位置并检查以确定是否已经采集最后一个有效的薄片数据文件。如果最后的薄片位置已检测，则乳房扫描终止。如果最后的薄片位置未检测，则在步骤150开始下一个薄片数据文件信息的采集。由此，反复循环，直到最后的薄片的数据已经采集。

参照附图13，图中公开了用在本发明的重建算法。在图12公开的数据采集过程中获取了原始的数据文件。原始的数据文件在步骤184输入，以在步骤186产生检测器扇形。为了修正各个检测器的增益和偏移变化，在步骤188，用从前述的剖面图扫描所获得的信息进行多项式线性化修正。在步骤190指示了线性化文件。

由于电子线路和机械中心之间存在着潜在的偏置，在步骤192对各个检测器和检测器阵列进行定心修正。中心信息是以步骤194指示的由前面所述的剖面扫描获得。

每个雪崩光电二极管62的灵敏度是变化的，这些变化必然导致在步骤196进行检测器灵敏度修正。灵敏度调节是在步骤198用在先有的剖面扫描获得的数据进行。

由于每个检测器的扇形的衰落，在步骤200进行余弦修正。对于增益控制和失配的其它修正也在这里进行。每个检测器扇形都随着一个过滤中心(filter kernel)旋转，在步骤202，以处理用于后投影(backprojection)的文件。

后投影步骤204，把扇形数据投射到具1/r²加权到数据上的成像矩阵(image matrices)上。

数据已经投影到矩阵上后，在步骤206可以进行对任何系统后生物和重建密度的修正。在步骤208，修正因子是在在先的薄片扫描中获取的。

在完成重建步骤后，在步骤210产生用于重建像的文件并存储，以便立即或嗣后的显示。

图14公开了由乳房薄片数据产生的像的例子。外部区域212是噪声，对于扩大的乳房所示的是围绕假体216的乳房组织214。

下面将详细说明箝位和时闸开关电路102。

参照图15，电路102包括一个箝位电路194和一个时闸开关196。箝位电路194提供了避免运算放大器72(或积分器)遭受装置的安全设计参数之上的电路。响应飞秒激光脉冲的激发(一般标号66表示)，反向偏压的雪崩光电二极管62产生一个正向流动的电流脉冲，一般以标号198表示。脉冲198潜在的幅度可能超过用于响应电流脉冲产生电压的运算放大器72的设计限制。为了有利地避免这种情况的出现，二极管202通过+5VDC电源202和两个电阻204和206反向偏转为大约+0.8VDC。由检测器62产生的脉冲幅度超过偏置电压约一个二极管的电压降(大约0.7VDC)。二极管200正向偏置并总是分路在信号幅度上的任何的进一步增加。分路效应有效地使在二极管76的节点上的信号电平固定在运算放大器72的设计限制范围内的电平上。

时闸开关196由施加到输入端208和210的微分发射极耦合逻辑(ECL)信号驱动，如图15所示。当晶体三极管220接通时，在电阻204和206连接处产生的电压从正电平变成负电平。负电平电压正向偏置二极管200，且反向偏置二极管76。当二极管200反向偏置时，任何由检测器62所提供的电流不可能到达运算放大器72。用于该电路图的二极管和晶体三极管优选的选择能以非常高速开关的元件。电路196的作用在于以非常高的速度切断由运算放大器72提供的电流。

现在详细说明激光脉冲拾取电路116。

参照图16，激光脉冲的出现由反向偏置的雪崩光电二极管222上的电流增加来检测。飞秒的激光脉冲链示于图20A。雪崩光电二极管222的响应曲线和由检测器222产生的峰值上的延迟示于图20B。图20C所示的表示雪崩光电二极管脉冲上升缘的位置，该位置用于高速信号电平比较器的参考点。电阻224提供电流限制，以防止由响应激光脉冲66所产生的高电流损坏检测器222。电容器226是一个解耦电容，该电容提供通过电容228所损耗的能量。通过电阻228的电流产生一个通过该电阻的电压，该电压直接耦合到比较器电路230。电阻232用于调节阈值，在该阈值上比较器230的输出将切换。比较器230的输出连接到一个缓冲器234上并提供一个ECL输出信号。ECL信号与每个激光脉冲的发生同步。电路106的输出示于图20D。

