專利名稱：旋轉(zhuǎn)式擴(kuò)散熒光層析成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于生物熒光層析成像技術(shù)，涉及基于近紅外光擴(kuò)散性質(zhì)的方定轉(zhuǎn)式熒光層析成像技術(shù)(fluorescence diffuse optical tomography, FDOT)，具體為一種旋轉(zhuǎn)式擴(kuò)散熒光層析成像系統(tǒng)，它適合于在體無創(chuàng)的 檢測(cè)小動(dòng)物癌變過程。技術(shù)背景利用近紅外光的擴(kuò)散性質(zhì)，對(duì)小動(dòng)物進(jìn)行在體無創(chuàng)的檢測(cè)技術(shù)是一種 很有前途的光學(xué)成像技術(shù)，相比于顯微成像，光學(xué)弱相干層析成像技術(shù)， 它是目前為止成像深度最深的光學(xué)成像方式。國外這方面申請(qǐng)有美國專利 No.7.107.116,該發(fā)明采用的技術(shù)手段是將小動(dòng)物擠壓成扁平狀，利用半無 限介質(zhì)中的擴(kuò)散方程來推出實(shí)際小動(dòng)物的光學(xué)參數(shù)分布。其中也使用了連 續(xù)光源照射，相機(jī)數(shù)據(jù)采集，但由于光源和相機(jī)已經(jīng)固定，因此所采集的 數(shù)據(jù)量有限，成像質(zhì)量受到采集數(shù)據(jù)量的限制。發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種旋轉(zhuǎn)式擴(kuò)散熒光層析成像系統(tǒng)，該系 統(tǒng)能夠在體，無創(chuàng)，高成像深度的檢測(cè)小動(dòng)物癌變過程，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需 要得到大量數(shù)據(jù)，從而提高其成像質(zhì)量，同時(shí)，小動(dòng)物不需擠壓，保持它 原始形態(tài)，從而給醫(yī)學(xué)診斷提供方便。本實(shí)用新型提供的旋轉(zhuǎn)式擴(kuò)散熒光層析成像系統(tǒng)，其特征在于該系 統(tǒng)包括半導(dǎo)體激光器、計(jì)算機(jī)、旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)、步進(jìn)電機(jī)和CCD相機(jī)；旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)為"匚"形，設(shè)有兩個(gè)水平臂和一個(gè)豎直桿，豎直桿中心點(diǎn)與支架連接，旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)以豎直桿中心點(diǎn)為中心在豎直平面旋轉(zhuǎn)；半導(dǎo)體激 光器和半導(dǎo)體制冷盒分別固定在旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的二個(gè)水平臂上，CCD相機(jī)位 于半導(dǎo)體制冷盒內(nèi)；樣品固定夾固定在支架上，并且位于CCD相機(jī)與半導(dǎo)體激光器之間， 工作時(shí)，半導(dǎo)體激光器的激光出射孔、CCD相機(jī)的鏡頭光學(xué)中心和位于樣 品固定夾上的成像樣品的中心位于在一條直線上；步進(jìn)電機(jī)與旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)相連，帶動(dòng)固定在旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)水平臂上的CCD 相機(jī)和半導(dǎo)體激光器以旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的豎直桿中心點(diǎn)為中心旋轉(zhuǎn)；CCD相機(jī)和計(jì)算機(jī)之間通過滑環(huán)連接，計(jì)算機(jī)向旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)和CCD相 機(jī)傳送控制信號(hào)，接收CCD相機(jī)傳送的圖像數(shù)據(jù)，并對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析 處理。本實(shí)用新型系統(tǒng)具有以下技術(shù)效果(1) 由于現(xiàn)有的大部分?jǐn)U散熒光層析成像系統(tǒng)都是基于光纖的結(jié)構(gòu)。 而這種結(jié)構(gòu)由于本身的結(jié)構(gòu)限制，主要指光纖光源與探測(cè)光纖的數(shù)目固定， 使的這種所采集到的數(shù)據(jù)量比較小，不適合于高精度的擴(kuò)散熒光層析成像 技術(shù)。而本實(shí)用新型最明顯的特征是旋轉(zhuǎn)式無光纖結(jié)構(gòu)，包括了傳動(dòng)及其 控制部分、饋電部分、光源和成像探測(cè)器部分。系統(tǒng)所有的電源線和數(shù)據(jù) 線，都通過滑環(huán)導(dǎo)出系統(tǒng)，這樣避免了系統(tǒng)在旋轉(zhuǎn)過程中數(shù)據(jù)線，電源線 相互纏繞。這種設(shè)計(jì)可以隨意控制采集的數(shù)據(jù)量大小，從而提高成像效果。(2) 本實(shí)用新型系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)與CCD相機(jī)拍攝控制協(xié) 同工作。這樣可以實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)過程中，制冷電荷藕合相機(jī)能夠穩(wěn)定有 效的采集數(shù)據(jù)。


