專利名稱：一種基于指數(shù)型光子密度動態(tài)調整的目標檢測裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及醫(yī)療設備技術領域，特別是近紅外光譜成像的目標檢測設備。

背景技術：
近紅外光譜成像是從二十世紀七十年代發(fā)展起來的一種無創(chuàng)成像技術。它以其無創(chuàng)，便攜，實時和價格低廉的特點受到研究者的廣泛關注，并在最近的三十年中得到了迅速的發(fā)展。
生物組織作為一種強散射介質，當近紅外光在生物組織內傳輸時，作為組織內主要成分的水、氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白對近紅外光具有低吸收、高散射的特性，因此近紅外光可以在生物組織中傳播數(shù)厘米，構成探測組織內部活動的“光醫(yī)療窗口”。水、氧合血紅蛋白和脫氧合血紅蛋白對近紅外光的吸收曲線如圖1所示。
近紅外光通過激光光源探頭入射進生物組織，在組織體內發(fā)生多次散射后，從組織內出射并由激光接收探頭接收。近紅外光在生物組織中的傳播路徑如圖2所示。近紅外光在組織中傳播，隨著入射組織深度的增加，近紅外光子密度呈指數(shù)下降，這樣就使得深層組織具有比較小的光子密度。這也是導致現(xiàn)有的近紅外設備不能檢測到深層腫瘤或者深層成像分辨率比較低的主要原因。圖4為腫瘤在組織下面3.8cm時，現(xiàn)有的近紅外設備的成像效果圖。圖3為腫瘤在組織下面3.8cm時的真實圖像。
從圖4可以看出，由于組織深層相對于組織淺層具有較小的光子密度，因此腫瘤成像通常傾向于組織的表面，腫瘤的位置誤差比較大。


發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種指數(shù)型的光子密度動態(tài)調整的目標檢測裝置，以解決現(xiàn)有近紅外成像設備對組織深層結構不敏感，深層分辨率差的問題。
為達到上述目的，本發(fā)明的解決方案是 一種基于指數(shù)型光子密度動態(tài)調整的目標檢測裝置，包括近紅外光產生裝置、激光光源探頭、激光接收探頭、光子密度記錄器和組織成像系統(tǒng)；其還包括光子密度權重調整器，其中 近紅外光產生裝置，用于產生近紅外光，與激光光源探頭相連； 激光光源探頭，用于將近紅外光傳導至檢測目標，其輸入端與近紅外光產生裝置相連，輸出端和檢測目標相連； 激光接收探頭，用于接收從組織出射的光子，其接收端與檢測目標相連，輸出端和成像系統(tǒng)相連； 光子密度記錄器，用于記錄組織內每一體素上的光子數(shù)，其輸出端與光子密度權重調整器相連； 光子密度權重調整器，用于對光子密度進行指數(shù)形式調整，其輸出端與組織成像系統(tǒng)相連； 組織成像系統(tǒng)，根據調整后的光子密度信息和接收探頭的測量數(shù)據對檢測目標進行成像。
所述的目標檢測裝置，其所述光子密度權重調整器，是根據成像深度對光子密度進行調整，調整曲線呈指數(shù)型，調整曲線上的最大值與最小值之比稱為調整權重的動態(tài)范圍；當成像在接近檢測目標表面時，光子密度乘以具有較小動態(tài)范圍的調整權重；當成像遠離檢測目標表面時，光子密度乘以具有較大動態(tài)范圍的調整權重；調整過程中，調整權重的較大值作用在較深層的光子密度上；調整權重的較小值作用在較淺層光子密度上。
所述的目標檢測裝置，其所述光子密度記錄器，是用來記錄檢測目標內每一體素上通過的光子數(shù)，也就是在某一時間范圍內，每一體素上通過的光子總數(shù)。
所述的目標檢測裝置，其所述光子密度權重調整器，是指數(shù)型光子密度權重調整器，其調整權重M以下式表示
