專利名稱：基于數(shù)字鎖相檢測技術(shù)的光學(xué)拓撲成像系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于近紅外組織光學(xué)成像領(lǐng)域，具體涉及基于數(shù)字鎖相檢測技術(shù)的光學(xué)拓撲成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
由于大腦的神經(jīng)活動對周圍區(qū)域的血紅蛋白濃度有很大的影響，而在近紅外光測量和治療的光學(xué)窗口 ^00nm-900nm)，腦組織對光的吸收主要依賴于血紅蛋白，從而可以通過對大腦皮層相應(yīng)功能區(qū)采用該波段的多個波長點進行光譜測量，來獲得氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的濃度變化圖[I]。以此來定量獲取神經(jīng)相關(guān)功能和生理信息，可實現(xiàn)提高神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷特異性和靈敏度。近十年來，由近紅外組織光譜技術(shù)(Near Infrared SpectroscopyNIRS)發(fā)展而來的光學(xué)拓撲成像(Optical Topography, OT)作為一種新興的完全無損活體成像技術(shù),在人類大腦皮層功能成像方面顯示出其特定的優(yōu)越性[2]。該成像技術(shù)基于組織體的近紅外 “窗口效應(yīng)”，采用反射擴散光測量方式，根據(jù)大腦的外形來合理布局測量點，可有效克服了采用近紅外光在實現(xiàn)腦組織功能測量時低的透射能力的缺點，實現(xiàn)腦皮層功能相關(guān)血氧變化空間分辨測量。近年來,OT的研究重點已從追求高空間分辨轉(zhuǎn)向大腦皮層的高動態(tài)定量成像方面，以期準(zhǔn)確獲取大腦功能區(qū)神經(jīng)系統(tǒng)應(yīng)激響應(yīng)模式和功能信息[3]。以O(shè)T為代表的腦功能光學(xué)測量技術(shù)正在逐漸發(fā)展成熟并進入正式臨床應(yīng)用階段，成為現(xiàn)有腦成像模態(tài) (fMRI、EEG、MEG等)[4]的一個極為有益的補充。OT系統(tǒng)有時域(Time-Domain，TD) [5-7]、 頻域分辨(Frequency-Domain,FD) [8]和連續(xù)光(Continuous-Wave,CW) [9-10]三種主要測量模式。TD-OT系統(tǒng)雖然具有測量信息相對完整，但是其系統(tǒng)價格昂貴、測量時間長，難以在小型實驗室中進行普及和測量神經(jīng)快變信號。FD-OT系統(tǒng)一般需要200MHz以上的高頻調(diào)制以實現(xiàn)相移測量所需的合理信噪比，實現(xiàn)難度較大，單頻測量提供的信息有限，而多頻測量系統(tǒng)性價比與時域測量相比不占優(yōu)勢。因此，CW系統(tǒng)是腦功能光學(xué)成像的主流技術(shù)。 目前，國內(nèi)外的科學(xué)工作者在CW-OT技術(shù)系統(tǒng)和基礎(chǔ)研究領(lǐng)域做了大量的工作，也取得了諸多成果，所發(fā)展的實用系統(tǒng)或者采用高靈敏的光子探測器件，如光電倍增管(PMT)和雪崩光電二極管(APD)，價格昂貴；或者采用普通的光電二極管模擬測量方式，測量信噪比不高，探測面積受到很大限制。參考文獻[I]Hiroshi Kawaguchi, Tatsuya Koyama, Eiji Okada, Virtual Head Phantom for Evaluation of Near Infrared Topography, Lasers and Electro-Optics Society (2006).[2]徐可欣，高峰，趙會娟，生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)(第二版)，北京科學(xué)出版社(2011).[3] Joseph M. Lasker, James M. Masciotti , and Matthew Schoenecker, Christoph H. Schmitz,Andreas H. Hielscher,Digital-signal-processor based dynamic
