专利名称：基于数字锁相检测技术的光学拓扑成像系统及方法
技术领域：
本发明属于近红外组织光学成像领域，具体涉及基于数字锁相检测技术的光学拓扑成像系统。
背景技术：
由于大脑的神经活动对周围区域的血红蛋白浓度有很大的影响，而在近红外光测量和治疗的光学窗口 ^00nm-900nm)，脑组织对光的吸收主要依赖于血红蛋白，从而可以通过对大脑皮层相应功能区采用该波段的多个波长点进行光谱测量，来获得氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度变化图[I]。以此来定量获取神经相关功能和生理信息，可实现提高神经系统疾病的诊断特异性和灵敏度。近十年来，由近红外组织光谱技术(Near Infrared SpectroscopyNIRS)发展而来的光学拓扑成像(Optical Topography, OT)作为一种新兴的完全无损活体成像技术,在人类大脑皮层功能成像方面显示出其特定的优越性[2]。该成像技术基于组织体的近红外 “窗口效应”，采用反射扩散光测量方式，根据大脑的外形来合理布局测量点，可有效克服了采用近红外光在实现脑组织功能测量时低的透射能力的缺点，实现脑皮层功能相关血氧变化空间分辨测量。近年来,OT的研究重点已从追求高空间分辨转向大脑皮层的高动态定量成像方面，以期准确获取大脑功能区神经系统应激响应模式和功能信息[3]。以OT为代表的脑功能光学测量技术正在逐渐发展成熟并进入正式临床应用阶段，成为现有脑成像模态 (fMRI、EEG、MEG等)[4]的一个极为有益的补充。OT系统有时域(Time-Domain，TD) [5-7]、 频域分辨(Frequency-Domain,FD) [8]和连续光(Continuous-Wave,CW) [9-10]三种主要测量模式。TD-OT系统虽然具有测量信息相对完整，但是其系统价格昂贵、测量时间长，难以在小型实验室中进行普及和测量神经快变信号。FD-OT系统一般需要200MHz以上的高频调制以实现相移测量所需的合理信噪比，实现难度较大，单频测量提供的信息有限，而多频测量系统性价比与时域测量相比不占优势。因此，CW系统是脑功能光学成像的主流技术。 目前，国内外的科学工作者在CW-OT技术系统和基础研究领域做了大量的工作，也取得了诸多成果，所发展的实用系统或者采用高灵敏的光子探测器件，如光电倍增管(PMT)和雪崩光电二极管(APD)，价格昂贵；或者采用普通的光电二极管模拟测量方式，测量信噪比不高，探测面积受到很大限制。参考文献[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，赵会娟，生物医学光子学(第二版)，北京科学出版社(2011).[3] Joseph M. Lasker, James M. Masciotti , and Matthew Schoenecker, Christoph H. Schmitz,Andreas H. Hielscher,Digital-signal-processor based dynamic
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发明内容
本发明旨在克服现有技术的上述不足，提供一种能够有效提高OT系统的测量信噪比和时间动态性，的光学拓扑成像系统。本发明将数字锁相检测技术与多波长CW-OT测量模式相结合，为实现脑功能成像测量信息的高定量和高通量性奠定基础。本发明的技术方案如下光源部分包括至少2个不同近红外波长的激光器、多通道直接数字合成正弦信号调制器、单模光纤、波分复用器和光开关，多通道直接数字合成正弦信号调制器用于输出对不同近红外波长的激光器进行调制的不同频率的正弦信号；经过调制的多个所激光器产生的不同波长的近红外激光由多路单模光纤耦合到波分复用器并由一路光纤输出；光开关实现对不同的光源入射位置进行转换；探测部分包括多根源光纤和探测光纤、源-探测光纤布配贴片、四个硅光电二极管探测器以及多通道的程控滤波放大器，源光纤用于传导照射到组织体表面不同源位置的入射光，探测光纤用于传导由组织体表面不同探测位置反射的漫反射光，源-探测光纤布配贴片用于布配源、探测光纤以实现光源从不同源点入射和探测器从不同的探测点接收出射光，所述的源-探测光纤布配贴片包括分别分布在一个正方形的四个顶点和中心的五个源点，以及分布在四个边的中点位置的四个探测点，形成十二个等距的源-探测对，每个源-探测对对应一个采样点；每个硅光电二极管探测器连接到一个探测点，用于将该探测点对应光纤采集的漫反射混合信号转换成电信号，程控滤波放大器用于将各个硅光电二极管探测器输出的电信号进行放大和滤波；数据采集部分用于对经过放大和滤波的电信号进行采集并进行模数转换。