其中 ML為第L層組織光子密度矩陣的最大奇異值，取值范圍為ML>0； ML-1為第L-1層組織光子密度矩陣的最大奇異值，取值范圍為ML-1>0； MK為第K層組織光子密度矩陣的最大奇異值，取值范圍為MK>0； M1為第1層組織光子密度矩陣的最大奇異值，取值范圍為M1>0； a為光子密度權重動態(tài)范圍的調整指數(shù)，0≤a≤3。
所述的目標檢測裝置，其所述指數(shù)型光子密度調整器，從第一層到第L層光子密度調整權重呈現(xiàn)指數(shù)增加的形式，具體關系如下(ML)a<(ML-1)a<……<(M1)a。
所述的目標檢測裝置，其所述指數(shù)型光子密度調整器，在淺層目標成像時，光子密度權重動態(tài)范圍的調整指數(shù)a取較小值；深層目標成像時，增大光子密度權重動態(tài)范圍的調整指數(shù)a，從而使深層光子密度獲得更大的調整權重。
所述的目標檢測裝置，其所述淺層腫瘤距離檢測目標表面小于1.5cm為淺層；深層腫瘤距離檢測目標表面大于1.5cm為深層； 光子密度權重動態(tài)范圍的調整指數(shù)取值范圍為0≤a≤3，當0≤a≤1時為小，得到較小動態(tài)范圍的調整權重M，對應于腫瘤在淺層時的成像；當1<a≤3時為大，得到較大動態(tài)范圍的調整權重M，對應于腫瘤在深層時的成像。
所述的目標檢測裝置，其所述指數(shù)型光子密度調整器，其調整步驟如下 步驟一計算檢測目標內每個體素的深度，具有同一深度的體素被看作是同一層上的組織； 步驟二計算每層組織內光子密度矩陣的最大奇異值，由淺層到深層分別為M1，M2，……ML-1，ML； 步驟三將所有屬于第一層結構的光子密度乘以系數(shù)(ML)a，將所有屬于第二層結構的光子密度乘以系數(shù)(ML-1)a，以此類推，將所有屬于第L層結構的光子密度乘以系數(shù)(M1)a； 然后利用得到的調整后的光子密度信息和接收探頭的測量數(shù)據對檢測目標進行成像 本發(fā)明所設計的檢測裝置，其核心內容為在光子密度權重調整器中，對光子密度進行指數(shù)型調整。同時，根據欲觀察目標的深度，選擇適當?shù)膭討B(tài)調整范圍。即當成像在距離檢測目標上表面1.5cm時，光子密度的調整權重具有較小動態(tài)范圍的，例如，調整指數(shù)0≤a≤1時得到的動態(tài)范圍0<R≤110；當成像距離檢測目標上表面大于1.5cm時，光子密度的調整權重應該具有較大的動態(tài)范圍，例如，調整指數(shù)1<a≤3時得到的動態(tài)范圍110<R≤1325700。調整過程中，調整權重的較大值作用在較深層的光子密度上；調整權重的較小值作用在較淺層光子密度上，也就是調整參數(shù)(ML)a，(ML-1)a，……(M1)a分別作用在組織結構的第1，2，……L層。這種具有不同動態(tài)范圍的指數(shù)型調整方法能夠有效檢測出具有不同深度的目標。



圖1現(xiàn)有技術生物體重要成分對光的吸收曲線圖； 圖2近紅外光在生物組織中的傳播路徑示意圖； 圖3組織深層包含一個腫瘤的真實圖像； 圖4現(xiàn)有技術對組織深層包含一個腫瘤的成像效果圖； 圖5本發(fā)明的基于指數(shù)型光子密度調整的目標檢測裝置結構圖； 圖6是光子密度權重調整器流程方框圖； 圖7本發(fā)明的指數(shù)型光子密度調整曲線在調整指數(shù)a＝1時的形狀示意圖； 圖8本發(fā)明實施例組織深層包含一個腫瘤的成像效果圖； 圖9組織淺層包含一個腫瘤的真實圖像； 圖10本發(fā)明實施例組織淺層包含一個腫瘤的成像效果圖； 圖11組織中包含多個腫瘤的真實圖像示意圖； 圖12現(xiàn)有技術對組織中包含多個腫瘤的成像效果圖； 圖13本發(fā)明實施例對組織中包含多個腫瘤的成像效果圖。

