專利名稱：基于單光子計數(shù)器的近紅外三維動態(tài)成像儀系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及近紅外光成像，尤其涉及一種基于單光子計數(shù)器的近紅外三維動態(tài)成像儀系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近紅外光(600-1000nm)具備無損傷探測血紅蛋白、脂肪、水等分子含量和流量的獨特優(yōu)勢，目前利用近紅外光進(jìn)行成像的系統(tǒng)主要分為兩種:第一種是血紅蛋白含量成像儀，對含氧血紅蛋白、無氧血紅蛋白、水和脂肪的空間分布進(jìn)行重建，這些信息可以用來對腫瘤或其他組織的新陳代謝進(jìn)行估計，并可以用來追蹤化療的效果；第二種是血流成像儀，能夠?qū)w表或大腦表層血流分布進(jìn)行測量，對局域血液循環(huán)不暢進(jìn)行診斷，對大腦功能進(jìn)行探測。血氧血流成像對于腫瘤治療追蹤有不可替代的優(yōu)勢，腫瘤區(qū)域一般都存在嚴(yán)重的缺氧和微血管增生現(xiàn)象，如腫瘤細(xì)胞被有效殺死，能夠從血氧血流圖像中看到明顯改善。因為近紅外光對人體無害，可以對放療/化療病人進(jìn)行每日監(jiān)察，分析治療手段的有效性，及早終止無效治療方案，嘗試替代方案。但是，無論是第一種還是第二種利用近紅外光進(jìn)行成像的系統(tǒng)，目前都不能同時進(jìn)行深層血紅蛋白分子含量和流動速率分布成像。近紅外血氧三維成像儀目前分為兩種:一種利用(XD/APD/PMT等探測器，進(jìn)行光波的強度測量。CCD的優(yōu)勢在于能夠同時采集多個數(shù)據(jù)點，APD/PMT的優(yōu)勢在于能夠進(jìn)行光子計數(shù)，但是CCD的像素點很小，信號強度很弱，容易受到噪聲影響，且由于近紅外光容易擴散，本身對血氧含量的空間分辨能力很低，不需要探測器具有過于密集的數(shù)據(jù)采集點，因此CCD不是最優(yōu)選擇。傳統(tǒng)APD/PMT價格昂貴，需要較高的工作電壓(上千伏)，體積較大，如需數(shù)百個探測點，需要昂貴的分光部件(Piezo-optical switch),犧牲時間分辨率換取空間分辨率。另一種血氧成像儀利用飛`秒(fs)超短脈沖光和streak camera等儀器進(jìn)行光脈沖展寬的測量，光脈沖展寬的程度和組織的吸收率，散射率有關(guān)，可以用來重建血氧的空間分布。但是，streak camera探測器非常昂貴( $250，000)，且利用PMT/APD作為單光子探測器依然需要分光部件和很長的掃描時間去獲取數(shù)百個數(shù)據(jù)點，時間分辨率通常很低。近紅外血流探測儀目前主要集中在兩個方向:第一是基于近紅外光在組織表層反射時，擊中運動粒子的多普勒效應(yīng)，空間分辨率很高，例如激光光斑對比度血流成像儀(laser speckle contrast imaging),該種儀器僅能對表層組織的血流進(jìn)行成像，因為近紅外光在深層組織進(jìn)行多次散射，多普勒模型失效。第二是基于近紅外光的多次散射模型，對光子到達(dá)探測器時間進(jìn)行自相關(guān)計算，根據(jù)不同探測器位置和脈沖到達(dá)時間的自相關(guān)程度，可以對不同深度的組織進(jìn)行血流速率估計。但是，如果采用APD/PMT進(jìn)行光子計數(shù)，則需要對探測點進(jìn)行逐一掃描，每幀數(shù)據(jù)需要長達(dá)數(shù)秒的掃描時間，僅能對血流速率分布變化較慢的情況進(jìn)行成像，比如，探測系統(tǒng)由10個APD組成，每個數(shù)據(jù)點采集積分0.5s,如需要測量400* (*數(shù)值取決于空間分辨率)個數(shù)據(jù)點，則至少需要約20秒時間來采集一幀數(shù)據(jù)。隨著探測器技術(shù)的進(jìn)步，成本低廉的超快速單光子探測器陣列已經(jīng)可以批量定制。譬如近期(2012/10)投入市場的SiPM，利用微加工制成每平方毫米數(shù)量上千的電子放大通道，每個通道相當(dāng)于一個獨立的APD。當(dāng)光子擊中探測器表面時，產(chǎn)生光電子，各個電子落入不同的放大通道，獨立進(jìn)行放大，能夠達(dá)到IO6的增益。由于放大器尺寸微小，僅需30V左右的偏壓。SiPM加工工藝具有均勻性，所以增益穩(wěn)定，可以進(jìn)行光子計數(shù)。通過連接快速泄流電阻，單光子電脈沖可以有非常窄的半高寬。單光子探測器陣列與CXD相比的優(yōu)勢在于單個像素的獨立性，互相之間干擾很小，不存在單個像素因為信號過高溢出影響周邊像素的問題，如果有一個探測器損壞，可以很容易的替換。單光子計數(shù)模式的另一個優(yōu)勢是不易受到背景噪聲影響。一般的背景噪聲會被計數(shù)的閾值過濾，在弱信號下依然有不錯的信噪比。由于采用低電壓探測器，可以在探測模塊端實現(xiàn)全部光電轉(zhuǎn)換，采用柔性電纜FFC或者接插件進(jìn)行供電和數(shù)據(jù)傳輸?