专利名称：基于tpsf的同步多波长光成像的制作方法
技术领域：
本发明涉及基于时序点扩展函数(temporal point spread function)(TPSF)成像领域，其中，漫射光的物体如人体组织利用信号同时采集基于TPSF的数据以得到单一衰减如散射和吸收之外的信息而成像，这些信号通过将光注入该物体并在多个位置检测该物体中光的漫射而产生。更具体地，本发明涉及一种用于基于TPSF的同步多波长成像的方法和设备，其减少图像获取时间，并且确保提供增强的图像信息。
背景技术：
时域光医学图像是一种用于对胸部组织以及脑部和其他身体部分进行成像的很有前景的技术。其目的在于分析一注入光脉冲在漫射该组织中漫射时的至少部分时序点扩展函数(TPSF)，并且利用从该TPSF中提取的信息以构建医学有用的图像。
已知两种基本技术可获得该TPSF时域和频域。在时域中，注入一高强度、短持续时间的脉冲，并在比该脉冲长得多的时帧内检测漫射光，但是需要高速检测设备。在频域中，在KHz范围到大约0.5GHz的频率范围进行光幅度调制。注入光被调制但本质上是连续的，并且收集到的信息是光在检测器的幅度和相位差。这样，需要更低的强度，并避免产生很短的、高强度的注入脉冲和高速检测的需要。获取这些数据需要在所提供的动态范围内要记录的用于大量调制频率的两个参数，即幅度和相移。该TPSF可通过反傅立叶(Fourier)变换来计算，但是该图像一般利用频域数据而产生。
在人体胸部组织的光成像中，该胸部通过光度头(optical head)的稳定板来固定。虽然注入光是无害的，但延长的成像时间会让病人感觉不适，特别是在女性胸部成像的情况下，其胸部一般固定于支撑元件或板之间，并且一般浸在定影液中或为一包含在一个包中的传递体所包围。尽管光成像有望成为一种安全的和潜在的更为医学可用的技术，然而成像时间和相关的病人不适仍然是提供一种有竞争力的较佳技术所面临的问题。
为了达到获取该技术所能允许的质量最佳图像的目的，就需要最少的获取时间。产生高质量医学图像所需的该获取时间决定了该成像设备的成本效率。因此成像时间的减少将带来更大的生产量。
发明内容
本发明的一目是提供一种用于基于TPSF的物体成像的方法和设备，其中无需损失获取的原始成像数据的有效数量或质量，即能缩短图像的获取时间。
本发明的另一目的是通过收集基于TPSF的多波长数据成像混浊介质而得到的信息。
按照本发明的一个主要方案，该目的通过同时利用多个可区分波长以同时获取多个基于TPSF的成像数据点来实现。有利地，可同时使用不同的注入检测位置，以同时收集用于不同注入检测位置的成像数据点，因而更快覆盖更多的成像数据。同时优选地，这些波长可提供关于成像物体的补充信息。
按照本发明，提供一种基于TPSF的光成像方法，包括步骤在一个或多个注入位置，将多个波长的光注入到一待成像物体中；以及同时在一个或多个检测位置，检测在该物体中漫射之后的注入光以用于多个波长，而得到每个波长的单独的基于TPSF的数据。
本发明还提供一种基于TPSF的光成像设备，包括至少一光源，提供多个波长的光；多个注入端口和光导，连接到至少一光源，用于在一个或多个注入位置将光注入到一待成像物体中；多个检测端口和光导；一波长选择装置，连接到用于分离多个波长的该多个检测端口和光导；以及一摄影机，检测由该装置分离的多个波长。
通过参照附图对优选实施例和其他实施例进行详细描述的下述，可更好地理解本发明，其中图1示意性示出按照优选实施例的成像系统的组件，包括激光源、注入和检测端口装置、多波长检测器、检测器信号处理器和成像计算机站；图2是说明按照优选实施例的成像系统的光示意图，示出了检测器端口和检测器之间的多个波导路径，以及复用的多个波长源排列；图3是说明利用校准光纤固定器连接到检测器的检测光纤的侧视图；以及图4是说明检测器面板表面的俯视图，该表面具有四个象限，每个象限具有不同波长的选择性滤光器涂层。
具体实施例方式
在该优选实施例中，本发明是应用于时域光医学成像的情况下，然而对于本领域技术人员显而易见的是，本发明也适用于光成像的频域技术。每一多个波长的注入脉冲优选为同时注入，然而对于“同步”成像，即使并非同时注入脉冲，为利用所选检测器从单个波长的注入脉冲中获取TPSF而保留的时间窗口也会在各波长之间重叠。在该优选实施例中，如下所述，重要的是关于检测器的时序分辨率。
