专利名称：从混浊介质获取图像数据的装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种使混浊介质成像的装置，以及一种从混浊介质(turbidmedium)获取图像数据的方法和一种包括从混浊介质获取图像数据的计算机可执行指令的计算机程序产品。
背景技术：
X射线计算机断层扫描术，超音波计算机断层扫描术以及核磁共振成像(MRI)是用于在混浊介质中定位物体(尤其用于定位乳腺癌和肿瘤)的公知方法。光学计算机断层扫描术使用以下事实近红外光对于生物组织呈现很高的透射性，且肿瘤或癌症的成长可以通过乳腺组织中光的特征吸收来监测。使用光学计算机断层扫描装置的优点还在于，可以使用具有荧光标记的特殊对比剂，便于在乳腺组织中定位癌症区域。由此，荧光对比剂适于在癌症区域中累积。因此，用荧光对比剂标记的癌症区域在用某一波长的激光照射时或者在用某一带宽的光源照射时，发射特征荧光。
可以在US 6,687,532B2中看出用于在混浊介质中定位物体的典型装置。使用光学计算机断层扫描设备的共同缺点是从所照射的混浊介质发射的光的强度动态范围相当大。因此，相应的光探测器必须覆盖很大的动态灵敏度范围。这需要复杂和相当昂贵的电子器件。另外，对于扩散光学荧光测量，来自混浊介质的光学荧光信号典型地非常小，并且直到100倍大的透射贡献必须和很小的荧光信号一起同时检测。这还需要复杂和昂贵的光学器件，其具有精确限定光谱范围的大动态范围光探测器。
发明内容
本发明提供了一种使用扩散(diffuse)光学断层扫描装置从混浊介质获取图像数据的方法。方法包括在多个第一空间位置处照射混浊介质，并在多个第二空间位置处收集从混浊介质发射的光。从每个第二空间位置所收集的光分成至少两个光学通道，并使用光探测器来测量至少两个光学通道的每个光学通道中的分离光的强度。最后，根据所测量的强度重建混浊介质的图像。任何系统误差必须由例如适当的校正程序来抵消。
将从每个第二空间位置所收集的光分成两个或更多个光学通道的这个方法具有如下优点在每个光学通道中，可以使用相应的光探测器，所述光探测器适用于例如关于特定动态光学范围或特定光谱范围的特定测量。
根据本发明的实施例，以多个不同的波长照射混浊介质。这允许获得重建图像对于混浊介质的不同光学特征的最佳对比。
根据本发明的实施例，测量分离光的强度是利用对于至少两个光学通道内的每个通道的不同光探测器灵敏度来完成。这允许使用复杂度较低和价格便宜的电子器件，因为单个光探测器的动态敏感度范围可以降低。
根据本发明的实施例，测量分离光的强度以对于至少两个光学通道的单个通道的不同波长来完成。这具有如下优点例如在荧光测量中，可以同时测量源于荧光贡献和更大的透射贡献的光学信号，即使荧光贡献比透射贡献低约两个量级。该实施例不仅减少了探测器必需的动态灵敏度范围，其也加速了测量，且减少了源于流体不稳定性、病人运动伪影和激光器能量波动的系统误差，因为在相同的时间、相同的位置测量荧光和透射贡献。
很值得注意的是，荧光和透射光信号都用于图像重建。为了进一步改进例如测量荧光和透射信号贡献，对于至少两个光学通道的每一个通道，使用不同的滤光器(optical filter)来完成对分离光的强度的测量。
根据本发明的实施例，选择至少两个光学通道的至少一个光学通道，用于根据相应的至少两个光学通道中所测量的分离光强度的质量测量进行图像重建。这具有如下优点例如具有不同光谱和/或动态灵敏度特性的不同光探测器可以用于所有光学通道中的同时测量，而对于图像重建，仅仅选择和使用来自最适当的光探测器的信号。
这可以例如应用于级联(cascaded)动态灵敏度的光探测器，其中，在本发明的实施例中，在至少两个光学通道的每个光学通道中测量光探测器的光强饱和度，其中，仅仅选择具有相应的非饱和光探测器的光学通道用于图像重建。
在另一方面，本发明涉及用于从混浊介质获取图像数据的扩射光学断层扫描装置，其包括用于在多个第一空间位置处照射混浊介质的光源，用于在多个第二空间位置处收集从混浊介质发射的光的收集器，用于在每个第二空间位置处将光分成至少两个光学通道的装置，用于在至少两个光学通道的每个通道中测量分离光强度的光探测器以及根据所测量的强度重建混浊介质的图像的数据处理系统。
根据本发明的实施例，用于分离所探测的光的工具适于为光纤Y型耦合器和/或半透明面镜。这允许使用标准光学组件，其减少光学断层扫描装置的维护和建设费用。
根据本发明的实施例，扩散光学断层扫描装置进一步包括适用于对每个光学通道中所测量的光学信号强度进行质量监测的工具。由此，优选的，数据处理系统适于完成对所测量的光学信号强度的质量进行监测。