3imaging system for optical tomography. Review of Scientific Instruments 78， 083706(2007).[4]Hideaki Koizumi, Atsushi Maki, Tsuyoshi Yamamoto，Hiroki Sato, Yukari Yamamoto，Hideo Kawaguchi, Non-invasive brain—function imagmg by optical topography, Trends in Analytical Chemistry, Vol. 24, No.2 (2005).[5]M. S. Patterson,B. Chance and B. C. Wilson, Time resolved reflectance and transmittance for the noninvasive measurement of tissue optical properties, AppI. Opt.，28，2331-2336(1989) ·[6]許棠一，張春平，王新宇等，時問分辨反射確定生物組織光學(xué)參數(shù)的研究，光電子·激光，15(1) :108-112(2004).[7]趙會娟，高峰，山田幸生，基于多通道時間分辨光學(xué)層析成像系統(tǒng)的差分圖像研究，光學(xué)學(xué)報，24 (12)，1437-1443 (2001) ·[8] E. M. Sevick, B. Chance，J. Leigh, et al，Quantitation of time-and frequency-resolved optical spectra for the determination of tissue oxygenation, Anal. Biochem，195 :330-351 (1991).[9]M. G. Nichols，E.L.Hull，and T. H. Foster, Design and testing of a white-light steady-state diffuse reflectance spectrometer for determination of optical properties of highly scattering systems, Appl. Opt. , 36,1-12 (1997).[10] J. S. Dam，C. B. Pedersen, T. Dalgaard et. al, Fiber optic probe for noninvasive real-time determination of tissue optical properties at multiple wavelengths, Appl. Opt.，40，1155-1164 (2000) ·[ll]Lihong V. Wang,Hsin-I Wu,Biomedical Optics !Principles and Imaging， Wiley-Interscience,2006.[12]James M. Masciotti, J. M Lasker, A. H. Hielscher, Digital Lock-in Algorithm for Biomedical Spectroscopy and Imaging Instruments with Multiple Modulated Sources， Proceedings of the 28th IEEE EMBS Annual International Conference New York City，USA，Aug 30-Sept 3，3198-3210(2006).

