非接触式成像系统及其成像方法技术方案

本发明专利技术涉及近红外光成像领域，其提供了一种非接触式成像系统及其成像方法，来实现低成本多通道光强探测，其采用正弦调制的光源来实现光强相位采集，以及采用光强恒定的长相关激光实现光子到达时间自相关函数采集，从而对血氧血流数据进行精确重建，并进一步利用蒙特卡洛方法模拟和实现精确不规则边界组织和不同层次血氧血流参数重建。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及近红外光成像领域，尤其涉及一种。
技术介绍
近红外光自相关血流探测仪/成像仪具备无损探测血红细胞流速的独特优势，在600-1000nm波段，人体组织对近红外光的吸收和散射主要是通过血红细胞进行的，目前可以使用不同的探测头，利用近红外光对人体血氧血流分布进行实时测量，对局域血液循环不畅进行诊断，对大脑功能进行探测。随着探测技术的进步，非接触式血氧血流测量开始展现出独特的优势，因为接触式探头不可避免的对被测组织有压迫，对局域血流产生干扰，从而使得测量值不准，不同日期测量的血氧血流基准值不具有可比性。而且接触式探头不能够对敏感组织进行探测，比如脑部和病变皮肤，传统接触式探头，在被测参数要求精确地情况下，必须采用硬质探头确保光源和探测器距离恒定，边界条件满足求解方程，但是非常不舒适；如果采用软式接触探头，则会对求解精度造成影响。非接触血氧血流测量，在药剂学和肿瘤治疗研究中具有重大意义。比如光动力疗法，需要知道在特定的治疗条件下，肿瘤血管是否被杀死，由于肿瘤一般较小，而且形状不具有规则性，此时无法使用接触式探头对肿瘤部位进行监测，必须采用非接触式设计。但是，目前采用传统探测器的非接触式血氧血流探测方法都存在不可忽视的误差。主要存在以下几个问题:1、传统血氧血流探测仪采用APD，PMT, CXD等作为探测器，成本高昂，体积庞大，便携性较差，不能实现多通道便携式设计；2、人体躯干和头颅都具有一定弧度，在非接触测量中对结果影响较大，由于目前血氧血流探测仪单通道价格昂贵，数据重建采集点稀少，因此重建模型有出入，测量结果存在不可估计的误差；3、为了节省成本，大部分血氧血流综合成像仪都只能利用连续光测量光强变化，不能对血氧参数进行准确测量，因此，在计算血流数值时，对组织吸收率和散射率采用基于光强的粗略估计，造成最终血流重建误差；4、对近红外光敏感的毛细血管大部分分布在肌肉层中，而脂肪层和表皮层仅含有少量毛细血管，使用传统探测器的血氧血流测量仪器，由于被测点稀少，无法对分层进行准确区分，只能给出大区域的平均参数，不能对深层血氧血流进行定量测量；5、大多采用聚焦透镜的设计方式，不能对有弧度的表面进行测量(探测器不能每次进行手动聚焦，自动聚焦会大大增加成本)。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题在于提供一种，来实现低成本多通道光强探测，其采用正弦调制的光源来实现光强相位采集，以及采用光强恒定的长相关激光实现光子到达时间自相关函数采集，从而对血氧血流数据进行精确重建，并进一步利用蒙特卡洛方法模拟和实现精确不规则边界组织和不同层次血氧血流参数重建。为了解决以上技术问题，本专利技术提供了一种非接触式成像系统，用于探测生物体，其包括近红外成像仪系统以及成像数据重建系统；所述近红外成像仪系统包括:光源，包括正弦调制的光电二级管和强度恒定的长相关激光；光切换器，一端与所述光源光学连接，另一端与多模光纤光学连接，包括波长切换器与位置切换器；探测器，由多个单光子计数单元组成，其中，所述多个单光子计数单元一端与单模光纤光学连接，其中，所述生物体位于所述多模光纤与所述单模光纤之间，所述单光子计数单元通过所述单模光纤对所述生物体进行探测；控制器，与所述光源、所述光切换器、所述探测器电性连接，用于根据工作模式控制所述光源产生相应的激光以及控制所述探测器采集相应的数据；所述成像数据重建系统包括脂肪测量装置及蒙特卡洛计算装置；所述脂肪测量装置用于获取生物体被测部位的脂肪层厚度数据，并进行三维体素化建模；所述蒙特卡洛计算装置对建模位置模拟光强的信号强度、相位以及建立自相关函数，并根据模拟数据计算格林函数，并结合近红外成像仪系统所获取数据重建被测部位的血氧和/或血流数据。优选的，所述工作模式包括血氧探测与血流探测，所述血氧测量在光电二极管开通时进行，所述血流测量在长相关激光开通时进行。优选的，所述控制器在所述工作模式为血氧探测时对激光进行正弦调制，并控制所述光电二极管在多个不同波长的激光之间进行切换，经过所述波长切换器，由所述位置切换器经过所述多模光纤，轮流输送相应波长的激光到入射光源点，所述探测器记录单光子的到达时间。优选的，所述控制器在所述工作模式为血流探测时控制所述长相关激光产生直流激光并经过所述波长切换器，由所述为位置切换器经过所述多模光纤，轮流输送相应波长的激光到入射光源点，所述探测器记录单光子到达时间。优选的，所述脂肪测量装置包括脂肪厚度测试仪和信号阵列分析仪。优选的，所述三维体素化建模是根据所需重建数据精确度，确定最小体素网格的尺寸，把生物体被测部位的肌肉和脂肪按照不同的组织特性进行标记。