專利名稱：數(shù)字化近紅外光漫射斷層成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
數(shù)字化近紅外光漫射斷層成像系統(tǒng)屬于近紅外激光，計(jì)算機(jī)，電子以及圖像重構(gòu)在醫(yī)學(xué)中應(yīng)用的綜合技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，已有的近紅外光激光成像的方法主要為以下二種第一種為我實(shí)驗(yàn)室不久前研制的一種數(shù)字化近紅外光醫(yī)學(xué)成像及異物定位系統(tǒng)，它采用高頻近紅外激光作為檢測(cè)光源，通過接收透過人體的散射光子，對(duì)人體軟組織如乳腺等生理組織進(jìn)行成像，具有性能穩(wěn)定，可靠性好，分辨率高；所成圖像采用偽彩方法進(jìn)行處理后，具有直觀，易懂，層次清晰等特點(diǎn)。但該系統(tǒng)采用掃描投影方式進(jìn)行成像，不能得到被探測(cè)部位的斷層圖像。
第二種為一種時(shí)域分辨的成像系統(tǒng)，采用超窄的飛秒脈寬近紅外激光脈沖作為輸入，并檢測(cè)彈道光子強(qiáng)度，排除漫射部分的貢獻(xiàn)，通過傳統(tǒng)的反投影法進(jìn)行成像。涉及的技術(shù)包括飛秒級(jí)超短脈沖激光器的使用、快速時(shí)間門選通、旋轉(zhuǎn)極化分裂等等。這類方法有希望獲得較高的空間分辨率，但需要的設(shè)備比較昂貴。此外，由于彈道光子的個(gè)數(shù)很少，要得到可接受的信噪比，往往需要比較長的時(shí)間，這就使系統(tǒng)的時(shí)間分辨率變得較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，為克服已有技術(shù)的不足，提出一種近紅外光漫射斷層成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用連續(xù)近紅外激光作為檢測(cè)光源，通過一組近紅外光光源分別照射到人體組織上，一組光電探測(cè)依次接收每路光源照射時(shí)從組織中出射的漫射光，通過信號(hào)處理，將檢測(cè)圖象進(jìn)行顯示。本系統(tǒng)采用單路連續(xù)近紅外激光發(fā)射、多通道光纖切換輸出方案，采用高線性度、靈敏度的硅光電二極管為光電探測(cè)器的高動(dòng)態(tài)范圍和信躁比的多路漫射光接收及放大電路，光源，即光纖切換器輸出尾端及探測(cè)器均勻(或非均勻)分布于被測(cè)對(duì)象周圍用以重構(gòu)其斷層信息的源-探測(cè)器配置方案，計(jì)算機(jī)及采集卡構(gòu)成的信號(hào)采集與斷層圖像重構(gòu)系統(tǒng)，配合存儲(chǔ)在微機(jī)中的相應(yīng)軟件，使得重構(gòu)后的圖象更加直觀，易懂，層次清晰。本系統(tǒng)還具有性能穩(wěn)定，可靠性好，設(shè)備成本相對(duì)較低、便攜等特點(diǎn)。
本發(fā)明的特征在于，它含有激光器，其輸出端連接一個(gè)多路光纖切換器的輸入端，該光纖切換器的多個(gè)輸出端圍繞著被測(cè)部位放置，該被測(cè)部位同時(shí)還圍繞著多個(gè)用于檢測(cè)反射和透射光的光電探測(cè)器，所述每一個(gè)光電探測(cè)器的信號(hào)輸出端輸入一個(gè)信號(hào)放大電路，所述每一個(gè)信號(hào)放大電路的輸出端均輸入一個(gè)插在一臺(tái)計(jì)算機(jī)的PCI插槽內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡；所述多路光纖切換器的控制端連接所述計(jì)算機(jī)，由該計(jì)算機(jī)進(jìn)行多路切換控制；所述激光器的調(diào)制端連接一個(gè)低頻信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)輸出端。
所述信號(hào)放大電路含有依次串聯(lián)的低噪聲弱信號(hào)前級(jí)放大電路、二級(jí)放大器、混頻器和低通濾波器；所述低噪聲弱信號(hào)前級(jí)放大電路是一個(gè)運(yùn)算放大器，所述二級(jí)放大器是一個(gè)運(yùn)算放大器；所述混頻器的另一個(gè)輸入端通過一個(gè)移相器與所述低頻信號(hào)發(fā)生器的正弦信號(hào)輸出端相連。