计算机对由数据采集部分输入的数字信号进行数字锁相和重建成像处理。本发明同时提供一种采用所述的光学拓扑成像系统实现的组织体成像方法，其特征在于，包括下列步骤I)利用不同频率的正弦信号对不同波长的激光器进行调制，并经过波分复用器进行耦合，得到不同波长的近红外混合激光信号，通过光开关控制该路混合激光信号在组织体表面不同源点逐次入射，每换一个源点，各通道同时在组织体表面不同的探测点采集一次漫反射激光信号，将其转换成电信号，并将该电信号进行放大和A/D转换，由此得到多组离散的漫反射混合信号数据，每组数据对应一个采样点；2)分别对两个不同时刻的采集的数据进行数字锁相处理，得到两个时刻在两个不同波长的漫反射激光信号的和不同采样点处的幅值；3)利用上述步骤得到的幅值，根据朗伯-比尔定律，分别计算十二个采样点在两个波长下对应的吸收系数，并计算两个时刻吸收系数的变化量，再利用该吸收系数变化量进行成像。本发明提供了一种基于数字锁相检测技术的CW-OT实用系统及成像方法。该系统将硅光电二极管光电探测器、多波长数字锁相检测技术和优化的激励-检测布配模式相结合，与时域(TD)测量技术和频域(FD)成像系统相比，本发明提供的基于连续光和数字锁相检测技术的光学拓扑成像系统价格低廉，定性测量成像稳定性好，另外，本发明由于采用了数字锁相不仅能够实现多个波长点的同时测量成像，而且还能很好地滤除各类噪声干扰， 从而可大大提高系统的测量面积及其精确度。具体而言，本发明具有以下技术效果I)该发明采用两个以上的半导体激光器和四个硅光电二极管探测器，实现了双波长十二采样点成像，系统简单廉价，稳定性好，易于实现。2)该发明采用吸收系数的变化量进行成像，能够有效消除背景噪声及激励源的影响，提高了成像的准确性。3)该发明采用反射扩散光测量方式，并根据组织体的外形来合理布局测量点，有效克服了近红外光在实现组织体特别是脑组织测量低的透射能力的缺点。4)该发明采用多波长多通道并行测量方法，可有效提高OT系统的时间动态性。5)该发明采用数字锁相算法来实现漫反射光信号幅值的提取，除了能独自分离出各个分信号的幅值外，其中的均值滤波器能很好地除掉其他的干扰信号，大大地提高了系统的测量面积及其准确性。
图I :基于数字锁相检测技术的光学拓扑成像系统的原理框图。图2 :吸收系数变化量的二维拓扑成像原理示意图。图3 :源-探测布配贴片示意图。图4:数字锁相流程图。图5 :均值滤波器的频率响应。图6 :吸收系数变化量的二维拓扑成像图，(a)的波长为660nm，(b)的波长为 830nm。
具体实施例方式本发明提供了一种基于数字锁相检测技术的光学拓扑成像系统，包括光源部分， 探测部分，数据采集部分和计算机，其原理框图如图I所示，其中，光源部分包括两通道直接数字合成(DDS)正弦信号调制器、两个不同近红外波长的激光器(波长分别为660nm和830nm)、单模光纤、波分复用器(二合一)和光开关 (5:1)。两通道直接数字合成(DDS)正弦信号调制器用于输出不同频率(5kHz和IOkHz)的正弦信号对各个激光器进行调制，其输出信号的频率和幅度由Labview控制界面进行控制调节；每个激光器由半导体激光二极管(LD)及其相应的驱动组成，各个经过调制的激光器产生的不同波长(660nm和830nm)的近红外正弦激光信号经由两路单模光纤耦合到波分复用器并由一路光纤输出；光开关(5:1)通过程序控制实现该混合激光信号在五个不同的光源入射位置间自行进行切换。探测部分包括五根源光纤和四根探测光纤、源-探测光纤布配贴片、四个硅光电二极管探测器以及四通道的程控滤波放大器。