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種能夠有效提高OT系統(tǒng)的測量信噪比和時間動態(tài)性，的光學(xué)拓撲成像系統(tǒng)。本發(fā)明將數(shù)字鎖相檢測技術(shù)與多波長CW-OT測量模式相結(jié)合，為實現(xiàn)腦功能成像測量信息的高定量和高通量性奠定基礎(chǔ)。本發(fā)明的技術(shù)方案如下光源部分包括至少2個不同近紅外波長的激光器、多通道直接數(shù)字合成正弦信號調(diào)制器、單模光纖、波分復(fù)用器和光開關(guān)，多通道直接數(shù)字合成正弦信號調(diào)制器用于輸出對不同近紅外波長的激光器進行調(diào)制的不同頻率的正弦信號；經(jīng)過調(diào)制的多個所激光器產(chǎn)生的不同波長的近紅外激光由多路單模光纖耦合到波分復(fù)用器并由一路光纖輸出；光開關(guān)實現(xiàn)對不同的光源入射位置進行轉(zhuǎn)換；探測部分包括多根源光纖和探測光纖、源-探測光纖布配貼片、四個硅光電二極管探測器以及多通道的程控濾波放大器，源光纖用于傳導(dǎo)照射到組織體表面不同源位置的入射光，探測光纖用于傳導(dǎo)由組織體表面不同探測位置反射的漫反射光，源-探測光纖布配貼片用于布配源、探測光纖以實現(xiàn)光源從不同源點入射和探測器從不同的探測點接收出射光，所述的源-探測光纖布配貼片包括分別分布在一個正方形的四個頂點和中心的五個源點，以及分布在四個邊的中點位置的四個探測點，形成十二個等距的源-探測對，每個源-探測對對應(yīng)一個采樣點；每個硅光電二極管探測器連接到一個探測點，用于將該探測點對應(yīng)光纖采集的漫反射混合信號轉(zhuǎn)換成電信號，程控濾波放大器用于將各個硅光電二極管探測器輸出的電信號進行放大和濾波；數(shù)據(jù)采集部分用于對經(jīng)過放大和濾波的電信號進行采集并進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。計算機對由數(shù)據(jù)采集部分輸入的數(shù)字信號進行數(shù)字鎖相和重建成像處理。本發(fā)明同時提供一種采用所述的光學(xué)拓撲成像系統(tǒng)實現(xiàn)的組織體成像方法，其特征在于，包括下列步驟I)利用不同頻率的正弦信號對不同波長的激光器進行調(diào)制，并經(jīng)過波分復(fù)用器進行耦合，得到不同波長的近紅外混合激光信號，通過光開關(guān)控制該路混合激光信號在組織體表面不同源點逐次入射，每換一個源點，各通道同時在組織體表面不同的探測點采集一次漫反射激光信號，將其轉(zhuǎn)換成電信號，并將該電信號進行放大和A/D轉(zhuǎn)換，由此得到多組離散的漫反射混合信號數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)對應(yīng)一個采樣點；2)分別對兩個不同時刻的采集的數(shù)據(jù)進行數(shù)字鎖相處理，得到兩個時刻在兩個不同波長的漫反射激光信號的和不同采樣點處的幅值；3)利用上述步驟得到的幅值，根據(jù)朗伯-比爾定律，分別計算十二個采樣點在兩個波長下對應(yīng)的吸收系數(shù)，并計算兩個時刻吸收系數(shù)的變化量，再利用該吸收系數(shù)變化量進行成像。本發(fā)明提供了一種基于數(shù)字鎖相檢測技術(shù)的CW-OT實用系統(tǒng)及成像方法。該系統(tǒng)將硅光電二極管光電探測器、多波長數(shù)字鎖相檢測技術(shù)和優(yōu)化的激勵-檢測布配模式相結(jié)合，與時域(TD)測量技術(shù)和頻域(FD)成像系統(tǒng)相比，本發(fā)明提供的基于連續(xù)光和數(shù)字鎖相檢測技術(shù)的光學(xué)拓撲成像系統(tǒng)價格低廉，定性測量成像穩(wěn)定性好，另外，本發(fā)明由于采用了數(shù)字鎖相不僅能夠?qū)崿F(xiàn)多個波長點的同時測量成像，而且還能很好地濾除各類噪聲干擾， 從而可大大提高系統(tǒng)的測量面積及其精確度。具體而言，本發(fā)明具有以下技術(shù)效果I)該發(fā)明采用兩個以上的半導(dǎo)體激光器和四個硅光電二極管探測器，實現(xiàn)了雙波長十二采樣點成像，系統(tǒng)簡單廉價，穩(wěn)定性好，易于實現(xiàn)。2)該發(fā)明采用吸收系數(shù)的變化量進行成像，能夠有效消除背景噪聲及激勵源的影響，提高了成像的準(zhǔn)確性。3)該發(fā)明采用反射擴散光測量方式，并根據(jù)組織體的外形來合理布局測量點，有效克服了近紅外光在實現(xiàn)組織體特別是腦組織測量低的透射能力的缺點。4)該發(fā)明采用多波長多通道并行測量方法，可有效提高OT系統(tǒng)的時間動態(tài)性。5)該發(fā)明采用數(shù)字鎖相算法來實現(xiàn)漫反射光信號幅值的提取，除了能獨自分離出各個分信號的幅值外，其中的均值濾波器能很好地除掉其他的干擾信號，大大地提高了系統(tǒng)的測量面積及其準(zhǔn)確性。