如图1所示，脉冲光源10具有一输出端(实际上如下所述，该输出端包括离散波长的多个激光源输出端)，经过转接器11光连接到多个波导12之一，从而连接到支撑端14的多个注入端口。假如身体部分16是固定的，这些注入端口优选地置于每个待使用波长的成像区域上方的多个固定位置，但可选地，该注入端口也可在身体表面活动。在现有技术中，注入和检测端口可直接接触身体，或在身体和注入/检测端口之间使用一传递体。检测端口和支撑端18在用于胸部成像的传输模式中如图1所示排列。也可以将检测端口排列在与注入端口相同的病人表面上，这时成像是通过测量从组织反射的漫射脉冲的TPSF来实现。
注入光优选为具有大约1至100皮秒持续时间和大约100毫瓦平均功率的脉冲。激光源10优选为包括在760毫米、780毫米、830毫米和850毫米工作的四个激光源。这些不同的波长允许获取补充信息以构建胸部组织的生理图像。如图2更好地所示，对于所选四个波长，每个波长的激光源10a至10d的输出分别连接到光纤12a至12d。这些光纤优选为多模光纤，比如200/240微米渐变折射率多模光纤。
虽然图2为简明起见示出了四个注入位置和四个检测位置，但应当理解可有大约10个注入位置和一般多至50个检测器位置。四个光源的光优选为如图2所示在相同点注入，并且利用连接器12e连接到相同光纤12f上，或者可选地，四条光纤12a至12d可作为一束光纤馈送到支撑端14内的相同位置。有利的是，在相同光纤12f上四个波长的复用可允许使用常规的单个波长支撑端14，而无需考虑在成像计算机或处理器30内的不同的注入位置。当然，可使得注入位置专用于每个波长，但是，为了减少支撑位置的数量，同时保持任一所选波长相同数量的注入源位置，优选地，可在每个注入/检测点提供单条光纤或成束光纤上的复用信号。
图2示出了单条光纤(或一束)12f，但对于10个注入位置，优选地有10个这样的光纤。光纤转接器11比如常规的1/32 JDS单相转接器可用于将光从每个激光源10切换到想要的一个注入端口位置。
检测到的光信号由波导20，即400/440微米渐变折射率多模光纤传输到光谱信道分离器22，即优选实施例中的系列滤光器。同时如图3和图4所示，这些滤光器可包括检测器26的面板24上的带通滤光器涂层22a，22b，22c和22d。在优选实施例中，每个检测光纤20不经过切换就直接连接到检测器26。如图1所示，对于分离器22，可将光从光纤20切换和/或解复用到光导24上，如图3和4所示的优选实施例中，光纤20置于校准光纤固定器或定位器21中，用于将光从每条光纤20导向至滤光器22并且然后导向至检测器表面26上。该校准固定器具有一校准显微镜头，用于以很小的光点直径，将退出光纤20纤芯的光连接到检测器表面。在该优选实施例中，具有50个检测端口18以及200条光纤20。因此在检测器26，一个50条光纤的阵列排列于面板22的每个象限或区域中。有利的是，取代使用滤光介质或涂层，也可利用一光谱仪或一光栅装置如阵列波导光栅等来实现光谱分离。优选地，每个波长的注入和检测位置是相同的，然而也可为每个波长的波导提供个别的位置，例如检测器端口可支持200个位置光纤。
这些波长分离后的所有信号由门控加强型CCD摄影机如LaVision的PicoStar摄影机同时检测。摄影机26用于以皮秒分辨率，检测来自每个检测端口18和在每个想要波长的光。注入脉冲由于经过身体组织漫射，可从几皮秒扩展为几纳秒。
注入多个脉冲后，它们对应的摄像信号由成像计算机30处理，以确定一数据点，即用于特定波长、特定注入端口和检测端口组合的时序点扩展函数。对于一给定的注入位置，该TPSF在多个检测器位置进行测量，检测到的信号在这些位置提供很好的信噪比。为波长和端口位置的大量组合采集这些数据点，以得到足够的“原始”数据，从而开始构建该组织的图像。结果图像可在显示器32上显示，并且通过打印机34打印。
同样有利的是，对于单个注入器位置，同时使用不同的检测器位置以允许使用离轴信息。因此该图像处理可适用于考虑与离轴(off-axis)数据相关的图形，然而，共轴(on-axis)和离轴数据的组合更为精确，并且以更好的分辨率和/或图像稳定性，提供更快速的获取。
成像计算机30也负责发送信号至激光源10，以选择一预期波长并且将该波长信号切换至一预期输出光纤12。因此计算机30处理所有预期波长和位置组合以获得预期成像。激光源10将摄影机26与每个脉冲同步。激光源10也可包括多个固定波长光源，也可包括一单个宽带源。
