近红外扩散相关光谱血流指数拓扑成像装置及其成像方法与流程

本公开涉及生物医学设备领域，尤其涉及一种近红外扩散相关光谱血流指数拓扑成像装置及其成像方法。

背景技术：

组织微血管血流负责向组织输送氧气等营养物质，并从组织中除去代谢副产物，对组织功能至关重要。因此对组织血流速度的测量能够为临床监测、诊断和治疗提供重要信息[1]。

目前较成熟的无创组织血流速度检测方法有超声多普勒技术、正电子发射断层扫描(pet)、单光子发射断层扫描(spect)及核磁共振成像(mri)等[2]。其中，超声多普勒技术仅限对较大的血管进行成像；pet以及spect则因存在电离辐射无法再临床上常规使用；mri价格昂贵也不适用于血液流速监测。而最近发展的扩散相关光谱技术为组织血流速度检测提供了一种更加快速和便携的方案[3]。

现有的近红外扩散相关光谱仪多使用商用硬件相关器计算光强自相关函数[4]，商用硬件相关器价格昂贵，且分辨率设置不灵活。为克服这一缺点，出现了基于软件相关器的扩散相关光谱仪[5]，使用软件进行自相关运算，这一方式导致了系统的光子计数部分与相关运算部分分离，延长了测量周期，为实时的血液流速测量带来了困难。目前已有的近红外扩散相关光谱仅能测量血液流速[6]，而不能对待测组织的某一深度进行血流指数拓扑成像。

上述涉及参考文献如下：

[1]pagliazzi,m.,sekar,s.k.v.,colombo,l.,martinenghi,e.,minnema,j.,erdmann,r.,contini,d.,mora,a.d.,torricelli,a.,pifferi,a.,durduran,t."timedomaindiffusecorrelationspectroscopywithahighcoherencepulsedsource:invivoandphantomresults",biomedoptexpress,8(11),5311(2017)。

[2]tamborini,d.,farzam,p.,zimmermann,b.,wu,k.,boas,d.a.,franceschini,m.a."developmentandcharacterizationofamultidistanceandmultiwavelengthdiffusecorrelationspectroscopysystem",neurophotonics,5(01),1(2018)。

[3]huang,c.,irwin,d.,zhao,m.,shang,y.,agochukwu,n.,wong,l.,yu,g."noncontact3-dspecklecontrastdiffusecorrelationtomographyoftissuebloodflowdistribution",ieeetmedimaging,36(10),2068-2076(2017)。

[4]chen,x.,lin,w.,wang,c.,chen,s.,sheng,j.,zeng,b.,xu,m."invivoreal-timeimagingofcutaneoushemoglobinconcentration,oxygensaturation,scatteringproperties,melanincontent,andepidermalthicknesswithvisiblespatiallymodulatedlight",biomedoptexpress,8(12),5468(2017)。

[5]王德田.一种快速测量生物组织血流量的近红外扩散相关谱仪.[p].中国专利:105266791a，2015-12-04。

[6]梁佳明，王晶，梅建生，张镇西.基于扩散相关光谱的血流检测方法研究.光谱学与光谱分析,(10),2749-2752(2012)。

公开内容

(一)要解决的技术问题

本本发明提出了一种近红外扩散相关光谱血流指数拓扑成像装置及其成像方法，可以对待测生物组织体不同深度的横截面进行血流指数拓扑成像，本发明的目的是基于自主开发的硬件相关器和拓扑成像方法，搭建基于近红外扩散相关光谱的血流指数拓扑成像装置，该装置具有灵活可变的源探测排布阵列，该装置及其方法可以对待测生物组织体不同深度的横截面进行血流指数重建，所述装置的时间分辨率及动态范围等参数可由计算机控制，因此兼具传统硬件相关器快速稳定和软件相关器灵活方便的特点。

(二)技术方案

在本公开的一个方面，提供一种近红外扩散相关光谱血流指数拓扑成像装置，对待测生物组织体不同深度的横截面进行血流指数重建，所述近红外扩散相关光谱血流指数拓扑成像装置包括：光源模块；所述光源模块包括：激光器1，用于发射激光；第一光开关2，其一端与所述激光器1相连；以及多个源光纤，所述多个源光纤的一端与所述第一光开关2另一端相连；源-探光纤探头3，与所述多个源光纤的另一端相连，用于将所述激光器1发出的激光通过源光纤传导至待测生物组织体表面；检测模块；所述检测模块包括：多个探光纤，所述多个探光纤的一端与所述源-探光纤探头3相连，与所述多个源光纤按阵列形态排布，用于将通过源光纤传导至待测生物组织体表面的激光的溢出漫射光生成光子流；第二光开关4，其一端与所述多个探光纤的另一端相连；光电探测器5，与所述第二光开关4另一端相连，用于将所述多个探光纤所生成并输入的光子流转换成电脉冲流；以及控制与数据处理模块；所述控制与数据处理模块包括：控制器6，与所述光电探测器5相连，将光电探测器5转换并输入的电脉冲流进行计数和自相关运算；以及计算机9，与所述控制器6相连，将控制器6技术和自相关运算后的数据进行血流指数拓扑成像。