参照图17A和17B，现在将详细说明箝位控制电路104。激光脉冲拾取电路106用于产生一个与每个激光脉冲同步的附加信号。该信号用于启动时间-幅度转换器236。时间-幅度转换器由另一个脉冲拾取电路106的信号在适当的时间终止。对于两个激光脉冲拾取电路106的检测器222在靠近检测器阵列40的适当距离上定位，在搜索扫描相位时测量通过包括组织在内的路径的到达时间t2并转换成具有适当的数字值的数字以控制在存储器中地址，而时间值是存储在该存储器内。在数据采集序列的数据采集部分时，存储器的地址控制241用于选择来自查阅表250的值。查阅表250对加/减电路243提供一个值。在适当的时间，数字的时间值t2从存储器240读出并由查阅表250提供的值修正。净效应是用于从存储器中读出值t2，并对该值减去或加上一个值，以产生一个提供给比较器246的新的数字A。对比较器246的另一个输入是由模数转换器236产生的以字B表示数字时间值。当A-B时，该比较器246提供一个对数字/模拟微调延迟电路248的数字输出，A＝B的状态开始对于检测器响应曲线的前沿的测量间隔，如图17B所示。模拟的微调延迟确定了测量检测器响应曲线的前沿的时间长度。在模拟延迟间隔结束时，产生一个终止测量间隔的数字信号，查阅表250产生一个控制微调延迟的信号。数据采集序列继续如前所讨论的5.3μs的间隔。上述序列继续作为通过乳房扫描的扇形束。

输出缓冲器252产生一个作为时闸控制信号的ECL输出信号，缓冲器252的输出在208和210处馈送到电路102，如图15所示。

通过使用飞行时间方法，数据采集的计时在每个扇面位置与进入乳房的激光脉冲束自动地同步。给定了1秒内进行的测量数，其它的方法，例如克尔(Kerr)光阀的激光光栅或可变的光学延迟线，将不实用。

激光器23以相对固定的重复率产生近红外能量的脉冲，激光脉冲以光速(常数)在空气中传播。对于脉冲传到固定距离所需的时间计算如下：

时间＝距离/光速

由此，对于已知距离，对于能量脉冲通过距离所需的时间可以很容易地计算。

光电二极管检测器对激光脉冲的响应示于图19。注意：检测器对激光激发响应上的延迟。

光电二极管对进入媒质的脉冲链的响应示于图20。注意由于组织的相对折射率引起的传播延迟。

在空气中传播的光速与在媒质中传播的光速之比称之为相对折射率，并按下式计算：

相对折射率＝空气中的光速/媒质中的光速

飞行时间的测量标准必须考虑空气中的光速，人体组织的复合媒质中的光速和媒质的厚度。

脉冲拾取电路106应置于能拦截由钛：蓝宝石激光器23产生的一部分光子的位置上。脉冲拾取电路106基于比较器的阈值电平(见图18D)产生矩形的脉冲链。

在激光束光路上各个元件间的距离如图21所示是已知的且是固定的。由此，一个脉冲传输各个零件(其中大多数反射镜是用于激光束定位)间的固定距离所需的时间可以很容易地确定。还有，一个脉冲在所选位置上的到达时间可以精确地预测。因此，多面镜38和检测器62间的空气距离(air-shot)中的到达时间，即在多面镜38和检测器62之间没有东西时的情况下也是已知的，如图21所示。

在空气中传播路径长度所需的时间按下式计算：

时间_在空气中＝路径长度_在空气中/光速_在空气中

可以测量当媒质是空气时的到达时间和媒质是人体组织时的到达时间，两个到达时间差和在人体组织内的光路长度可用于计算在人体组织内的相对光速，即：

光速_{在人体组织内}＝光路长度_{在体组织内的}/ΔT

而ΔT＝时间_{在人体组织内}-时间_在空气内

确定在人体组织内的光速允许对待测量的雪崩光电二极管那部分响应脉冲的时闸选通并用于像的重建。

首先少量已经通过人体组织的激光能量光子脉冲作为数据采集的探测部分检测。确定作为通过先前运算校正所确定的光子的预期到达时间和实际的光子到达时间之间的时间差。例如，

测得的到达时间-预期的到达时间＝ΔT

t₂-t₁＝ΔT

ΔT用于何时测量检测器响应曲线将在探测部分后出现的脉冲上开始。查寻表(Look-up table)或类似的方法用于选择何时检测器测量将开始，亦即，在t₁+ΔT稍稍之前，在ΔT，或ΔT+t3，在此t₃是作为系统校正值确定的。