所述信號(hào)放大電路還含有一個(gè)輸入端連接所述數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字I/O輸出端的程控增益電路，所述程控增益電路含有依次串聯(lián)的移位寄存器、鎖存器、繼電器驅(qū)動(dòng)器，所述移位寄存器、鎖存器、繼電器驅(qū)動(dòng)器的個(gè)數(shù)與上述光電探測(cè)器的個(gè)數(shù)相匹配，所述移位寄存器之間相串聯(lián)；所述低噪聲弱信號(hào)前級(jí)放大電路含有兩個(gè)通過繼電器切換的反饋電阻，所述二級(jí)放大器通過另一個(gè)繼電器切換不同的放大倍數(shù)；相對(duì)于每一路信號(hào)放大電路中的低噪聲弱信號(hào)前級(jí)放大電路和二級(jí)放大器，所述繼電器驅(qū)動(dòng)器均有兩個(gè)輸出端分別與所述低噪聲弱信號(hào)前級(jí)放大電路和二級(jí)放大器的繼電器的控制端相連接，用于控制上述放大器的增益切換。
所述光電探測(cè)器是硅光電二極管，其型號(hào)為S1337-33BR。所述激光器的型號(hào)為HYT-Y-02-02M。所述多路光纖切換器是16路光纖切換器，其型號(hào)為Dicon VX500。所述數(shù)據(jù)采集卡型號(hào)為NI PCI6031E。所述低頻信號(hào)發(fā)生器的型號(hào)為ICL8038。所述混頻器的是AD633模擬乘法器。所述低通濾波器是Sallen-Key型Butterworth有源低通濾波器。
經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，本發(fā)明性能穩(wěn)定，可靠性好，設(shè)備成本低；所構(gòu)成的圖象具有直觀，易懂，層次清晰等特點(diǎn)，達(dá)到了預(yù)期的目的。


圖1為本發(fā)明的近紅外光漫射斷層成像系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖。
圖2為本發(fā)明采用的近紅外激光發(fā)射組件。
圖3為本發(fā)明采用的多路光纖切換器示意圖。
圖4為本發(fā)明的成像系統(tǒng)所采用的源、探測(cè)器配置示意圖。
圖5為本實(shí)施例成像系統(tǒng)的一路信號(hào)的放大及后處理框圖。
圖6為本實(shí)施例成像系統(tǒng)的程控增益實(shí)現(xiàn)框圖。
具體實(shí)施例方式在本系統(tǒng)中，單路連續(xù)近紅外激光發(fā)射、多通道光纖切換輸出方案包括波長為800nm左右的大功率近紅外光二極管激光器及其驅(qū)動(dòng)電源(海特光電HTY-P-02-02M)，對(duì)單路光進(jìn)行多路轉(zhuǎn)換的1×16光纖切換器(Dicon VX500，Dicon Fiberoptics)。所說的高動(dòng)態(tài)范圍及信躁比的多路漫射光接收及放大電路包括，將透過生理組織的漫射光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的高靈敏度和高線性度的硅光電二極管(S1337-33BR，Hamamatsu SiPD)，和對(duì)該光電轉(zhuǎn)換器輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大的多級(jí)可程控增益放大器和鎖相放大器。所說的源-探測(cè)器配置方案是指源(多路光纖切換器的輸出端)及探測(cè)器環(huán)繞整個(gè)被測(cè)區(qū)域放置，所有源及探測(cè)器可處于同一個(gè)二維平面內(nèi)(類似于CT)，也可以在不同平面(用于三維重建)，其中一個(gè)源發(fā)射時(shí)，其它所有探測(cè)器同時(shí)接收反射及透射的漫射光信號(hào)。
在計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)的軟件包括用于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制和數(shù)據(jù)采集的軟件以及將采集數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像重構(gòu)的算法。