，F(xiàn)有技術(shù)獲取多個數(shù)據(jù)點有兩種方式:(I)采用光纖進(jìn)行信號傳輸，采用移動APD/PMT方式進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，但是儀器由于高壓電纜的存在變得笨重和脆弱，且光纖的抖動會造成非常大的測量誤差。(2)采用APD/PMT和分光器件來獲取多個數(shù)據(jù)點，取消了掃描，但是增加了光損失和儀器成本。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，有必要提供一種基于單光子計數(shù)器的近紅外三維動態(tài)成像儀系統(tǒng)。本發(fā)明提供的基于單光子計數(shù)器的近紅外三維動態(tài)成像儀系統(tǒng)，包括:光源、光切換器、探測器以及控制器，其中，光源用于產(chǎn)生不同波長的長相關(guān)激光；光切換器，一端與所述光源光學(xué)連接，另一端與多模光纖光學(xué)連接，包括波長切換器與位置切換器；探測器，由多個單光子計數(shù)單元組成，其中，所述多個單光子計數(shù)單元一端與單模光纖光學(xué)連接，其中，所述生物體位于所述多模光纖與所述單模光纖之間，所述單光子計數(shù)單元通過所述單模光纖對所述生物體進(jìn)行探測；控制器，與所述光源、所述光切換器、所述探測器電性連接，用于根據(jù)工作模式控制所述光源產(chǎn)生相應(yīng)的長相關(guān)激光以及所述探測器采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)。本發(fā)明提供的基于單光子計數(shù)器的近紅外三維動態(tài)成像儀系統(tǒng)，通過控制器根據(jù)工作模式控制所述光源產(chǎn)生相應(yīng)的長相關(guān)激光以及所述探測器采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)，有效的提高了數(shù)據(jù)采集的精度以及降低了設(shè)備的成本。


圖1為本發(fā)明一實施方式中基于單光子計數(shù)器的近紅外三維動態(tài)成像儀系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；圖2為圖1所示基于單光子計數(shù)器的近紅外三維動態(tài)成像儀系統(tǒng)中光切換器與多模光纖的連接關(guān)系圖；圖3為圖1 所示基于單光子計數(shù)器的近紅外三維動態(tài)成像儀系統(tǒng)中探測器的結(jié)構(gòu)圖4為本發(fā)明一實施方式中自相關(guān)函數(shù)重建選取時間數(shù)據(jù)點的曲線圖；圖5a 圖5c分別為三種不同的分級光子計數(shù)時間窗的示意圖。
具體實施例方式下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。在本發(fā)明的描述中，術(shù)語“內(nèi)”、“外”、“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“頂”、“底”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明而不是要求本發(fā)明必須以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。請參閱圖1，圖1所示為本發(fā)明一實施方式中基于單光子計數(shù)器的近紅外三維動態(tài)成像儀系統(tǒng)的結(jié) 構(gòu)圖。在本實施方式中，基于單光子計數(shù)器的近紅外三維動態(tài)成像儀系統(tǒng)包括光源10、光切換器20、多模光纖30、單模光纖40、探測器50以及控制器60。在本實施方式中，光源10用于產(chǎn)生不同波長的長相關(guān)激光，包括760nm、780nm、830nm、850nm等波長的長相關(guān)激光。光切換器20 —端與所述光源10光學(xué)連接,另一端與多模光纖30光學(xué)連接,本實施例中，所述光切換器20包括波長切換器與位置切換器。所述生物體位于所述多模光纖30與所述單模光纖40之間。所述探測器50和所述單模光纖41光學(xué)連接，用于對所述生物體進(jìn)行檢測。控制器60，與所述光源10、所述光切換器20、所述探測器50電性連接，用于根據(jù)工作模式控制所述光源10產(chǎn)生相應(yīng)的長相關(guān)激光以及所述探測器50采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)。在本實施方式中，所述工作模式包括:血氧探測與血流探測。在本實施方式中，所述控制器60在所述工作模式為血氧探測時控制所述光源10產(chǎn)生多個不同波長的激光并進(jìn)行脈沖調(diào)制后經(jīng)過所述波長切換器，由所述位置切換器經(jīng)過所述多模光纖30，輪流輸送相應(yīng)波長的激光到入射光源點，所述探測器50記錄單個脈沖展寬與到達(dá)時間。在本實施方式中，所述探測器50利用單模光纖40采集光斑，輸出光子到單光子計數(shù)器，并將光子轉(zhuǎn)換為電信號，數(shù)據(jù)處理單元5022計算脈沖展寬及其相應(yīng)的到達(dá)時間。所述控制器60根據(jù)所述脈沖展寬與到達(dá)時間利用近紅外光時域擴散方程進(jìn)行三維重建以得到血氧分布。在本實施方式中，近紅外光時域擴散方程采用國際上比較認(rèn)同的時域光擴散方程，如以下方式所示:
(Γ, t,s) + § ■ I(r, t,s) = -μ{(Γ, t)I(r, t, s) + § p(s,s')I(r, t, s)ds' + S(r, t, s)
SC ,一,、w 4πμ5(Γ, )
ffpMds=n^r其中，V為光在組織中的傳播速率，I(r,t,g)溈光量，S(r, U)為光源強度在空間和時間的分布，這些參數(shù)都可以通過測量得出。可以看出，上述方程中的僅有未知量為散射率
“3和吸收率Ua(式中“,“^“義探測點的采集光子數(shù)為光通量
權(quán)利要求
1.一種基于單光子計數(shù)器的近紅外三維動態(tài)成像儀系統(tǒng)，用于探測生物體，包括: 光源，用于產(chǎn)生不同波長的長相關(guān)激光； 光切換器，一端與所述光源光學(xué)連接，另一端與多模光纖光學(xué)連接，包括波長切換器與位置切換器； 探測器，由多個單光子計數(shù)單元組成，其中，所述多個單光子計數(shù)單元一端與單模光纖光學(xué)連接，其中，所述生物體位于所述多模光纖與所述單模光纖之間，所述單光子計數(shù)單元通過所述單模光纖對所述生物體進(jìn)行探測； 控制器，與所述光源、所述光切換器、所述探測器電性連接，用于根據(jù)工作模式控制所述光源產(chǎn)生相應(yīng)的長相關(guān)激光以及控制所述探測器采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)。
2.如權(quán)利要求1所述的基于單光子計數(shù)器的近紅外三維動態(tài)成像儀系統(tǒng)，其特征在于，所述工作模式包括血氧探測與血流探測。
3.如權(quán)利要求2所述的基于單光子計數(shù)器的近紅外三維動態(tài)成像儀系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器在所述工作模式為血氧探測時控制所述光源產(chǎn)生多個不同波長的激光并進(jìn)行脈沖調(diào)制后經(jīng)過所述波長切換器，由所述位置切換器經(jīng)過所述多模光纖，輪流輸送相應(yīng)波長的激光到入射光源點，所述探測器記錄單個脈沖展寬與到達(dá)時間。
4.如權(quán)利要求3所述的基于單光子計數(shù)器的近紅外三維動態(tài)成像儀系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器還根據(jù)所述脈沖展寬與到達(dá)時間利用近紅外光時域擴散方程進(jìn)行三維重建以得到血氧分布。
5.如權(quán)利要求2所述的基于單光子計數(shù)器的近紅外三維動態(tài)成像儀系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器在所述工作模式為血流探測時控制所述光源產(chǎn)生直流激光并進(jìn)行脈沖調(diào)制后經(jīng)過所述波長切換器，由所述 為位置切換器經(jīng)過所述多模光纖，輪流輸送相應(yīng)波長的激光到入射光源點，所述探測器記錄單光子到達(dá)時間。
6.如權(quán)利要求5所述的基于單光子計數(shù)器的近紅外三維動態(tài)成像儀系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器根據(jù)所述單光子的到達(dá)時間計算自相關(guān)函數(shù)，利用近紅外光自相關(guān)方程進(jìn)行三維重建以得到血流分布。
全文摘要
一種基于單光子計數(shù)器的近紅外三維動態(tài)成像儀系統(tǒng)，用于探測生物體，包括光源、光切換器、探測器以及控制器，光源產(chǎn)生不同波長的長相關(guān)激光；光切換器，一端與所述光源光學(xué)連接，另一端與多模光纖光學(xué)連接，包括波長切換器與位置切換器；探測器，由多個單光子計數(shù)單元組成；控制器與所述光源、所述光切換器、所述探測器電性連接，用于根據(jù)工作模式控制所述光源產(chǎn)生相應(yīng)的長相關(guān)激光以及所述探測器采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)。本發(fā)明提供的基于單光子計數(shù)器的近紅外三維動態(tài)成像儀系統(tǒng)有效的提高了數(shù)據(jù)采集的精度以及降低了設(shè)備的成本。
文檔編號A61B5/00GK103169480SQ20131008483
公開日2013年6月26日 申請日期2013年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月18日
發(fā)明者邢曉曼 申請人:中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所