数据采集的第二方面是测量检测器响应曲线的前沿的时间长度的控制，和用于每次测量的激光脉冲数。测量间隔的起始位置和终止位置直接影响最终再成像的对比分辨率。由于装置的光学机械特性的物理可变性和测量间隔的起始位置和终止位置在装置校准时确定。为精确的调节测量间隔宽度提供了一种方法。

再次扫描，是进行数据采集扫描。在这次扫描时，时闸控制因子是用于控制激活时闸开关196和电路102的ECL电路104。因此，对于激光束的每次投射，只选择部分有关的雪崩光电二极管响应的脉冲采样并作为用于像重建的数据使用。

图22公开了用于支承轨道板26和多面镜38的支承结构254的另一个实施例。支承结构254包括横向地穿过方形或矩形板258的各个角上配置的四根固定的螺杆256。每根螺杆256是通过一对螺杆承托架260支托就位，所述的螺杆支承托架是装在“U”形装置264的垂直侧件262上，见图23。“U”形装置264有利于在各个螺杆支承托架260之间保持隔开和螺杆256的垂直对准。每个螺杆256具有一个中心带螺孔的链轮266或皮带轮。螺杆的螺距与链轮的螺距相同，这样，链轮转动使它沿螺杆256上下移动。各个链轮266与连续的传动链268或皮带相配合。

连续的传动链条268还与由电动机272驱动的链轮270(或皮带轮)相配合。驱动电机272的输出轴274的转动使链轮270转动并按转动方向驱动链条268。连续的链传动有利于使在每根螺杆256上的各个链轮266同步转动。依赖于螺距和转动方向，所有的五个链轮266和270向上或向下驱动。

板258装在四个链轮的每一个的顶表面的顶部。驱动电动机272的安装板装在板258的上面，如图22所示的。这种结构为驱动电动机272相对于移动板258提供了恒定的位置，由此，保持整个驱动系统的对准。

支承装置254提供了几个优点。如果链条268断裂，向上或向下的驱动有利于与所有四个驱动链轮266脱开。还有四个固定的螺杆256对上下运动起到线性支承的作用，由此，消除了对辅助的垂直定位支承的要求。还有，支承结构254为紧凑性提供最小的总体高度。

板258具有一个孔278，孔278的边缘具有一个适合于接纳和支承轴承装置284的外圈的向内凸出的法兰或台阶280。轨道板286压配在由轴承装置284的外圈282所界定的孔内，如图24所示。保持环290把轨道板286固定到内圈288上。保持环292把外圈282固定在板258上，见图24。

轨道板286具外齿环齿轮294，该齿轮与由轨道驱动电机298驱动的正齿轮296啮合。驱动电机298用传统的方法固定到载物板258的上面。轨道驱动电动机298的输出轴300的转动产生载物板258的相反转动方向。轨道板286的转动速度是在环形齿轮294上的齿数与在正齿轮296上的齿数的比值和轨道驱动电动机298的转速的函数。

应该理解，用轴承装置284支承轨道板286有利地在轨道板286和装在板258上的检测器阵列40之间提供保持同心的最简单方法。此外，垂直空间的所需量最小。

在图25中公开了与轨道板286有关的光学装置。安装盘302固定到轨道板286的下侧并随之转动。安装盘302具有一个中心孔304，激光束306通过该孔进入安装盘302内。装在安装盘302内的转动反射镜308和310适合于把垂直的激光束通过反射镜308反射后转为水平激光束，然后由反射镜310反射后转为垂直激光束并通过在垂直板286中的孔312逸出。转动反射镜314使垂直的激光束变成水平的激光束并把它引入转动的多面镜38，再由该镜产生扇形光束316。转动反射镜318使水平入射的激光束转向，垂直地通过孔304进入安装盘302。