整個(gè)檢測(cè)過程由存儲(chǔ)在微機(jī)中的軟件程序進(jìn)行控制，檢查步驟過程為
1.啟動(dòng)微機(jī)系統(tǒng)及各部分電源，固定待測(cè)生理組織。
2.將激光器輸出的光信號(hào)通過光纖切換器的一路照射到生理組織上，將預(yù)先存儲(chǔ)的對(duì)應(yīng)該路光源的各放大器增益設(shè)置通過采集卡上的數(shù)字I/O發(fā)送給信號(hào)放大電路。計(jì)算機(jī)控制數(shù)據(jù)采集卡對(duì)多路接收信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。
3.將光信號(hào)切換到另外一路輸出上，重復(fù)2的過程。
4.采集結(jié)果以文件的形式保存在微機(jī)中，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，二維圖像重構(gòu)和結(jié)果圖像顯示。
結(jié)合各附圖詳細(xì)說明如下圖1為本發(fā)明所述近紅外光漫射斷層成像系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖。工作波長為808nm的二極管激光器輸出的激光通過16路光纖切換器耦合到16路輸出上。主計(jì)算機(jī)通過并口控制光纖切換器的通道切換。16路光纖輸出通過直徑為1mm的石英光纖照射到被測(cè)對(duì)象上。16個(gè)硅光電二極管(光電探測(cè)器)將出射的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)傳送給信號(hào)放大電路。信號(hào)放大電路實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)放大，鎖相放大等功能，并將最后的信號(hào)輸出給數(shù)據(jù)采集卡。為了實(shí)現(xiàn)鎖相放大，在采集放大單元中加入了低頻信號(hào)發(fā)生器、移相器和混頻器，并將5kHz的方波信號(hào)輸出到激光源進(jìn)行幅值調(diào)制。多級(jí)程控增益電路用于控制放大器的增益切換。
圖2中的半導(dǎo)體二極管激光器(海特光電HTY-P-02-02M)工作波長808nm，帶尾纖輸出的出纖芯徑為62.5μm，出纖功率0-500mW連續(xù)可調(diào)，其電源模塊可以引入方波信號(hào)發(fā)生器輸出的5kHz方波進(jìn)行調(diào)制。
圖3中光纖切換器(Dicon VX500，Dicon Fiberoptics)實(shí)現(xiàn)將一路光源輸入信號(hào)通過公共端切換到16路光纖輸出通道中，包括1個(gè)輸入通道、16個(gè)輸出通道和一個(gè)與計(jì)算機(jī)并口連接的控制口。
圖4中16個(gè)源和16個(gè)探測(cè)器均勻(也可不均勻)分布在圓形被測(cè)區(qū)域四周，每個(gè)源之間相隔22.5°，源與探測(cè)器之間相差11.25°。一個(gè)源發(fā)射時(shí)其它16個(gè)探測(cè)器同時(shí)接收。每個(gè)源依次發(fā)射一次，總計(jì)采集16×16＝256個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)。
圖5給出了一路信號(hào)的放大及濾波框圖。它由前級(jí)放大，二級(jí)放大，混頻器，低通濾波等組成。
圖6給出了實(shí)現(xiàn)程控增益框圖。利用計(jì)算機(jī)上的數(shù)據(jù)采集卡所提供的數(shù)字I/O線，通過串行的方式將增益設(shè)置逐一發(fā)送給移位寄存器，將串行數(shù)據(jù)并行輸出給鎖存器輸入端，最后通過數(shù)字I/O觸發(fā)鎖存器輸出給繼電器驅(qū)動(dòng)器，完成對(duì)各繼電器的控制，實(shí)現(xiàn)提高各級(jí)放大器動(dòng)態(tài)范圍的目的。在前級(jí)放大電路中，運(yùn)算放大器采用AD549，采用了切換不同的反饋電阻來實(shí)現(xiàn)放大不同倍數(shù)。在第二級(jí)的放大中，采用了具有可變固定增益的運(yùn)算放大器AD621，通過短接或斷開運(yùn)放的增益控制引腳，實(shí)現(xiàn)分別放大10倍和100倍的目的。切換不同的反饋電阻和改變芯片引腳連接關(guān)系都采用繼電器開關(guān)器件來完成。由于每個(gè)通道有2個(gè)開關(guān)需要控制，16個(gè)通道需要對(duì)32個(gè)開關(guān)進(jìn)行控制。由于每個(gè)移位寄存器有8路并行輸出，所以需要4個(gè)移位寄存器級(jí)聯(lián)，其它每個(gè)移位寄存器的串行輸入端與上一個(gè)移位寄存器的最后一位并行輸出端相聯(lián)。同時(shí)也需要4個(gè)8位鎖存器和相應(yīng)的繼電器驅(qū)動(dòng)器。所有移位寄存器共用CLK信號(hào)，所有移位寄存器和鎖存器共用CLR信號(hào)。所以總共需要4根數(shù)字I/O線(Digi I/O)。