具體實施例方式 本發(fā)明實施例所設計的光子密度指數(shù)型調整的目標檢測裝置，如圖5所示，光子密度權重調整器流程(如圖6所示)。在如圖5所示的裝置中 近紅外光產生裝置1，為He-Ne激光器，所產生的近紅外光波長范圍為600納米到950納米的電磁波； 激光光源探頭2，由多模光纖組成，用于將裝置1產生的近紅外光傳導至檢測目標； 激光接收探頭3，由硅電二極管和多模光纖組成，用于接收從組織出射的光子； 光子密度記錄器4，用MonteCarlo方法實現(xiàn)，用于記錄組織內每個體素到達的光子數(shù)； 光子密度權重調整器5，通過人機交互接口，用于對光子密度進行指數(shù)形式調整； 成像裝置6，通過C語言編程實現(xiàn)。
本發(fā)明實施例所設計的指數(shù)型光子密度動態(tài)調整的目標檢測裝置，其光子密度調整的實施方式主要分為三個部分計算檢測目標中各體素點的深度；指數(shù)型光子密度動態(tài)調整時其調整曲線的定義；指數(shù)型光子密度動態(tài)調整的實施步驟。
一、計算檢測目標中各體素點的深度 計算檢測目標中各體素點的深度是為了將所有屬于相同深度的體素作為同一層組織來研究。各體素點深度定義方法為組織表面為第0層；組織內部與表面的最短距離為1mm的體素為第一層；組織內部與表面的最短距離為2mm的體素為第二層；以此類推，組織內部與表面的最短距離為Lmm的體素為第L層。
二、指數(shù)型光子密度動態(tài)調整調整曲線的定義 本發(fā)明實例所采用的指數(shù)型光子密度動態(tài)調整曲線由下式確定， 首先，計算每層組織光子密度的最大奇異值，因為這些值能夠反應出組織中光子能量的指數(shù)衰減。從淺層到深層這些值分別為M1，M2，......ML； 然后，對每層組織的光子密度實現(xiàn)指數(shù)型調整，其調整權重M為
其中 ML為第L層組織光子密度矩陣的最大奇異值，取值范圍為ML>0； ML-1為第L-1層組織光子密度矩陣的最大奇異值，取值范圍為ML-1>0； MK為第K層組織光子密度矩陣的最大奇異值，取值范圍為MK>0； M1為第1層組織光子密度矩陣的最大奇異值，取值范圍為M1>0； a為光子密度權重動態(tài)范圍的調整指數(shù)，0≤a≤3。
從第一層到第L層，每層光子密度矩陣的最大奇異值具有指數(shù)增加的分布形式，具體關系為ML<ML-1<......<MK......<M1。例如檢測目標L＝21層時，這些值所構成的曲線如圖7所示，圖7也可以看成是在調整指數(shù)a＝1時的指數(shù)型光子密度調整曲線； 動態(tài)范圍R定義為R＝(max(M)/min(M))a 其中 max(M)為調整權重M的最大值； min(M)為調整權重M的最小值； a為光子密度權重動態(tài)范圍的調整指數(shù)。
光子密度權重調整器，是根據成像深度對光子密度進行調整，調整曲線呈指數(shù)型。調整曲線上的最大值與最小值之比稱為調整權重的動態(tài)范圍，例如圖7中最大值與最小值之比得到的動態(tài)范圍R＝0.3735/0.0034＝111；當腫瘤距離檢測目標上表面較小時，光子密度的調整權重具有較小的動態(tài)范圍，例如圖9中，腫瘤距離檢測目標上表面1.2cm時，指數(shù)型光子密度的動態(tài)范圍R＝111，調整后的圖像如圖10所示；當成像遠離檢測目標表面時，光子密度的調整權重具有較大的動態(tài)范圍，例如圖3中，腫瘤距離檢測目標上表面3.8cm時，指數(shù)型光子密度的動態(tài)范圍R＝129470，調整后的圖像如圖8所示。調整過程中，調整參數(shù)的較大值作用在較深層的光子密度上，調整參數(shù)的較小值作用在較淺層光子密度上，也就是說，所得到的調整參數(shù)(ML)a，(ML-1)a，……(M1)a分別作用在組織結構的第1，2，……L層。
指數(shù)型光子密度調整器，在淺層目標成像時，調整指數(shù)a取較小值，例如，圖9中，腫瘤距離檢測目標上表面1.2cm時，調整指數(shù)a＝1，指數(shù)型調整后得到的圖像如圖10所示；深層目標成像時，增大調整指數(shù)a，從而使深層光子密度獲得更大的調整權重。例如圖3中，腫瘤距離檢測目標上表面3.8cm時，調整指數(shù)a＝2.5，指數(shù)型調整后得到的圖像如圖8所示。