应该明白，转动反射镜308，310和314相对于轨道板286是固定的，因此，它随轨道板286转动，这就是说，当它投向转动多面镜38时激光束总是以直角方向定向。

通过组织传播的光子实际上沿三条路径传播。当光子束引入组织时，光子的前进方向是变化的-光子束被组织中的原子和分子散射。参照图26A，首先进入组织300的光子基本上经受直线前进的散射传播，且以通过组织所需的最少时间从组织出射。这些光子称之为弹道式的或早期到达的光子322。由于这些光子实际上以直线通过组织传播，这些光子在吸收方面的差异提供了最佳的空间分辨率，亦即真实地表示了在这些光子的路径上在吸收方面变化的区域。由弹道式光子产生的信号是在检测器响应曲线的前沿上，如图26B所示。

弹道式光子之后逸出组织的光子以较长的路径通过组织传播，这个路径与早期到达的弹道式光子的路径相比就不是太直线了。这些后到达的光子称之为类似于锯齿的光子324，如图26A所示。这些光子可以考虑为导致空间分辨率下降的信号衰减，且它们所产生的信号比弹道式光子分量后出现在检测器响应曲线上，见图26B。

比类似于锯齿的光子更晚逸出的光子已沿散射路径传播且在多个位置上逸出组织。这些光子称之为散射光子326，并构成检测器响应曲线的最后分量，见图26B，这些光子严重地降低了空间分辨数据并被视为噪声。

如果使用所有光子(弹道式的、类似于锯齿的和散射的)的全部检测器响应，检测组织内的小的差异的能力将被严重的损害。由此，只能采样由弹道式光子所产生的检测器响应曲线部分用于数据采集，见图26B。用于选择如图26B所示的光子到达响应曲线的早期部分的技术称之为时闸技术，它由电路102和104实施(图15和17)。由于从转动的多面镜38到每个检测器62的距离是已知的，对于光子到达检测器所需时间上的任何变化是通过部分路径，亦即通过组织所需时间的映射。参照图27A，对于每个激光脉冲照射到环45上的每个检测器上的到达时间由已知的距离和光速确定。查阅表是由该自由空间飞行时间数据产生。图27A和27B中的箭头表示每个激光脉冲到达的时间。当组织328插入扫描直径120内时，每个激光束通过组织的到达时间将被延迟，延迟的量决定于通过组织传输的路径长度，如在图27B中所示，为简化起见在此假定激光束通过组织传输的速度是常数。对于每个激光束通过组织传输的到达时间是通过观察确定，当响应是在各个检测器上产生时。通过组织的相应的飞行时间可以从存在组织的路径传输所需时间减去自由路径(无组织存在)的飞行时间确定。附加的飞行时间存储在查阅表250内，然后进一步由延迟增加0～40飞秒，优选的是15～20飞秒，以调制对继续的激光脉冲测量检测器响应曲线的时间，使得测量限于贡献于弹道式光子的检测器响应曲线部分。0～40飞秒的精确延迟可以通过电路块248提供。由弹道式光子在检测器上产生的最终的电流，在转换成电压后，用于用标准的计算机断层照相术技术产生组织的像。

虽然本发明已经对结构作出了说明，其中检测器阵列40固定在围绕组织的圆形的位置上，而多面镜38或激光束源是在圆形的轨道上，以便围绕组织进行360°的扫描，这也是在本发明的范围之内，即提供一组与多面镜38或围绕所扫描的组织的激光束源同步移动的检测器。在这一方面，为捕捉扇形束55形成弧形或其它几何图形的检测器应配置在轨道板26上。多面镜38和弧状的检测器通过围绕组织的圆上的4000个位置沿轨道运动。

转动的多面镜38的功能是使激光束通过乳房扫描，该功能也可以通过用电流计334驱动使多面镜332振动来完成，如图28所示。电流计机构产生对多面镜332的振动运动。例如，电流计按一个方向从它的静止状态转动到一定数目的角度，例如说转动10°，然后反方向转动，并按相反方向转动相等的度数。只要对电位计提供驱动信号，转动和方向的变换将继续。