圖I :基于數(shù)字鎖相檢測技術(shù)的光學(xué)拓撲成像系統(tǒng)的原理框圖。圖2 :吸收系數(shù)變化量的二維拓撲成像原理示意圖。圖3 :源-探測布配貼片示意圖。圖4:數(shù)字鎖相流程圖。圖5 :均值濾波器的頻率響應(yīng)。圖6 :吸收系數(shù)變化量的二維拓撲成像圖，(a)的波長為660nm，(b)的波長為 830nm。
具體實施例方式本發(fā)明提供了一種基于數(shù)字鎖相檢測技術(shù)的光學(xué)拓撲成像系統(tǒng)，包括光源部分， 探測部分，數(shù)據(jù)采集部分和計算機，其原理框圖如圖I所示，其中，光源部分包括兩通道直接數(shù)字合成(DDS)正弦信號調(diào)制器、兩個不同近紅外波長的激光器(波長分別為660nm和830nm)、單模光纖、波分復(fù)用器(二合一)和光開關(guān) (5:1)。兩通道直接數(shù)字合成(DDS)正弦信號調(diào)制器用于輸出不同頻率(5kHz和IOkHz)的正弦信號對各個激光器進行調(diào)制，其輸出信號的頻率和幅度由Labview控制界面進行控制調(diào)節(jié)；每個激光器由半導(dǎo)體激光二極管(LD)及其相應(yīng)的驅(qū)動組成，各個經(jīng)過調(diào)制的激光器產(chǎn)生的不同波長(660nm和830nm)的近紅外正弦激光信號經(jīng)由兩路單模光纖耦合到波分復(fù)用器并由一路光纖輸出；光開關(guān)(5:1)通過程序控制實現(xiàn)該混合激光信號在五個不同的光源入射位置間自行進行切換。探測部分包括五根源光纖和四根探測光纖、源-探測光纖布配貼片、四個硅光電二極管探測器以及四通道的程控濾波放大器。五根源光纖一端與光開關(guān)相連，另一端與源-探測光纖布配貼片上的五個不同的源點相連，用于傳導(dǎo)照射到組織體表面不同源位置的入射光；四根探測光纖的一端與源-探測光纖布配貼片的四個探測點相連，另一端與四個探測器對應(yīng)相連，用于傳導(dǎo)由組織體表面不同探測位置出射的漫反射光；源-探測光纖布配貼片采用五源四探測布配，即五個源點，四個探測點，該布配貼片呈正方形，其中五個源點分布在四個角和中心位置，四個探測點分布在四個邊的中點位置，形成十二個等距的源-探測對，每個源-探測對對應(yīng)一個采樣點，如圖3所示，用于布配源、探測光纖以實現(xiàn)光源從不同源點入射和探測器從不同的探測點接收出射光；四個硅光電二極管探測器用于將不同探測點對應(yīng)光纖采集的漫反射光轉(zhuǎn)換成電信號并做適當(dāng)放大；四通道程控濾波放大器由高通濾波電路和放大電路組成，用于將四個通道的探測器出射的電信號中的直流信號濾掉并作進一步放大，其放大倍數(shù)通過Labview控制界面進行控制調(diào)節(jié)。數(shù)據(jù)采集部分包括一個12位的數(shù)據(jù)采集卡，利用Labview控制界面進行數(shù)據(jù)采集的參數(shù)設(shè)置，對經(jīng)過放大的信號進行采集并進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入計算機，該部分的數(shù)據(jù)采集和光開關(guān)的切換通過程序進行控制以實現(xiàn)四通道在不同源位置下的數(shù)據(jù)采集在很短的時間內(nèi)自行完成；計算機對由數(shù)據(jù)采集部分得到的離散信號數(shù)據(jù)進行數(shù)字鎖相處理和重建成像。 其中，數(shù)字鎖相對采集的兩個頻率的混合信號進行分離并提取各分信號的幅度；重建成像利用由數(shù)字鎖相處理得到的幅值通過朗伯-比爾定律得到組織體在不同時刻下的吸收系數(shù)，并做差值得到組織體同一位置的吸收系數(shù)在后一時刻相對于前一時刻的變化量，然后對該變化量進行成像。