三、指數(shù)型光子密度動態(tài)調整的實施步驟 首先，根據檢測目標中各體素點的深度的計算方法，確定檢測目標的層數(shù)； 其次，計算每一層組織光子密度的最大奇異值，從淺層到深層分別為M1，M2，......ML； 最后，將所有屬于第一層的光子密度乘以(ML)a，將所有屬于第二層的光子密度乘以(ML-1)a，以此類推，將所有屬于第1層的光子密度乘以(M1)a，然后利用得到的調整后的光子密度信息和接收探頭的測量數(shù)據對檢測目標進行成像。
實施例一 圖8所示為基于指數(shù)型調整的組織深層包含一個腫瘤的成像效果圖。圖3顯示了組織深層包含一個腫瘤的真實圖像，其中目標的直徑為6mm，腫瘤的深度為組織下面3.8cm。
對比圖3，可以看出，圖8中，腫瘤位置的準確性非常高，具有非常好的成像效果。
在本實例中，調整權重M中的調整指數(shù)a＝2.5，調整參數(shù)的動態(tài)范圍R＝129470。
實施例二 圖8所示為組織淺層包含一個直徑為6mm的腫瘤，其中腫瘤位于組織下面1.2cm。圖10為本發(fā)明的指數(shù)型調整目標檢測裝置的成像效果圖。
可以看出，指數(shù)型調整的目標檢測裝置對組織淺層的腫瘤也具有非常理想的成像效果。
在本實例中，調整指數(shù)a＝1，調整參數(shù)的動態(tài)范圍R＝111。
實施例三 圖11所示為組織中包含多個腫瘤的真實圖像。而且這些腫瘤具有不同深度，分別為組織下面1cm，2cm和3cm。每個腫瘤大小都為8mm。圖12為現(xiàn)有技術的成像效果圖。圖13為本發(fā)明的指數(shù)型調整目標檢測裝置的成像效果圖。
從成像效果可以看出，現(xiàn)有的近紅外成像設備不能檢測出組織深層的腫瘤；而本發(fā)明的指數(shù)型調整后的目標檢測裝置中，三個腫瘤都能準確檢測到；而且具有位置誤差比較小，整體成像效果好的特點。這說明指數(shù)型調整后的目標檢測裝置對多個不同深度的腫瘤也具有很好的檢出能力。
在本實例中，調整指數(shù)a＝1.8，調整參數(shù)的動態(tài)范圍R＝4795。
以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉該技術的人在本發(fā)明所揭露的技術范圍內，可理解想到的變換或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內，因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。
權利要求
1、一種基于指數(shù)型光子密度動態(tài)調整的目標檢測裝置，包括近紅外光產生裝置、激光光源探頭、激光接收探頭、光子密度記錄器和組織成像系統(tǒng)；其特征為還包括光子密度權重調整器，其中
近紅外光產生裝置，用于產生近紅外光，與激光光源探頭相連；
激光光源探頭，用于將近紅外光傳導至檢測目標，其輸入端與近紅外光產生裝置相連，輸出端和檢測目標相連；
激光接收探頭，用于接收從組織出射的光子，其接收端與檢測目標相連，輸出端和成像系統(tǒng)相連；
光子密度記錄器，用于記錄組織內每一體素上的光子數(shù)，其輸出端與光子密度權重調整器相連；
光子密度權重調整器，用于對光子密度進行指數(shù)形式調整，其輸出端與成像系統(tǒng)相連；
組織成像系統(tǒng)，根據調整后的光子密度信息和接收探頭的測量數(shù)據對檢測目標進行成像。