射到装在电流计334上的多面镜332上的激光束336将在扫描圆120内前后扫描通过乳房。因为对于反射镜，入射角是等于反射角，电流计总共转动20°(在这种情况下，从+10°转到-10°)使激光束能过一个角度扫描，该角度是电位计转动角度的两倍。通过选择电流计和反射镜相对于扫描圆中心的正确位置，通过扫描圆直径的90°扫描338是很容易得到的，如图28所示。

电流计/反射镜的组合比多面镜有利于降低造价。只需要对数据采集序列稍加改进，就可以适当由激光束对检测器阵40的前后扫描。

本专业的普通技术人员应该明白，激光束本身通过乳房扫描而不用透镜系统，以便使激光束发散成扇形，这样，激光的功率输出将明显地下降，以保持到达每个检测器具有同样的功率水平。

虽然本发明已经就优选的结构作出说明，应该明白，遵循本发明的总的原理还可以对本发明的用途和/或适用性作进一步的改进，但这些都没有脱离本发明公开的范围，因为它们是在本技术领域的公知的和/或通用的技术上进行的，且是应用了前述的实质性特性，都落在本发明的范围内，或者所附权利要求书的限定范围内。

Claims

1.一种用于在扫描人体组织中使用的扫描室，包括：

a)一个框架

b)一个支承在所说的框架上的可转动的板，所说的板包括一个孔，用于在所说的孔内使人体组织能够悬垂；

c)一个用于发出通过组织的光的激光束源，所说的激光束源是由所说的板承载，这样，当所说的板转动时激光束源围绕所说的孔运行一个完整的轨道。

d)适合于检测通过组织后的激光束的多个光检测器，位于在所说的板上的弧内；和

e)适合于从所说的框架可转动地支承所说的板的轴承装置，所说的轴承装置包括一个固定在所说的框架上的孔上的外圈，和一个固定到所说的板上的内圈。

2.按照权利要求1所述的扫描室，其中：

a)所说的框架是可垂直地移动的。

3.按照权利要求1所述的扫描室，其中：

a)所说的激光束源是具有宽度为100飞秒级的，波长为850纳米级的光脉冲。

4.按照权利要求1所述的扫描室，其中：

a)所说的激光束源包括一个钛：蓝宝石激光器和一个适合于泵浦所说的钛：蓝宝石激光器的氩离子激光器。

5.按照权利要求1所述的扫描室，其中：

a)所说的多个光检测器包括雪崩光电二极管。

6.按照权利要求1所述的扫描室，还包括：

a)适合于把激光束扩成扇形光束以通过组织的转动反射镜。

7.按照权利要求1所述的扫描室，还包括：

a)可操作地与所说的框架相联的驱动螺杆，这样，所说的驱动螺杆的转动有效地使所说的框架下降或上升。

9.一种激光成像装置，包括：

a)一个扫描室，包括用于通过组织的激光束源，和至少一个适合响应从组织出射的激光束的光检测器，所说的至少一个光检测器具有带前沿分量的响应曲线；

b)一个时间电路，用于对所说的至少一个光检测器的所说的响应曲线的前沿分量采样；

c)一个编程的计算机，用于从所说的采样的响应曲线的前沿分量产生所扫描组织的像。

10.按照权利要求9所述的激光成像装置，其中：

a)一个连接到所说的至少一个光检测器的电流-电压转换电路，用于把所说的响应曲线的前沿分量的采样电流转换成电压。

11.按照权利要求10所述的激光成像装置，还包括：

a)所说的电流-电压转换装置包括一个运算放大器。

12.按照权利要求10所述的激光成像装置，还包括：

a)所说的电流-电压转换装置包括一个积分器。

13.按照权利要求10所述的激光成像装置，还包括：

a)一个适合于避免所说的电流-电压转换器过压的箝位电路。

14.按照权利要求9所述的激光成像装置，其中：

a)所说的至少一个光检测器是雪崩光电二极管。

15.按照权利要求9所述的激光成像装置，其中：

a)所说的激光束源包括近红外激光脉冲。

16.按照权利要求9所述的激光成像装置，还包括：

a)一个适合于把所说的激光束源形成扇形光束通过组织的转动反射镜。

17.按照权利要求9所述的激光成像装置，其中：

a)所说的时闸开关包括一个可操作地连接到所说的至少一个光检测器的肖特基二极管。