圖1為本實(shí)用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。 圖2為本實(shí)用新型的滑環(huán)結(jié)構(gòu)圖。 圖3為本實(shí)用新型的控制軟件流程圖. 圖4為本實(shí)用新型的算法流程圖。圖5a為實(shí)例一玻璃管樣品立體示意圖。 圖5b為實(shí)例一玻璃管樣品見面示意圖。圖6為實(shí)例一本實(shí)用新型對(duì)玻璃管樣品分析得到的吸收系數(shù)曲線。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。 如圖1所示，本實(shí)用新型系統(tǒng)包括半導(dǎo)體激光器1、計(jì)算機(jī)2、支架3、 旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)4、滑環(huán)5、步進(jìn)電機(jī)6、樣品固定夾7、電荷藕合(CCD)相 機(jī)8和半導(dǎo)體制冷盒9。旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)4的結(jié)構(gòu)為"匚"字形，設(shè)有兩個(gè)水平臂和一個(gè)豎直桿。豎 直桿中心點(diǎn)11與支架3連接。旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)4以豎直桿中心點(diǎn)11為中心在 豎直平面旋轉(zhuǎn)。半導(dǎo)體激光器1固定在旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)4的一個(gè)水平臂上。CCD 相機(jī)8位于半導(dǎo)體制冷盒9內(nèi)，半導(dǎo)體制冷盒9固定在旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)4的另 一個(gè)水平臂上。樣品固定夾7固定在支架3上，并且位于CCD相機(jī)8與半導(dǎo)體激光器 l之間。半導(dǎo)體激光器1的激光出射孔、CCD相機(jī)8的鏡頭光學(xué)中心和成 像樣品10的中心，三點(diǎn)在一條直線上。為了能夠使CCD相機(jī)與成像樣品 10的距離保持相對(duì)恒定，樣品固定夾7最好與旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)4的豎直桿中心 點(diǎn)ll位于同一水平平面上。步進(jìn)電機(jī)6與旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)4相連，用于驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)4繞豎直桿中 心點(diǎn)11旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)固定在旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)4水平臂上的CCD相機(jī)8和半導(dǎo)體 激光器1以豎直桿中心點(diǎn)11為中心旋轉(zhuǎn)。樣品固定夾7和成像樣品10始 終保持靜止。滑環(huán)5也稱為旋轉(zhuǎn)電氣接口、電氣旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，用于解決數(shù)據(jù)傳輸線和 電力供應(yīng)傳輸線的纏繞問題。以CCD相機(jī)8和計(jì)算機(jī)2之間通過滑環(huán)5的 連接為例說明滑環(huán)5的連接方式。如圖2所示，滑環(huán)5的主體為圓筒狀，引腳14位于圓筒狀主體上，與 CCD相機(jī)8直接相連的數(shù)據(jù)傳輸線穿過滑環(huán)5中間的通孔16后和引腳14 相連。集電環(huán)13套在圓筒狀主體上，炭刷15與集電環(huán)13表面接觸，炭刷15上設(shè)置有滑環(huán)引出線接口 12。所有的數(shù)據(jù)傳輸線通過滑環(huán)引出線接口 12 與計(jì)算機(jī)2連接。計(jì)算機(jī)2用于對(duì)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)4和CCD相機(jī)8進(jìn)行控制， 對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。下面說明本實(shí)用新型系統(tǒng)的工作原理。旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)4帶動(dòng)半導(dǎo)體激光器1和CCD相機(jī)8對(duì)成像樣品10掃描 成像。半導(dǎo)體激光器1發(fā)出的光照亮成像樣品10表面時(shí)，在成像樣品IO 另一端的CCD相機(jī)8會(huì)采集從成像樣品10射出的熒光光強(qiáng)信號(hào)，并通過 滑環(huán)5將光強(qiáng)信號(hào)數(shù)據(jù)存入計(jì)算機(jī)2內(nèi)。旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)4與步進(jìn)電機(jī)6固定 連接，實(shí)現(xiàn)角度調(diào)整自動(dòng)化。旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)4通過精密加工的蝸輪蝸桿傳動(dòng)， 角度全圓無極限調(diào)整，可朝一個(gè)方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)，減小重復(fù)定位誤差的影響。如圖3所示，本實(shí)用新型系統(tǒng)的工作過程為首先將成像樣品10用樣 品固定夾7夾住，使成像樣品10的中心、半導(dǎo)體激光器1的激光出射孔和 CCD相機(jī)8的鏡頭光學(xué)中心，三點(diǎn)在一條直線上。選擇合適的濾光片固定 在CCD相機(jī)8的鏡頭前。半導(dǎo)體激光器1發(fā)出的光直接照射到樣品10表 面。