在本公开实施例中，所述控制器6为基于fpga的控制器，包括：计数器7，用于对光电探测器5输入的电脉冲流进行计数；以及相关器8，用于对光电探测器5输入的电脉冲流进行自相关运算，所述相关器8包括多通道时延光子相关器。

在本公开实施例中，所述激光器1为中心波长为785nm，相干长度大于10m的长相干激光器。

在本公开实施例中，所述第一光开关2为1×n路光开关；所述第二光开关4为n×1路光开关，其中n＝8、16、32、48或64。

在本公开实施例中，所述源光纤采用多模光纤；所述探光纤采用单模光纤。

在本公开实施例中，所述光电探测器5采用包括幅度甄别-比较电路的光电倍增管，所述光电倍增管具有50ns的光脉冲分辨率以及2.5×10^6的线性光子计数范围。

在本公开的另一方面，还提供一种近红外扩散相关光谱血流指数拓扑成像方法，采用以上所述的近红外扩散相关光谱血流指数拓扑成像装置进行成像，所述近红外扩散相关光谱血流指数拓扑成像方法包括：步骤a：利用激光器1发射激光，所述激光经源光纤传导至待测生物组织体；步骤b：步骤a中所述传导至待测生物组织体的激光经待测生物组织体表面溢出漫射光，再经由探光纤生成光子流输入到探测器5；步骤c：将步骤b所述输入到探测器5的光子流转换成电脉冲流，再输入控制与数据处理模块中的控制器6进行处理；以及步骤d：控制器6将所述步骤c中处理后的数据发送至计算机9进行血流指数重建，完成近红外扩散相关光谱血流指数拓扑成像。

在本公开实施例中，所述步骤c包括：步骤c1：探测器5将经由探光纤输入的随机的光子流转换成随机的电脉冲流，再输入控制器6；以及步骤c2：控制器6对步骤c1中探测器5输入到控制器6中的随机电脉冲流进行计数和自相关运算。

在本公开实施例中，所述步骤c2中，计数采用双计数器轮流计数，同时自相关运算与计数并行进行，通过计算机9设定测量参数，所述测量参数包括时间分辨率、动态范围以及测量通道。

在本公开实施例中，所述步骤c2中自相关运算过程中，光强的归一化自相关计算公式如下所示：

其中，r表示采样点的位置参数，i(i)表示第i个采样点的光强，i(i+τ)表示第i+τ个采样点的光强，<>表示时间平均。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开近红外扩散相关光谱血流指数拓扑成像装置及其成像方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)采用自主开发的硬件相关器，运算速度快，相关器的时间分辨率和动态范围均可调，使用灵活方便；

(2)具有灵活可变的源探测排布阵列，可以对不同形状的待测生物组织体不同深度的横截面进行血液流速进行检测；

(3)可对待测生物组织体某横截面进行血流指数重建，获取二维的血流指数信息；

(4)测量周期短，为进行实时血液流速检测创造了可能。

附图说明

图1是本公开实施例近红外扩散相关光谱血流指数拓扑成像系统框图。

图2是本公开实施例源-探光纤探头中源光纤和探光纤阵列排布及其采样点分布示意图。

图3是本公开实施例不同流速的自相关曲线对比示意图。

图4是本公开实施例相关曲线下降速率与流速的拟合曲线示意图。

图5是本公开实施例多通道时延光子相关器结构示意图。

图6是本公开实施例近红外扩散相关光谱血流指数拓扑成像方法流程示意图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

1-激光器；2-第一光开关；3-源-探光纤探头；4-第二光开关；5-光电探测器；6-控制器；7-计数器；8-相关器；9-计算机；

具体实施方式

本公开提供了一种近红外扩散相关光谱血流指数拓扑成像装置及其成像方法，所述装置具有灵活可变的源探测排布阵列，可以对待测生物组织体不同深度的横截面进行血流指数重建。相关器的时间分辨率及动态范围等参数可由计算机控制，因此兼具传统硬件相关器快速稳定和软件相关器灵活方便的特点。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

在本公开实施例中，提供一种近红外扩散相关光谱血流指数拓扑成像装置，图1为近红外扩散相关光谱血流指数拓扑成像装置的系统框图，如图1所示，所述的近红外扩散相关光谱血流指数拓扑成像装置，包括：