本發(fā)明采用的成像方法，具體步驟如下I.通過該拓撲成像系統(tǒng)獲得h和t2兩個不同時刻下各源-探測對對應(yīng)的離散漫反射混合信號。由于該系統(tǒng)采用五源四探測模式，所以在h和t2兩個時刻下各采集到二十個離散漫反射混合信號，每個信號對應(yīng)一個源-探測對，設(shè)時刻tk采集到的第j個離散漫反射混合信號表示為^^^°[ ]，(其中 k = 1,2, j = 1,2, ... ,20, η = O, I, , Ns-I)。具體如下用兩個不同頻率(5kHz和IOkHz)的正弦信號分別對兩個不同波長(660nm和 830nm)的激光器進行調(diào)制，使兩激光器分別發(fā)出和調(diào)制頻率具有相同頻率的正弦信號，并將該兩路單頻激光信號通過波分復(fù)用器耦合成一路混合激光信號通入光開關(guān)，并通過光開關(guān)的切換，使該路混合激光信號在源-探測光纖布配貼片五個不同源點垂直射入組織體， 用四個探測器從源-探測光纖布配貼片上四個探測點檢測從組織體中出射漫反射光信號并將其轉(zhuǎn)換成電信號，出射的漫反射光信號和入射激光信號具有相同的頻率和波形，但幅度發(fā)生了衰減，也引入了噪聲，由探測器輸出的電信號經(jīng)四通道程控濾波放大器的放大并由數(shù)據(jù)采集卡對其進行采集，每切換一次光開關(guān)，四個通道同時采集一次，這樣便得到二十個離散漫反射混合信號，每個信號對應(yīng)一個源-探測對，按照上面的步驟分別采集^和t2 兩個時刻下各源-探測對對應(yīng)的離散漫反射混合信號數(shù)據(jù)。2.從步驟I得到的二十個離散漫反射混合信號篩選出十二個采樣點對應(yīng)的十二個離散漫反射混合信號，設(shè)時刻tk采集到的第i個采樣點對應(yīng)的離散漫反射混合信號表示為 (其中 k = 1，2，i = 1，2，· · ·，12，η = 0，1，· · ·，Ns-I)，并對其進行數(shù)字鎖相處理(其流程圖如圖4所示)分別得出h和t2兩個時刻在兩個不同波長(660nm和830nm) 下十二個采樣點對應(yīng)的漫反射信號幅值信息，設(shè)時刻tk在第g個波長下的第i個采樣點對應(yīng)的漫反射信號幅值為(其中k= l，2，g= l，2，i = 1，2，...，12)。其中的數(shù)字鎖相
處理具體如下
rJ27rf^n~l\①先用復(fù)參考信號￡ (其中F _ e( ^Λ^} I彡g彡G，此處G = 2，
lljGxNsLgn — e,
O彡η < Ns-Lfg為調(diào)制頻率，fs為采樣頻率，Ns為采樣點數(shù)，且滿足fg = kfs/Ns，G ( Ns/2) 與tk時刻的漫反射混合信號相乘，使漫反射混合信號發(fā)生頻移。②將相乘后的信號與均值濾波器(M ] = |，0彡n<Ns_l，其頻率響應(yīng)如圖5所
示)進行卷積，濾除掉發(fā)生頻移后的交流分量和噪聲，保留直流分量Zg，(此處G = 2，I =
12)再對其中的每個元素取兩倍的模，即= 便得到tk時刻在兩個波長(660nm和
830nm)下的十二個采樣點對應(yīng)的漫反射幅值A(chǔ)=，其中為Ag中第g個波長第i個采樣點對應(yīng)的漫反射幅值，其中k = l，2，g= l，2，i = 1，2，...，12。3.利用上面得到的幅值和AZ由朗伯-比爾定律推導(dǎo)式Τ ( /(⑴ / /((2)、
、I gl J可得出十二個采樣點在各個波長^60nm和830nm)下對應(yīng)的吸收系
數(shù)(μ a)在t2時刻相對于h時刻的變化量(Λ μ a)，再利用該吸收系數(shù)變化量進行成像，其所成圖像如圖6所示。其中，Δ/4 )為第i個采樣點在波長Ag下對應(yīng)的吸收系數(shù)(ya) 在t2時刻相對于h時刻的變化量，4)為tl時刻采集并處理得到的第i個采樣點在波長入g 下對應(yīng)的漫反射信號幅值，為t2時刻采集并處理得到的第i個采樣點在波長λ g下對應(yīng)的漫反射信號幅值，I為漫射光在組織體中所走的路程，按照經(jīng)驗值取I 4. 5d，其中d為源-探測表面距離。
8
權(quán)利要求