然后開啟計(jì)算機(jī)2中的控制軟件，在控制軟件中設(shè)置旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)4的 旋轉(zhuǎn)運(yùn)行相關(guān)參數(shù)旋轉(zhuǎn)速度，旋轉(zhuǎn)運(yùn)行次數(shù)，每次旋轉(zhuǎn)的角度，以及多 次旋轉(zhuǎn)運(yùn)行條件下旋轉(zhuǎn)運(yùn)行間隔的時(shí)間。接著點(diǎn)擊控制軟件中的開始按鈕， 旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)4將會(huì)帶動(dòng)CCD相機(jī)8和半導(dǎo)體激光器1繞以成像樣品10為 中心旋轉(zhuǎn)。例如，設(shè)置旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)4的旋轉(zhuǎn)運(yùn)行次數(shù)為12次，每次旋轉(zhuǎn)的 角度為30度，旋轉(zhuǎn)運(yùn)行間隔的時(shí)間為5秒。旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)4按照控制程序設(shè) 定的每隔30度暫停5秒，此5秒時(shí)間內(nèi)CCD相機(jī)8將采集成像樣品10透 射光光強(qiáng)數(shù)據(jù)。5秒后，旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)4繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，直到旋轉(zhuǎn)12次，CCD相 機(jī)8和半導(dǎo)體激光器1完成了一次完整的圓周運(yùn)動(dòng)。最后，控制軟件將采 集到的圖像數(shù)據(jù)利用擴(kuò)散光學(xué)層析成像算法進(jìn)行重構(gòu)得到樣品10光學(xué)參數(shù) 圖。由于本實(shí)用新型系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)量大，采用的是連續(xù)光照射，制冷電 荷藕合相機(jī)記錄樣本擴(kuò)散光光強(qiáng)，因此需要一種合適的擴(kuò)散熒光層析成像 算法來實(shí)現(xiàn)對(duì)相機(jī)獲得的光強(qiáng)信息重構(gòu)，以得到樣本光學(xué)參數(shù)。本系統(tǒng)的 擴(kuò)散光學(xué)層析成像算法根據(jù)假設(shè)模型和采集圖像數(shù)據(jù)得到樣品10內(nèi)部的光學(xué)，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品IO的圖像重建，主要分為三步。圖4所示為其算法的主要 流程圖。本系統(tǒng)的擴(kuò)散光學(xué)層析成像算法的樣品10的假設(shè)模型用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)方程可以描述為<formula>formula see original document page 8</formula>O(O代表穩(wěn)態(tài)光強(qiáng)值，D(。表示樣品10的約化傳輸系數(shù)，其中r表示樣品 IO某一點(diǎn)的空間位置。//。為樣品IO吸收系數(shù)，^為樣品10散射系數(shù)。 So("為光源強(qiáng)度。p為折射率不匹配系數(shù)，"為介質(zhì)外法向方向，g為各向異性因子。首先，假設(shè)一組樣品10光學(xué)參數(shù)(約化傳輸系數(shù)Z)(O和吸收系數(shù)^)， 帶入上述方程(1)(2)(3)，利用有限元方法計(jì)算得到光在樣品10中傳播的過 程中光強(qiáng)O(r)的分布。第二，從CCD相機(jī)8得到的多幅圖像中選取與約化傳輸系數(shù)D(r)的位 置相應(yīng)的圖像，提取圖像中樣品10外表面的光強(qiáng)值O(r)，將這組值與假設(shè) 模型得到的O)(/0進(jìn)行比較，當(dāng)它們之間的差大于誤差值的時(shí)候判斷為假設(shè) 的約化傳輸系數(shù)Z^)和吸收系數(shù)^不符合要求。誤差值需設(shè)定。于是，通 過最小二乘優(yōu)化算法重新假設(shè)一組光學(xué)參數(shù)(約化傳輸系數(shù)D(O和吸收系 數(shù)//。)，再進(jìn)行計(jì)算與比較，直到實(shí)際光強(qiáng)值與理論上的光強(qiáng)值的差小于 誤差值的時(shí)候，就判斷這次假設(shè)的光學(xué)參數(shù)(吸收系數(shù)^和約化傳輸系數(shù) Z^))分布為樣品10的光學(xué)參數(shù)分布。從而得到樣品10的三維光學(xué)參數(shù)的 分布值D("， //。和//,。最后，根據(jù)光學(xué)參數(shù)的分布值D(。， ^和/v在圖像重建軟件(如 Matlab)中重建得到樣品IO的吸收系數(shù)曲線圖。實(shí)例1 -半導(dǎo)體激光器l參數(shù)為652nm/50mW，光斑直徑0.38 mm， 18(^上 下偏移0.355 mm。成像樣品10為一個(gè)圓柱型玻璃管，該玻璃管外直徑為 25.4 mm、管壁厚1 mm，玻璃管內(nèi)裝1 %的Intrilipid水溶液和兩根透明的 小塑料管。兩塑料管均裝有2.0% Intrilipid水溶液，其中一根塑料管17 (直 徑4mm)內(nèi)加兩滴墨水，另一根塑料管18 (直徑3.6mm)內(nèi)加一滴墨水。 二根塑料管17、 18平行，兩管的中心軸線相距8.6mm。此成像樣品10結(jié) 構(gòu)示意圖見圖5a玻璃管成像樣品立體示意圖、圖5b玻璃管成像樣品截面 示意圖。利用本實(shí)用新型系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，計(jì)算得到成像樣品10的吸收系數(shù) 曲線圖，如圖6所示。