根据本发明的实施例，在至少两个光学通道内，用于测量光学信号强度的相应光探测器适用于探测具有不同光强灵敏度(sensitivity)和/或不同光波长灵敏度(sensitivit)的光。
根据本发明的实施例，在至少两个光学通道内，光探测器的灵敏度范围重叠。通过使用光探测器的重叠灵敏度范围，可以获得从混浊介质发射的光强度的所有动态范围的最优覆盖。
根据本发明的实施例，扩散光学断层扫描装置进一步包括用于光学通道的滤波器。滤波器可以例如适用于阻挡混浊介质的透射光并透射混浊介质的荧光。这具有如下优点可以有效地使用对于混浊介质的透射和荧光测量具有很适合的光谱和动态范围的光探测器。可以避免包括大动态范围的探测器的相当昂贵和复杂的光学器件。
根据本发明的实施例，扩散光学断层扫描装置进一步包括选择单元，选择单元适用于选择光学通道。
在另一方面，本发明涉及计算机程序产品，其包括计算机可执行指令，用于控制在扩散光学断层扫描装置中的多个第一空间位置处对混浊介质的光照射，以及控制选择单元。由此，选择单元适用于选择光探测器，光探测器与至少两个光学通道的一个光学通道连接，至少两个光学通道与用于分离光的工具连接，并且在扩散光学断层扫描装置中每个第二空间位置处收集光。计算机程序产品进一步包括计算机可执行指令，其用于根据所测量的信号强度重建混浊介质的图像，借此，信号强度源自所选的光探测器。
重建可以由重建软件来完成，所述重建软件独立于每个空间探测位置的光分离工作。
重建可以升级，以考虑相应光学通道处所探测的信号水平，例如考虑相应通道的透射率差别。
以下，仅参考附图示例性地更详细描述优选的实施例，其中 图1是扩散光学断层扫描装置的实施例框图， 图2示出了说明使用扩散光学断层扫描装置从混浊介质获取图像数据的方法的流程图， 图3示出了说明根据光探测器的相应光强饱和度来选择光探测器、从而从混浊介质获取图像数据的方法的流程图。
具体实施例方式 图1是扩散(diffuse)光学断层扫描装置的实施例框图。扩散光学断层扫描装置包括适用于接收混浊介质102的保持器(holder)100，混浊介质102浸入校正介质(calibration medium)104中。校正介质104与散射流体(scattering fluid)对应，该散射流体的散射性质与混浊介质102的散射性质紧密匹配。
使用光源108在多个第一空间位置106处照射混浊介质102。光源108优选地适合为例如不同的激光器，每个激光器发射不同波长的光，例如680nm，780nm，870nm。光源108与多路光学开关110连接。多路光学开关110将光源108与大量光纤112(典型的为100到500根之间的光纤112)连接。在多个第一空间位置106处，每根光纤112与保持器100连接。按照这种方式，光纤112中的每根可以在保持器中提供光。
通过适当地切换多路光学开关110，所有光纤112将随后发光。由此，光源108和多路光学开关110由控制装置114控制。控制装置114与数据处理系统116连接。
数据处理系统116可以实现为包括至少一台计算机或计算机网络的计算机系统118。数据处理系统116包括适于执行计算机程序产品122的处理器120。计算机程序产品122包括计算机可执行指令，该指令包括例如用于控制在扩散光学断层扫描装置中的多个第一空间位置106处混浊介质102的光照射的指令124。
为了提供与用户交互，本发明的实施例可以在数据处理系统116上实现，所述数据处理系统116具有用于向用户显示信息的显示装置126(例如，CRT(阴极射线管)或LCD(液晶显示)监控器)，以及通过其用户可以为计算机提供输入的类似键盘和指针装置(例如，鼠标或者轨迹球)的输入装置128。
数据处理系统116进一步包括存储器130。存储器130可以包括用于存储数据的大容量存储装置以及适于包含计算机程序指令和数据的任何存储装置，其包括所有形式的非易失性存储器，举例来说包括半导体存储装置(例如，EPROM，EEPROM以及闪存装置)，磁盘(例如，内置硬盘，可移动盘，CD-ROM和DVD-ROM盘)。
为了在数据处理系统116和光学断层扫描装置的光学硬件之间提供通信，接口132适用于与控制装置114通信。
从光纤112发射的光由散射流体104和混浊介质102散射，并由例如在多个第二空间位置136处的光纤134收集。由此，典型地，在100和500根之间的光纤134用于光收集。在每个第二空间位置136处，使用例如光纤Y型耦合器和/或半透明面镜138将所收集的光分成至少两个光学通道140。至少两个光学通道的每个光学通道140适合为光纤。光探测器142用于测量每个相应的光学通道140中分离光的强度。