2、根據權利要求1所述的目標檢測裝置，其特征為所述光子密度權重調整器，是根據成像深度對光子密度進行調整，調整曲線呈指數(shù)型，調整曲線上的最大值與最小值之比稱為調整權重的動態(tài)范圍；當成像在接近檢測目標表面時，光子密度乘以具有較小動態(tài)范圍的調整權重；當成像遠離檢測目標表面時，光子密度乘以具有較大動態(tài)范圍的調整權重；調整過程中，調整權重的較大值作用在較深層的光子密度上；調整權重的較小值作用在較淺層光子密度上。
3、根據權利要求1所述的目標檢測裝置，其特征為所述光子密度記錄器，是用來記錄檢測目標內每一體素上通過的光子數(shù)，也就是在某一時間范圍內，每一體素上通過的光子總數(shù)。
4、根據權利要求2所述的目標檢測裝置，其特征為所述光子密度權重調整器，是指數(shù)型光子密度權重調整器，其調整權重M以下式表示
其中
ML為第L層組織光子密度矩陣的最大奇異值，取值范圍為ML>0；
ML-1為第L-1層組織光子密度矩陣的最大奇異值，取值范圍為ML-1>0；
MK為第K層組織光子密度矩陣的最大奇異值，取值范圍為MK>0；
M1為第1層組織光子密度矩陣的最大奇異值，取值范圍為M1>0；
a為光子密度權重動態(tài)范圍的調整指數(shù)，0≤a≤3。
5、根據權利要求4所述的目標檢測裝置，其特征為所述指數(shù)型光子密度調整器，從第一層到第L層光子密度調整權重呈現(xiàn)指數(shù)增加的形式，具體關系如下(ML)a<(ML-1)a<……<(M1)a。
6、根據權利要求4所述的目標檢測裝置，其特征為所述指數(shù)型光子密度調整器，在淺層目標成像時，光子密度權重動態(tài)范圍的調整指數(shù)a取較小值；深層目標成像時，增大光子密度權重動態(tài)范圍的調整指數(shù)a，從而使深層光子密度獲得更大的調整權重。
7、根據權利要求2、4或6所述的目標檢測裝置，其特征為所述淺層腫瘤距離檢測目標表面小于1.5cm為淺層；深層腫瘤距離檢測目標表面大于1.5cm為深層；
光子密度權重動態(tài)范圍的調整指數(shù)取值范圍為0≤a≤3，當0≤a≤1時為小，得到較小動態(tài)范圍的調整權重M，對應于腫瘤在淺層時的成像；當1<a≤3時為大，得到較大動態(tài)范圍的調整權重M，對應于腫瘤在深層時的成像。
8、根據權利要求2或4所述的目標檢測裝置，其特征為所述指數(shù)型光子密度調整器，其調整步驟如下
步驟一計算檢測目標內每個體素的深度，具有同一深度的體素被看作是同一層上的組織；
步驟二計算每層組織內光子密度矩陣的最大奇異值，由淺層到深層分別為M1，M2，……ML-1，ML；
步驟三將所有屬于第一層結構的光子密度乘以系數(shù)(KL)a，將所有屬于第二層結構的光子密度乘以系數(shù)(ML-1)a，以此類推，將所有屬于第L層結構的光子密度乘以系數(shù)(M1)a；
然后利用得到的調整后的光子密度信息和接收探頭的測量數(shù)據對檢測目標進行成像。
全文摘要
本發(fā)明一種基于光子密度指數(shù)型調整的目標檢測裝置。該裝置可用于人體組織內腫瘤的近紅外無創(chuàng)檢測。該裝置主要解決了以往的近紅外成像設備對深層結構不敏感，檢測效果差的問題。本發(fā)明根據成像深度對光子密度進行調整，調整曲線呈指數(shù)型。調整曲線上最大值與最小值之比稱為調整權重的動態(tài)范圍。當成像在接近檢測目標表面時，光子密度乘以具有較小動態(tài)范圍的調整權重；當成像遠離檢測目標表面時，光子密度乘以具有較大動態(tài)范圍的調整權重。調整過程中，調整權重的較大值作用在深層的光子密度上；調整權重的較小值作用在淺層的光子密度上。這種具有不同動態(tài)范圍的指數(shù)型調整方法能夠有效檢測出具有不同深度的目標。
文檔編號G06F17/00GK101543398SQ200810102799
公開日2009年9月30日 申請日期2008年3月26日 優(yōu)先權日2008年3月26日
發(fā)明者蔣田仔, 牛海晶, 吉利軍 申請人:中國科學院自動化研究所