光源模块，包括：

激光器1，用于发射激光；

第一光开关2，其一端与所述激光器1相连；以及

多个源光纤，所述多个源光纤的一端与所述第一光开关2另一端相连；

源-探光纤探头3，与所述多个源光纤的另一端相连，用于将所述激光器1发出的激光通过源光纤传导至待测生物组织体表面；

检测模块，包括：

多个探光纤，所述多个探光纤的一端与所述源-探光纤探头3相连，与所述多个源光纤按阵列形态排布，用于将通过源光纤传导至待测生物组织体表面的激光的溢出漫射光生成光子流；

第二光开关4，其一端与所述多个探光纤的另一端相连；

光电探测器5，与所述第二光开关4另一端相连，用于将所述多个探光纤所生成并输入的光子流转换成电脉冲流；以及

控制与数据处理模块，包括：

控制器6，与所述光电探测器5相连，将光电探测器5转换并输入的电脉冲流进行计数和自相关运算；以及

计算机9，与所述控制器6相连，将控制器6技术和自相关运算后的数据进行血流指数拓扑成像。

所述控制器6包括：

计数器7，用于对光电探测器5输入的电脉冲流进行计数；以及

相关器8，用于对光电探测器5输入的电脉冲流进行自相关运算，所述相关器8包括多通道时延光子相关器。

其中，所述激光器1与探测器5可通过第一光开关2以及第二光开关4进行时分复用；也可以设置多个激光器1和多个探测器5，通过多光源调制多探测器解调实现并行测量。

在本公开实施例中，其中激光器1采用中心波长为785nm，相干长度大于10m的长相干激光器；

所述光源模块中的第一光开关2为1×n路光开关，其中n＝8、16、32、48或64。

所述源光纤采用多模光纤，光纤芯径为62.5μm；

所述光电探测器5采用包括幅度甄别-比较电路的pmt(光电倍增管)，确保探测到的光子脉冲信号以ttl电平信号输出，该pmt具有50ns的光脉冲分辨率以及2.5×10^6的线性光子计数范围。

所述探光纤采用单模光纤，光纤芯径为9μm。

所述第二光开关4为n×1路光开关，n＝8、16、32、48或64。

在本公开实施例中，所述控制器6使用fpga(现场可编程门阵列)实现。

每一个所述源光纤和一个探光纤组成一测量通道。

在本公开实施例中，图2是源-探光纤探头中源光纤和探光纤阵列排布及其采样点分布示意图，如图2所示，○代表源光纤及其位置；×代表探光纤及其位置；●代表实际采样点位置。在本公开实施例中以8源8探(即8个源光纤和8个探光纤)的矩形阵列分布为具体实施例，所述源-探光纤探头在作业时，抵住待测生物组织体的表面上，其在生物体表面的有效作用区域(即能成像)范围为30mm×30mm；源光纤和探光纤交替排布，每对光纤(源-探光纤)之间的源-探距离为10mm，源-探距直接影响光的入射深度，每对源光纤与探光纤的中间点为实际采样点，该排布共包含24个采样点，本公开实施例所述的源-探光纤排布只是作为具体实施例，本领域技术人员可根据实际需要对其进行简单变换。

在本公开实施例中，还提供一种近红外扩散相关光谱血流指数拓扑成像方法，利用所述的近红外扩散相关光谱血流指数拓扑成像装置进行成像，图6是本公开实施例近红外扩散相关光谱血流指数拓扑成像方法流程示意图，如图6所示，所述成像方法包括：

步骤a：利用激光器1发射激光，所述激光经源光纤传导至待测生物组织体；

步骤b：步骤a中所述传导至待测生物组织体的激光经待测生物组织体表面溢出漫射光，再经由探光纤生成光子流输入到探测器5；

步骤c：将步骤b所述输入到探测器5的光子流转换成电脉冲流，再输入控制与数据处理模块中的控制器6进行处理；所述步骤c包括：

步骤c1：探测器5将随机的光子流转换成随机的电脉冲流，再输入控制器6；以及

步骤c2：控制器6利用fpga对步骤c1中探测器5输入到控制器6中的随机电脉冲流进行计数和自相关运算；以及

步骤d：控制器6将所述步骤c中处理后的数据发送至计算机9进行血流指数重建，完成近红外扩散相关光谱血流指数拓扑成像。

所述步骤a中，控制器6在接收到计算机9的指令后依次选择由源光纤和探光纤组成的测量通道，在每一通道中，激光器1发出的光经由源光纤引导到待测生物组织体上。

所述步骤b中，经过生物组织体的吸收和散射后从待测生物组织体表面溢出的漫射光经由每一探光纤生成光子流输入到多路探测器5。

所述步骤c2中，所述控制器6利用fpga对探测器5输出的随机电脉冲流进行计数，计数时采用双计数器轮流计数以保证计数的连续性，同时相关器(8)的自相关运算与该光子计数并行进行。计数的时间分辨率(即采样时间)和动态范围可由计算机9预设。