鎖相放大主要用于將淹沒于背景噪聲中的微弱信號(hào)檢測(cè)出來。其工作過程如下低頻信號(hào)發(fā)生器將產(chǎn)生的信號(hào)分成兩路，一路用于調(diào)制信號(hào)源，另一路作為參考信號(hào)，經(jīng)移相器后送給混頻器(采用是乘法器)，與放大后的探測(cè)信號(hào)進(jìn)行相乘，并將結(jié)果送到低通濾波器，濾出有用的信號(hào)，其基本原理是相關(guān)檢測(cè)。系統(tǒng)中的低頻信號(hào)發(fā)生器采用ICL8038波形發(fā)生器，產(chǎn)生5kHz的參考信號(hào)和調(diào)制信號(hào)。移相器采用運(yùn)放構(gòu)成的全通網(wǎng)絡(luò)，通過調(diào)節(jié)電阻實(shí)現(xiàn)移相?；祛l器采用AD633模擬乘法器。濾波采用單位增益Sallen-Key型Butterworth有源低通濾波器，截止頻率為1kHz。
所采用的數(shù)據(jù)采集卡(NIPCI6031E)具有64個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換通道，16位分辨率，100kS/s的采樣速度和8根TTL電平輸出的數(shù)字I/O線，可用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和增益控制。
整個(gè)系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)采集程序主要實(shí)現(xiàn)以下功能●對(duì)16個(gè)通道的增益進(jìn)行控制●通過對(duì)并口操作，控制光纖切換器●采集16個(gè)通道的數(shù)據(jù)●顯示某個(gè)通道采集數(shù)據(jù)的波形●實(shí)現(xiàn)斷層成像所需數(shù)據(jù)的自動(dòng)增益設(shè)置及數(shù)據(jù)采集，并將采集結(jié)果保存到數(shù)據(jù)文件中，以便圖像重構(gòu)程序調(diào)用。
本發(fā)明可用于臨床乳腺癌的檢測(cè)，腦功能檢測(cè)等。同時(shí)也可用于其它生理軟組織的癌變或生理功能進(jìn)行檢測(cè)。
權(quán)利要求
1.數(shù)字化近紅外光漫射斷層成像系統(tǒng)，其特征在于，它含有激光器，其輸出端連接一個(gè)多路光纖切換器的輸入端，該光纖切換器的多個(gè)輸出端圍繞著被測(cè)部位放置，該被測(cè)部位同時(shí)還圍繞著多個(gè)用于檢測(cè)反射和透射光的光電探測(cè)器，所述每一個(gè)光電探測(cè)器的信號(hào)輸出端輸入一個(gè)信號(hào)放大電路，所述每一個(gè)信號(hào)放大電路的輸出端均輸入一個(gè)插在一臺(tái)計(jì)算機(jī)的PCI插槽內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡；所述多路光纖切換器的控制端連接所述計(jì)算機(jī)，由該計(jì)算機(jī)進(jìn)行多路切換控制；所述激光器的調(diào)制端連接一個(gè)低頻信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)輸出端。
2.如權(quán)利要求1所述的數(shù)字化近紅外光漫射斷層成像系統(tǒng)，其特征在于，所述信號(hào)放大電路含有依次串聯(lián)的低噪聲弱信號(hào)前級(jí)放大電路、二級(jí)放大器、混頻器和低通濾波器；所述低噪聲弱信號(hào)前級(jí)放大電路是一個(gè)運(yùn)算放大器，所述二級(jí)放大器是一個(gè)運(yùn)算放大器；所述混頻器的另一個(gè)輸入端通過一個(gè)移相器與所述低頻信號(hào)發(fā)生器的正弦信號(hào)輸出端相連。