五根源光纤一端与光开关相连，另一端与源-探测光纤布配贴片上的五个不同的源点相连，用于传导照射到组织体表面不同源位置的入射光；四根探测光纤的一端与源-探测光纤布配贴片的四个探测点相连，另一端与四个探测器对应相连，用于传导由组织体表面不同探测位置出射的漫反射光；源-探测光纤布配贴片采用五源四探测布配，即五个源点，四个探测点，该布配贴片呈正方形，其中五个源点分布在四个角和中心位置，四个探测点分布在四个边的中点位置，形成十二个等距的源-探测对，每个源-探测对对应一个采样点，如图3所示，用于布配源、探测光纤以实现光源从不同源点入射和探测器从不同的探测点接收出射光；四个硅光电二极管探测器用于将不同探测点对应光纤采集的漫反射光转换成电信号并做适当放大；四通道程控滤波放大器由高通滤波电路和放大电路组成，用于将四个通道的探测器出射的电信号中的直流信号滤掉并作进一步放大，其放大倍数通过Labview控制界面进行控制调节。数据采集部分包括一个12位的数据采集卡，利用Labview控制界面进行数据采集的参数设置，对经过放大的信号进行采集并进行模数转换后送入计算机，该部分的数据采集和光开关的切换通过程序进行控制以实现四通道在不同源位置下的数据采集在很短的时间内自行完成；计算机对由数据采集部分得到的离散信号数据进行数字锁相处理和重建成像。 其中，数字锁相对采集的两个频率的混合信号进行分离并提取各分信号的幅度；重建成像利用由数字锁相处理得到的幅值通过朗伯-比尔定律得到组织体在不同时刻下的吸收系数，并做差值得到组织体同一位置的吸收系数在后一时刻相对于前一时刻的变化量，然后对该变化量进行成像。本发明采用的成像方法，具体步骤如下I.通过该拓扑成像系统获得h和t2两个不同时刻下各源-探测对对应的离散漫反射混合信号。由于该系统采用五源四探测模式，所以在h和t2两个时刻下各采集到二十个离散漫反射混合信号，每个信号对应一个源-探测对，设时刻tk采集到的第j个离散漫反射混合信号表示为^^^°[ ]，(其中 k = 1,2, j = 1,2, ... ,20, η = O, I, , Ns-I)。具体如下用两个不同频率(5kHz和IOkHz)的正弦信号分别对两个不同波长(660nm和 830nm)的激光器进行调制，使两激光器分别发出和调制频率具有相同频率的正弦信号，并将该两路单频激光信号通过波分复用器耦合成一路混合激光信号通入光开关，并通过光开关的切换，使该路混合激光信号在源-探测光纤布配贴片五个不同源点垂直射入组织体， 用四个探测器从源-探测光纤布配贴片上四个探测点检测从组织体中出射漫反射光信号并将其转换成电信号，出射的漫反射光信号和入射激光信号具有相同的频率和波形，但幅度发生了衰减，也引入了噪声，由探测器输出的电信号经四通道程控滤波放大器的放大并由数据采集卡对其进行采集，每切换一次光开关，四个通道同时采集一次，这样便得到二十个离散漫反射混合信号，每个信号对应一个源-探测对，按照上面的步骤分别采集^和t2 两个时刻下各源-探测对对应的离散漫反射混合信号数据。2.从步骤I得到的二十个离散漫反射混合信号筛选出十二个采样点对应的十二个离散漫反射混合信号，设时刻tk采集到的第i个采样点对应的离散漫反射混合信号表示为 (其中 k = 1，2，i = 1，2，· · ·，12，η = 0，1，· · ·，Ns-I)，并对其进行数字锁相处理(其流程图如图4所示)分别得出h和t2两个时刻在两个不同波长(660nm和830nm) 下十二个采样点对应的漫反射信号幅值信息，设时刻tk在第g个波长下的第i个采样点对应的漫反射信号幅值为(其中k= l，2，g= l，2，i = 1，2，...，12)。其中的数字锁相
处理具体如下
rJ27rf^n~l\①先用复参考信号￡ (其中F _ e( ^Λ^} I彡g彡G，此处G = 2，
lljGxNsLgn — e,
O彡η < Ns-Lfg为调制频率，fs为采样频率，Ns为采样点数，且满足fg = kfs/Ns，G ( Ns/2) 与tk时刻的漫反射混合信号相乘，使漫反射混合信号发生频移。②将相乘后的信号与均值滤波器(M ] = |，0彡n<Ns_l，其频率响应如图5所
示)进行卷积，滤除掉发生频移后的交流分量和噪声，保留直流分量Zg，(此处G = 2，I =
12)再对其中的每个元素取两倍的模，即= 便得到tk时刻在两个波长(660nm和