所述步骤c2中的计数过程中，通过计算机9设定测量参数，包括时间分辨率、动态范围以及测量通道。时间分辨率指计数最小周期(不大于100μs)，动态范围决定总采样点数，测量通道用于光开关2和光开关4的选通。控制器6在接受到命令后开始计数，在每个最小计数周期内每次检测到pmt脉冲信号都对该周期内的数据进行一次累加，该计数周期结束后启用另一个计数器进行下一周期的计数，并对该计数器的数据进行读取进行相关运算。

所述步骤c2中自相关运算过程中，光强的归一化自相关计算公式如下所示：

其中，r表示采样点的位置参数，i(i)表示第i个采样点的光强，i(i+τ)表示第i+τ个采样点的光强，<>表示时间平均。

在fpga中光子计数与自相关运算同时进行，其中相关器8采用多通道时延光子相关器，在保证相关曲线有足够分辨率的前提下有效的扩大了相关器的动态范围。

在本公开实施例中，相关器8采用多通道时延光子相关器，图5是多通道时延光子相关器的结构示意图，如图5所示，所述相关器内部划分为8(m1至m8)个模块，每个模块有n个通道且工作原理相同，模块间采样时间成倍增加。设相关器的时间分辨率(第一个通道的采样时间)为△t，n为16，则动态范围为△t～(1+2+4+……+128)×16△t。

在本公开实施例中，计算机9设定时间分辨率为△t＝100μs，进行1×10^4次采样，模块m1包含16个通道，采样时间为100μs，模块m2包含16个通道，采样时间为200μs以此类推。在选通某测量通道后，模块m1内相关器的工作由以下两个阶段交替循环而实现：第一阶段，100μs采样时间内的计数完成后，寄存器各单元中数据依次右移，将光子数i送入移位寄存器的第一个单元并送入各通道内部的乘法器。第二阶段，将各通道移位寄存器单元内的数据与乘法器数据相乘，将乘积与上一次运算乘积累加存入fifo(firstinputfirstoutput先入先出队列)。两个阶段交替进行，直至完成1×10^4次采样，相关函数计算完毕。其他模块工作过程与模块m1相同，仅存在采样时间差异。fpga完成光子计数与自相关运算后通过串口将数据发送至计算机。

所述步骤d中，控制器6通过rs-232接口将数据传入计算机9处理并显示，处理包括对所测得的各通道相关曲线进行特征值提取，通过相关曲线下降速率与血液流速的拟合曲线计算血液流速，最后重建出成像区域血流指数图像，完成近红外扩散相关光谱血流指数拓扑成像。

在本公开实施例中，在实验中利用一定比例的印度墨水和脂肪乳液体仿体模拟人体血液，其中脂肪乳用于模拟散射介质，印度墨水用于模拟吸收介质，仿体的光学参数：吸收系数μa＝0.001mm^-1，约化散射系数μ's＝1mm^-1。利用蠕动泵使液体具有稳定且已知的流速。图3是不同流速的自相关曲线对比示意图，如图3所示，不同流速的自相关曲线下降速率明显不同，流速越大，相关曲线下降越快。图4是本公开实施例相关曲线下降速率与流速的拟合曲线示意图，对若干组已知流速(0,10,20,30,40,50)的液体仿体进行测量后，利用多项式函数对相关曲线下降速率与血流速度之间的关系进行拟合，可以得到如图4所示的相关曲线下降速率(v)与血流指数(bfi)的函数曲线，以相关曲线下降速率与血液流速的拟合曲线作为血流指数计算与血流指数重建的参考依据。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开近红外扩散相关光谱血流指数拓扑成像装置及其成像方法有了清楚的认识。

综上所述，本本发明提出了一种近红外扩散相关光谱血流指数拓扑成像装置及其成像方法，可以对待测生物组织体不同深度的横截面进行血流指数拓扑成像，本发明的目的是基于自主开发的硬件相关器和拓扑成像方法，搭建基于近红外扩散相关光谱的血流指数拓扑成像装置，该装置具有灵活可变的源探测排布阵列，该装置及其方法可以对待测生物组织体不同深度的横截面进行血流指数重建，所述装置的时间分辨率及动态范围等参数可由计算机控制，因此兼具传统硬件相关器快速稳定和软件相关器灵活方便的特点。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。