在每组分离的光学通道140内，用于测量光学信号强度的相应光探测器142适用于探测具有不同光强灵敏度和/或不同光波长灵敏度的光。优选的，光探测器142的灵敏度范围142重叠。
为了例如阻挡混浊介质的透射光和透射混浊介质的荧光，光学通道140可以进一步包括适用于透射或阻挡某一给定光谱范围的光的滤波器144。
扩散光学断层扫描装置进一步包括选择单元146，选择单元146适用于选择光学通道140。选择单元146通过接口114由使用计算机可执行指令148的数据处理系统116来控制。数据处理系统116适于使用计算机可执行指令154来实现对在每个光学通道140中的光学信号所测量强度的质量进行监测。
根据相应的至少两个光学通道140中的分离光所测量强度的质量测量来选择至少两个光学通道140的至少一个光学通道。例如，在至少两个光学通道140的每个光学通道中测量光探测器142的光强饱和度，且仅仅选择具有相应的非饱和光探测器的光学通道用于由数据处理系统116重建图像。
选择单元146选择合适的光探测器142，并且与接口114连接的模拟数字转换器150将来自所选的光探测器142的模拟信号转换为数字信号。数字化信号通过控制装置114传送到数据处理系统116。
在可替换实施例中，首先使用模拟数字转换器150将来自所有光探测器142的所有模拟信号转换成数字信号。转换后，通过接口114来控制的选择单元146用于选择相应的数字化光学信号。由此，数据处理系统116适于使用计算机可执行指令154来完成对数字化光学信号的所测量强度的质量监测。
通常，选择单元146和/或接口114和/或模拟数字转换器150可以适于为分立的装置，或者可以集成到计算机系统118内。
混浊介质的图像由数据处理系统116根据源自所选的光探测器142的相应信号强度、使用计算机可执行指令152来重建。
图2示出了说明使用扩散光学断层扫描装置来从混浊介质获取图像数据的方法的流程图。在步骤200中，在多个第一空间位置处照射混浊介质。在步骤202中，在多个第二空间位置处收集从混浊介质发射的光。在步骤204中，从每个第二空间位置所收集的光分成至少两个光学通道。
例如，合适的实施例可以是在第一通道中的给定第二空间位置处具有99％的光，在第二通道中具有1％的光的两个通道系统。与第一通道连接的光探测器可以用于探测具有低强度的光和/或与第二通道连接的光探测器可以用于探测具有高强度的光。
该实施例的变化可以是例如三通道系统，其中，光分成三部分，而相应的第一、第二和第三通道具有98％、1％和1％的透射量。由此，与通道连接的光探测器可以适于对某一不同波长的分离光灵敏。这对组合的荧光和透射光测量尤其重要。
至于仅仅两个光学通道，在步骤206中，在至少两个光学通道的每个光学通道中使用光探测器来测量分离光的强度。最后，在步骤208中，根据所测量的强度来重建混浊介质的图像。
图3示出了说明根据光探测器相应的光强饱和度来选择光探测器、从而从混浊介质获取图像数据的方法的流程图。在多个第一空间位置处照射混浊介质时，在多个第二空间位置处收集从混浊介质发射的光。从给定第二空间位置收集的光分成第一和第二光学通道。在步骤300中，使用光探测器来测量第一和第二光学通道中的分离光的强度。在步骤302中，由例如数据处理系统来测量和分析第一光探测器的光强饱和度。在第一光探测器是饱和的情况下，在步骤304中，仅仅来自第二光探测器的信号用于图像重建。如果步骤302返回第一光探测器是非饱和的，在步骤306中，例如数据处理系统确定第二光探测器是否饱和。在步骤306返回第二光探测器是饱和的情况下，在步骤308中，仅仅来自第一光探测器的信号用于根据所测量的强度重建混浊介质的图像。如果步骤306返回第二光探测器也未饱和，在步骤310中，来自第一和第二光探测器的信号都用于重建图像。
如果一个光探测器达到其最大输出信号水平，则认为其处于饱和态。例如，如果输出范围是从0V至10V，相应的光探测器如果提供10V的输出信号，则认为其处于饱和态。
如果第一和第二光探测器都是饱和的，数据处理系统可以丢弃相应的测量点或者，在替代的方案中例如减小用来照射混浊介质的激光器能量。更进一步的替代方案中，可以切换位于光探测器光路中的相应光衰减器，便于减少分离光(split)的光强。
必须注意，图3中的流程图说明了选择与仅有两路光学通道连接的相应光探测器的示例性方法的流程图。然而，对于实际应用的图像重建，需要大量的非饱和光探测器。图像重建通常基于对大量非饱和光探测器光强的组合测量。
附图标记列表
权利要求
1.一种使用扩散光学断层扫描装置从混浊介质(102)获取图像数据的方法，其包括
-在多个第一空间位置(106)处照射混浊介质(102)，