830nm)下的十二个采样点对应的漫反射幅值A=，其中为Ag中第g个波长第i个采样点对应的漫反射幅值，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-比尔定律推导式Τ ( /(⑴ / /((2)、
、I gl J可得出十二个采样点在各个波长^60nm和830nm)下对应的吸收系
数(μ a)在t2时刻相对于h时刻的变化量(Λ μ a)，再利用该吸收系数变化量进行成像，其所成图像如图6所示。其中，Δ/4 )为第i个采样点在波长Ag下对应的吸收系数(ya) 在t2时刻相对于h时刻的变化量，4)为tl时刻采集并处理得到的第i个采样点在波长入g 下对应的漫反射信号幅值，为t2时刻采集并处理得到的第i个采样点在波长λ g下对应的漫反射信号幅值，I为漫射光在组织体中所走的路程，按照经验值取I 4. 5d，其中d为源-探测表面距离。
8
权利要求
1.一种基于数字锁相检测技术的光学拓扑成像系统，包括光源部分，探测部分，数据采集部分和计算机，其中，光源部分包括至少2个不同近红外波长的激光器、多通道直接数字合成正弦信号调制器、单模光纤、波分复用器和光开关，多通道直接数字合成正弦信号调制器用于输出对不同近红外波长的激光器进行调制的不同频率的正弦信号；经过调制的多个所激光器产生的不同波长的近红外激光由多路单模光纤耦合到波分复用器并由一路光纤输出；光开关实现对不同的光源入射位置进行转换；探测部分包括多根源光纤和探测光纤、源-探测光纤布配贴片、四个硅光电二极管探测器以及多通道的程控滤波放大器，源光纤用于传导照射到组织体表面不同源位置的入射光，探测光纤用于传导由组织体表面不同探测位置反射的漫反射光，源-探测光纤布配贴片用于布配源、探测光纤以实现光源从不同源点入射和探测器从不同的探测点接收出射光，所述的源-探测光纤布配贴片包括分别分布在一个正方形的四个顶点和中心的五个源点，以及分布在四个边的中点位置的四个探测点，形成十二个等距的源-探测对，每个源-探测对对应一个采样点；每个硅光电二极管探测器连接到一个探测点，用于将该探测点对应光纤采集的漫反射混合信号转换成电信号，程控滤波放大器用于将各个硅光电二极管探测器输出的电信号进行放大和滤波；数据采集部分用于对经过放大和滤波的电信号进行采集并进行模数转换。计算机对由数据采集部分输入的数字信号进行数字锁相和重建成像处理。
2.一种采用权利要求I所述的光学拓扑成像系统实现的组织体成像方法，其特征在于，包括下列步骤1)利用不同频率的正弦信号对不同波长的激光器进行调制，并经过波分复用器进行耦合，得到不同波长的近红外混合激光信号，通过光开关控制该路混合激光信号在组织体表面不同源点逐次入射，每换一个源点，各通道同时在组织体表面不同的探测点采集一次漫反射激光信号，将其转换成电信号，并将该电信号进行放大和A/D转换，由此得到多组离散的漫反射混合信号数据，每组数据对应一个采样点；2)分别对两个不同时刻的采集的数据进行数字锁相处理，得到两个时刻在两个不同波长的漫反射激光信号的和不同采样点处的幅值；3)利用上述步骤得到的幅值，根据朗伯-比尔定律，分别计算十二个采样点在两个波长下对应的吸收系数，并计算两个时刻吸收系数的变化量，再利用该吸收系数变化量进行成像。
全文摘要
本发明属于近红外组织光学成像领域，涉及一种基于数字锁相检测技术的光学拓扑成像系统，包括光源部分，探测部分，数据采集部分和计算机，其中，光源部分包括至少2个不同近红外波长的激光器、多通道直接数字合成正弦信号调制器、单模光纤、波分复用器和光开关；探测部分包括多根源光纤和探测光纤、源-探测光纤布配贴片、四个硅光电二极管探测器以及多通道的程控滤波放大器，源-探测光纤布配贴片包括分别分布在一个正方形的四个顶点和中心的五个源点，以及分布在四个边的中点位置的四个探测点。本发明同时提供一种采用上述系统实现的组织体成像方法。本发明提供成像系统价格低廉，定性测量成像稳定性好，并可提高系统的测量面积及其精确度。
文档编号A61B5/00GK102599888SQ20121005276
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月2日 优先权日2012年3月2日
发明者朱苹苹, 李娇, 赵会娟, 陈琛, 高峰 申请人:天津大学