3.如權(quán)利要求2所述的數(shù)字化近紅外光漫射斷層成像系統(tǒng)，其特征在于，所述信號(hào)放大電路還含有一個(gè)輸入端連接所述數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字I/O輸出端的程控增益電路，所述程控增益電路含有依次串聯(lián)的移位寄存器、鎖存器、繼電器驅(qū)動(dòng)器，所述移位寄存器、鎖存器、繼電器驅(qū)動(dòng)器的個(gè)數(shù)與上述光電探測(cè)器的個(gè)數(shù)相匹配，所述移位寄存器之間相串聯(lián)；所述低噪聲弱信號(hào)前級(jí)放大電路含有兩個(gè)通過繼電器切換的反饋電阻，所述二級(jí)放大器通過另一個(gè)繼電器切換不同的放大倍數(shù)；相對(duì)于每一路信號(hào)放大電路中的低噪聲弱信號(hào)前級(jí)放大電路和二級(jí)放大器，所述繼電器驅(qū)動(dòng)器均有兩個(gè)輸出端分別與所述低噪聲弱信號(hào)前級(jí)放大電路和二級(jí)放大器的繼電器的控制端相連接，用于控制上述放大器的增益切換。
4.如權(quán)利要求1所述的數(shù)字化近紅外光漫射斷層成像系統(tǒng)，其特征在于，所述光電探測(cè)器是硅光電二極管，其型號(hào)為S1337-33BR。
5.如權(quán)利要求1所述的數(shù)字化近紅外光漫射斷層成像系統(tǒng)，其特征在于，所述激光器的型號(hào)為HYT-Y-02-02M。
6.如權(quán)利要求1所述的數(shù)字化近紅外光漫射斷層成像系統(tǒng)，其特征在于，所述多路光纖切換器是16路光纖切換器，其型號(hào)為Dicon VX500。
7.如權(quán)利要求1所述的數(shù)字化近紅外光漫射斷層成像系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集卡型號(hào)為NI PCI6031E。
8.如權(quán)利要求1所述的數(shù)字化近紅外光漫射斷層成像系統(tǒng)，其特征在于，所述低頻信號(hào)發(fā)生器的型號(hào)為ICL8038。
9.如權(quán)利要求2所述的數(shù)字化近紅外光漫射斷層成像系統(tǒng)，其特征在于，所述混頻器是AD633模擬乘法器。
10.如權(quán)利要求2所述的數(shù)字化近紅外光漫射斷層成像系統(tǒng)，其特征在于，所述低通濾波器是Sallen-Key型Butterworth有源低通濾波器。
全文摘要
數(shù)字化近紅外光漫射斷層成像系統(tǒng)屬于近紅外激光，計(jì)算機(jī)，電子以及圖像重構(gòu)在醫(yī)學(xué)中應(yīng)用的綜合技術(shù)領(lǐng)域。其特征在于，它含有激光器，其輸出端連接一個(gè)多路光纖切換器的輸入端，該光纖切換器的多個(gè)輸出端圍繞著被測(cè)部位放置，該被測(cè)部位同時(shí)還圍繞著多個(gè)用于檢測(cè)反射和透射光的光電探測(cè)器，每一個(gè)光電探測(cè)器的信號(hào)輸出端輸入一個(gè)信號(hào)放大電路，每一個(gè)信號(hào)放大電路的輸出端均輸入一個(gè)插在一臺(tái)計(jì)算機(jī)的PCI插槽內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡；多路光纖切換器的控制端連接所述計(jì)算機(jī)，由該計(jì)算機(jī)進(jìn)行多路切換控制；激光器的調(diào)制端連接一個(gè)低頻信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)輸出端。本發(fā)明性能穩(wěn)定，可靠性好，設(shè)備成本低；所構(gòu)成的圖象具有直觀，易懂，層次清晰等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N21/00GK1561912SQ20041003079
公開日2005年1月12日 申請(qǐng)日期2004年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月9日
發(fā)明者白凈, 張永紅, 周俊 申請(qǐng)人:清華大學(xué)