1.一種基于數(shù)字鎖相檢測技術(shù)的光學(xué)拓撲成像系統(tǒng)，包括光源部分，探測部分，數(shù)據(jù)采集部分和計算機，其中，光源部分包括至少2個不同近紅外波長的激光器、多通道直接數(shù)字合成正弦信號調(diào)制器、單模光纖、波分復(fù)用器和光開關(guān)，多通道直接數(shù)字合成正弦信號調(diào)制器用于輸出對不同近紅外波長的激光器進行調(diào)制的不同頻率的正弦信號；經(jīng)過調(diào)制的多個所激光器產(chǎn)生的不同波長的近紅外激光由多路單模光纖耦合到波分復(fù)用器并由一路光纖輸出；光開關(guān)實現(xiàn)對不同的光源入射位置進行轉(zhuǎn)換；探測部分包括多根源光纖和探測光纖、源-探測光纖布配貼片、四個硅光電二極管探測器以及多通道的程控濾波放大器，源光纖用于傳導(dǎo)照射到組織體表面不同源位置的入射光，探測光纖用于傳導(dǎo)由組織體表面不同探測位置反射的漫反射光，源-探測光纖布配貼片用于布配源、探測光纖以實現(xiàn)光源從不同源點入射和探測器從不同的探測點接收出射光，所述的源-探測光纖布配貼片包括分別分布在一個正方形的四個頂點和中心的五個源點，以及分布在四個邊的中點位置的四個探測點，形成十二個等距的源-探測對，每個源-探測對對應(yīng)一個采樣點；每個硅光電二極管探測器連接到一個探測點，用于將該探測點對應(yīng)光纖采集的漫反射混合信號轉(zhuǎn)換成電信號，程控濾波放大器用于將各個硅光電二極管探測器輸出的電信號進行放大和濾波；數(shù)據(jù)采集部分用于對經(jīng)過放大和濾波的電信號進行采集并進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。計算機對由數(shù)據(jù)采集部分輸入的數(shù)字信號進行數(shù)字鎖相和重建成像處理。
2.一種采用權(quán)利要求I所述的光學(xué)拓撲成像系統(tǒng)實現(xiàn)的組織體成像方法，其特征在于，包括下列步驟1)利用不同頻率的正弦信號對不同波長的激光器進行調(diào)制，并經(jīng)過波分復(fù)用器進行耦合，得到不同波長的近紅外混合激光信號，通過光開關(guān)控制該路混合激光信號在組織體表面不同源點逐次入射，每換一個源點，各通道同時在組織體表面不同的探測點采集一次漫反射激光信號，將其轉(zhuǎn)換成電信號，并將該電信號進行放大和A/D轉(zhuǎn)換，由此得到多組離散的漫反射混合信號數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)對應(yīng)一個采樣點；2)分別對兩個不同時刻的采集的數(shù)據(jù)進行數(shù)字鎖相處理，得到兩個時刻在兩個不同波長的漫反射激光信號的和不同采樣點處的幅值；3)利用上述步驟得到的幅值，根據(jù)朗伯-比爾定律，分別計算十二個采樣點在兩個波長下對應(yīng)的吸收系數(shù)，并計算兩個時刻吸收系數(shù)的變化量，再利用該吸收系數(shù)變化量進行成像。
全文摘要
本發(fā)明屬于近紅外組織光學(xué)成像領(lǐng)域，涉及一種基于數(shù)字鎖相檢測技術(shù)的光學(xué)拓撲成像系統(tǒng)，包括光源部分，探測部分，數(shù)據(jù)采集部分和計算機，其中，光源部分包括至少2個不同近紅外波長的激光器、多通道直接數(shù)字合成正弦信號調(diào)制器、單模光纖、波分復(fù)用器和光開關(guān)；探測部分包括多根源光纖和探測光纖、源-探測光纖布配貼片、四個硅光電二極管探測器以及多通道的程控濾波放大器，源-探測光纖布配貼片包括分別分布在一個正方形的四個頂點和中心的五個源點，以及分布在四個邊的中點位置的四個探測點。本發(fā)明同時提供一種采用上述系統(tǒng)實現(xiàn)的組織體成像方法。本發(fā)明提供成像系統(tǒng)價格低廉，定性測量成像穩(wěn)定性好，并可提高系統(tǒng)的測量面積及其精確度。
文檔編號A61B5/00GK102599888SQ20121005276
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月2日
發(fā)明者朱蘋蘋, 李嬌, 趙會娟, 陳琛, 高峰 申請人:天津大學(xué)