-在多个第二空间位置(136)处收集从混浊介质(102)发射的光，
-将每个第二空间位置(136)所收集的光分成至少两个光学通道(140)，
-使用光学探测器(142)来测量在所述至少两个光学通道(140)的单个光学通道中的分离光的强度，
-根据所测量的强度重建(152)混浊介质(102)的图像。
2.如权利要求1所述的方法，其中，以多个不同的波长来照射混浊介质(102)。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，对于所述两个光学通道(140)的单个通道，利用不同的光探测器灵敏度来完成对分离光强度的测量。
4.如权利要求1所述的方法，其中，对于所述至少两个光学通道(140)的单个通道，以不同的波长来完成对分离光强度的测量。
5.如权利要求1所述的方法，其中，对于所述至少两个光学通道(140)的单个通道，使用不同的滤光器(144)来完成对分离光强度的测量。
6.如权利要求1所述的方法，其中，对于图像重建，根据相应的至少两个光学通道(140)中所测量的分离光强度的质量测量来选择所述至少两个光学通道(140)中的至少一个光学通道。
7.如权利要求1所述的方法，其中，在所述至少两个光学通道(140)的每个光学通道中测量光探测器(142)的光强饱和度，其中，选择仅仅具有相应的非饱和光探测器(142)的光学通道用于图像重建。
8.用于从混浊介质(102)获取图像数据的扩散光学断层扫描装置，其包括
-光源(108)，其用于在多个第一空间位置(106)处照射混浊介质(102)，
-收集器，其用于在多个第二空间位置(136)处收集从混浊介质(102)发射的光，
-装置(138)，其用于将在每个第二空间位置(136)收集的光分成至少两个光学通道(140)，
-光探测器(142)，其用于在至少两个光学通道(140)的单个光学通道中测量分离光的强度，
-数据处理系统(116)，其用于根据所测量的强度重建混浊介质(102)的图像。
9.如权利要求8所述的扩散光学断层扫描装置，其中，用于分离所探测的光的装置(138)适于为光纤Y型耦合器和/或半透明面镜。
10.如权利要求9所述的扩散光学断层扫描装置，其进一步包括装置(154)，其适用于监测每个光学通道(140)中所测量的光学信号强度的质量。
11.如权利要求10所述的扩散光学断层扫描装置，其中，数据处理系统(116)适于完成对所测量的光学信号强度的质量监测(154)。
12.如权利要求9所述的扩散光学断层扫描装置，其中，在所述至少两个光学通道(140)内，用于测量光学信号强度的相应光探测器(142)适用于探测具有不同光强度灵敏度和/或不同光波长灵敏度的光。
13.如权利要求12所述的扩散光学断层扫描装置，其中，在所述至少两个光学通道(140)内，光探测器(142)的灵敏度范围重叠。
14.如权利要求8所述的扩散光学断层扫描装置，其进一步包括用于至少一个光学通道(140)的滤光器(144)和/或光学透镜。
15.如权利要求14所述的扩散光学断层扫描装置，其中，滤光器(144)适用于阻挡混浊介质的透射光并透射混浊介质的荧光。
16.如权利要求9所述的扩散光学断层扫描装置，其进一步包括选择单元(146)，该选择单元(146)适用于选择至少两个光学通道(140)中的一个。
17.包括计算机可执行指令的计算机程序产品(122)，其包括
-控制(124)在扩散光学断层扫描装置中的多个第一空间位置处对混浊介质的光照射，
-控制(148)选择单元(146)，该选择单元(146)适用于选择光探测器(142)，该光探测器(142)与至少两个光学通道(140)的一个光学通道连接，该至少两个光学通道(140)与用于分离光的装置(138)连接，所述光在扩散光学断层扫描装置中的每个第二空间位置处被收集。
全文摘要
本发明涉及一种使用扩散光学断层扫描装置从混浊介质(102)获取图像数据的方法，其包括在多个第一空间位置(106)处照射混浊介质(102)，在多个第二空间位置(136)处收集从混浊介质(102)发射的光；将从每个第二空间位置(136)所收集的光分成至少两个光学通道(140)；使用光探测器(142)来测量至少两个光学通道(140)的每个光学通道中的分离光的强度；根据所测量的强度重建(152)混浊介质(102)的图像。
文档编号G01N21/47GK101606052SQ200880004191
公开日2009年12月16日 申请日期2008年1月29日 优先权日2007年2月5日
发明者L·P·巴克, M·B·范德马克 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司