權(quán)利要求1. 旋轉(zhuǎn)式擴(kuò)散熒光層析成像系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括半導(dǎo)體激光器(1)、計(jì)算機(jī)(2)、旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)(4)、步進(jìn)電機(jī)(6)和CCD相機(jī)(8)；旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)(4)為“匚”形，設(shè)有兩個(gè)水平臂和一個(gè)豎直桿，豎直桿中心點(diǎn)(11)與支架(3)連接，旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)(4)以豎直桿中心點(diǎn)(11)為中心在豎直平面旋轉(zhuǎn)；半導(dǎo)體激光器(1)和半導(dǎo)體制冷盒(9)分別固定在旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)(4)的二個(gè)水平臂上，CCD相機(jī)(8)位于半導(dǎo)體制冷盒(9)內(nèi)；樣品固定夾(7)固定在支架(3)上，并且位于CCD相機(jī)(8)與半導(dǎo)體激光器(1)之間，工作時(shí)，半導(dǎo)體激光器(1)的激光出射孔、CCD相機(jī)(8)的鏡頭光學(xué)中心和位于樣品固定夾(7)上的成像樣品(10)的中心位于在一條直線上；步進(jìn)電機(jī)(6)與旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)(4)相連，帶動(dòng)固定在旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)(4)水平臂上的CCD相機(jī)(8)和半導(dǎo)體激光器(1)以旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)(4)的豎直桿中心點(diǎn)(11)為中心旋轉(zhuǎn)；CCD相機(jī)(8)和計(jì)算機(jī)(2)之間通過滑環(huán)(5)連接，計(jì)算機(jī)(2)向旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)(4)和CCD相機(jī)(8)傳送控制信號(hào)，接收CCD相機(jī)(8)傳送的圖像數(shù)據(jù)，并對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于滑環(huán)(5)的主體為圓 筒狀，引腳(14)位于圓筒狀主體上，與CCD相機(jī)(8)直接相連的數(shù)據(jù) 傳輸線穿過滑環(huán)(5)中間的通孔(16)后和引腳(14)相連，集電環(huán)(13) 套在圓筒狀主體上，炭刷(15)與集電環(huán)(13)表面接觸，炭刷(15)上 設(shè)置有滑環(huán)引出線接口 (12)，所有的數(shù)據(jù)傳輸線通過滑環(huán)引出線接口 (12) 與計(jì)算機(jī)(2)連接。3、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征在于固定夾(7)與旋轉(zhuǎn) 工作臺(tái)(4)的豎直桿中心點(diǎn)(11)位于同一水平平面上。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種旋轉(zhuǎn)式擴(kuò)散熒光層析成像系統(tǒng)，包括半導(dǎo)體激光器、計(jì)算機(jī)、旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)、步進(jìn)電機(jī)和CCD相機(jī)。半導(dǎo)體激光器和半導(dǎo)體制冷盒分別固定在旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的二個(gè)水平臂上，CCD相機(jī)位于半導(dǎo)體制冷盒內(nèi)；樣品固定夾固定在支架上，并位于CCD相機(jī)與半導(dǎo)體激光器之間；步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)CCD相機(jī)和半導(dǎo)體激光器以旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的豎直桿中心點(diǎn)為中心旋轉(zhuǎn)；計(jì)算機(jī)向旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)和CCD相機(jī)傳送控制信號(hào)，接收CCD相機(jī)傳送的圖像數(shù)據(jù)，并對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。本實(shí)用新型系統(tǒng)可以隨意控制采集的數(shù)據(jù)量大小，提高成像效果；能夠?qū)崿F(xiàn)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)與制冷電荷藕合相機(jī)拍攝控制協(xié)同工作。這樣可以實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)過程中，制冷電荷藕合相機(jī)能夠穩(wěn)定有效的采集數(shù)據(jù)。
文檔編號(hào)A61B10/00GK201108424SQ20072008791
公開日2008年9月3日 申請(qǐng)日期2007年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月2日
發(fā)明者全國濤, 曾紹群, 昆 畢, 駱清銘 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)