有利的是，在频域光成像情况下，可在预期频率下控制调制激光器10，并且将其输出切换到预期光纤12上。这时，计算机30就需要搜寻(sweep)大量调制频率，在这些频率下，检测到的光幅度和相移被很精确地记录下来。单个数据点的TPSF可从记录的幅度和相移数据集中计算，或者一般地，直接使用频域数据重构该图像。
在本发明中，可参照能被单独检测的多个波长。这些不同的波长可从单频或宽带光源中产生，以直接提供预期波长，同时可选地，可将第一基本波长与第二参考波长混合，以创建波长的波震动(beating)。这可用以调节基本波长以在多个波长下创建预期波长，并且是提供按照本发明的待注入光的另一方式。假定该光源具有用于第一和第二波长的两个部分，则可仅控制其中之一或使二者之一产生脉动以获得预期的光注入。
权利要求
1.一种基于TPSF的光成像方法，包括如下步骤在一个或多个注入位置将多个波长的光注入到待成像的物体中；以及对于多个波长，在一个或多个检测位置同时检测漫射于该物体中的注入光，以得到每个波长的单独的基于TPSF的数据。
2.按照权利要求1所述的方法，其中所述多个波长提供关于所述物体的不同信息。
3.按照权利要求1所述的方法，其中所述注入步骤包括从激光源产生光；以及将所述光从所述光源切换到多条光纤之一，每条光纤对应于所述一个注入位置。
4.按照权利要求3所述的方法，其中所述光源包括多个激光器，每个激光器在所述多个波长之一下工作。
5.按照权利要求4所述的方法，其中所述激光器的输出在所述切换之前合并；在某一时刻，对于所有所述波长来说，所述注入位置相同。
6.按照权利要求5所述的方法，其中所述多个波长提供关于所述物体的不同信息。
7.按照权利要求1所述的方法，其中所述检测步骤包括将一束光纤置于所述一个或多个检测位置的每一个，所述激光束的每条光纤用于所述波长的单独一个。
8.按照权利要求7所述的方法，其中所述检测步骤包括将面板带通滤光器置于一摄影机上方，并将一相同波长的所述检测光纤组一起置于所述滤光器上方。
9.按照权利要求8所述的方法，其中所述摄影机是一皮秒分辨率CCD摄影机，所述基于TPSF的成像是在时域下实现的。
10.按照权利要求1所述的方法，其中所述成像是医学成像。
11.按照权利要求2所述的方法，其中所述成像是医学成像，并且所述不同信息是对提供生理信息的补充。
12.按照权利要求1所述的方法，其中所述注入步骤包括在不同注入位置同时注入每个所述波长的所述光，其中传送到至少部分所述检测位置的所述注入光包括所述波长中一个以上波长的光。
13.按照权利要求12所述的方法，其中所述多个波长提供关于所述物体的相同信息，所述方法能够在一成像区域上对所述数据进行更快速的获取。
14.一种基于TPSF的光成像设备，包括至少一个光源，提供多个波长的光；至少一个注入端口，连接到所述至少一个光源，用于在一个或多个注入位置将所述光注入到待成像物体中；至少一个检测端口，收集在所述物体中漫射后的所述光；一波长选择装置，连接到所述至少一个检测端口，用于分离所述多个波长；以及一摄影机，检测由所述装置分离的所述多个波长。
15.如权利要求14所述的设备，其中所述至少一个光源包括多个可调激光器。
16.如权利要求14所述的设备，其中利用一光转接器，所述至少一个光源被选择性地连接到多个所述注入端之一。
17.如权利要求14所述的设备，包括置于所述一个或多个检测位置的一束光纤，所述光纤束的每条光纤用于所述波长中的单独一个。
18.如权利要求17所述的设备，其中所述摄影机具有一能够分别检测来自所述光纤的光的表面区域，所述波长选择装置包括一面板带通滤光器，所述光纤按相同波长分组地一起置于所述滤光器上方。
19.如权利要求18所述的设备，其中所述摄影机是一皮秒分辨率CCD摄影机，所述基于TPSF的成像在时域下实现。
全文摘要
本发明的基于TPSF的成像技术利用多波长以同时对一物体成像。无需损失获取的原始成像数据的有效数量或质量，即能缩短图像的获取时间。多个可区分波长可在不同的注入－检测位置同时使用，以同时获取用于不同注入－检测位置的多个基于TPSF的成像数据点。该多波长可提供关于成像物体的补充信息。
文档编号A61B5/00GK1543568SQ02816086
公开日2004年11月3日 申请日期2002年7月16日 优先权日2001年7月16日
发明者大卫·乔纳森·霍尔, 理查德·布德罗, 皮埃尔·A·博德里, A 博德里, 布德罗, 大卫 乔纳森 霍尔 申请人:Art先进研究科技公司