本专利技术还提供了一种非接触式成像方法，其包括以下步骤:S1、开启光源，选择血氧和/或血流测量模式，采用探测器对生物体实现光子计数模式采集，以获得被测部位的血氧和/或血流数据；S2、测量生物体被测部位的脂肪层厚度数据，并进行三维体素化建模；S3、采用蒙特卡洛方法对建模位置模拟光强的信号强度、相位以及建立自相关函数，并根据模拟数据计算格林函数，S4、根据所计算的格林函数重建所述被测部位血氧和/或血流数据。优选的，在步骤SI中，在血氧探测中，所述探测器根据光强采用可变积分时间窗模式进行光子计数积累。优选的，在步骤S2中，采用脂肪厚度测试仪测得被测部位的第一脂肪层厚度数据，采用信号阵列分析仪测得被测部位的第二脂肪层厚度数据；对比第一脂肪层厚度数据和第二脂肪层厚度数据，两者数据相近时，以第一脂肪层厚度数据为准，两者数据偏差较大时，以第二脂肪层厚度数据为准，得到被测部位的最终脂肪层厚度数据。优选的，在步骤S2中，所述三维体素化建模是根据所需重建数据精确度，确定最小体素网格的尺寸，把生物体被测部位的肌肉和脂肪按照不同的组织特性进行标记。优选的，在步骤S2中，还进一步包括预测被测部位的表面弧度，并根据表面弧度对被测部位进行三维体素化建模。本专利技术提供了一种，其采用对近红外激光光源进行正弦调制，在频域对血氧参数进行重建，采用直流长相关激光，对血流参数进行重建。而且本专利技术采用成本低廉的新型光子计数探测器，可以密集对数据进行灵活采集，从而可以实现蒙特卡洛的数据重建方式，非接触的对不同外形的组织进行深度探测。本专利技术的优势在于价格低，精度高，体积小巧，可以进行不侵入测量，可重复性高。【附图说明】 图1为本专利技术中非接触式成像系统的系统示意图；图2为图1中近红外成像仪系统的系统示意图；图3为图2中光切换器与多模光纤组合的示意图；图4为图2中探测器的结构示意图；图5为图1中成像数据重建系统的系统示意图；图6为本专利技术中非接触式成像方法的流程图。【具体实施方式】下面将结合附图以及具体实施例来对本专利技术作进一步详细说明。请参考图1，本专利技术提供了一种非接触式成像系统100，用于探测生物体，其包括近红外成像仪系统20以及成像数据重建系统30。请参考图2，在本实施方式中，所述近红外成像仪系统20包括光源21、光切换器22、多模光纤23、单模光纤24、探测器25以及控制器26。所述光源21包括采用正弦调制的光电二级管(未图示)和强度恒定的长相关激光(未图示)。其中，对于光电二极管来说，以50-1000MHZ的频率进行调制，使得输出光强具有正弦波动，穿透生物体后其波动的最大幅度和相位都本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非接触式成像系统，用于探测生物体，其特征在于：包括近红外成像仪系统以及成像数据重建系统；所述近红外成像仪系统包括：光源，包括正弦调制的光电二级管和强度恒定的长相关激光；光切换器，一端与所述光源光学连接，另一端与多模光纤光学连接，包括波长切换器与位置切换器；探测器，由多个单光子计数单元组成，其中，所述多个单光子计数单元一端与单模光纤光学连接，其中，所述生物体位于所述多模光纤与所述单模光纤之间，所述单光子计数单元通过所述单模光纤对所述生物体进行探测；控制器，与所述光源、所述光切换器、所述探测器电性连接，用于根据工作模式控制所述光源产生相应的激光以及控制所述探测器采集相应的数据；所述成像数据重建系统包括脂肪测量装置及蒙特卡洛计算装置；所述脂肪测量装置用于获取生物体被测部位的脂肪层厚度数据，并进行三维体素化建模；所述蒙特卡洛计算装置对建模位置模拟光强的信号强度、相位以及建立自相关函数，并根据模拟数据计算格林函数，并结合近红外成像仪系统所获取数据重建被测部位的血氧和/或血流数据。

【技术特征摘要】
1.一种非接触式成像系统，用于探测生物体，其特征在于:包括近红外成像仪系统以及成像数据重建系统； 所述近红外成像仪系统包括: 光源，包括正弦调制的光电二级管和强度恒定的长相关激光； 光切换器，一端与所述光源光学连接，另一端与多模光纤光学连接，包括波长切换器与位置切换器； 探测器，由多个单光子计数单元组成，其中，所述多个单光子计数单元一端与单模光纤光学连接，其中，所述生物体位于所述多模光纤与所述单模光纤之间，所述单光子计数单元通过所述单模光纤对所述生物体进行探测； 控制器，与所述光源、所述光切换器、所述探测器电性连接，用于根据工作模式控制所述光源产生相应的激光以及控制所述探测器采集相应的数据； 所述成像数据重建系统包括脂肪测量装置及蒙特卡洛计算装置； 所述脂肪测量装置用于获取生物体被测部位的脂肪层厚度数据，并进行三维体素化建模； 所述蒙特卡洛计算装置对建模位置模拟光强的信号强度、相位以及建立自相关函数，并根据模拟数据计算格林函数，并结合近红外成像仪系统所获取数据重建被测部位的血氧和/或血流数据。2.根据权利要求1所述的非接触式成像系统，其特征在于，所述工作模式包括血氧探测与血流探测，所述血氧测量在光电二极管开通时进行，所述血流测量在长相关激光开通时进行。3.根据权利要求2所述的非接触式成像系统，其特征在于，所述控制器在所述工作模式为血氧探测时对激光进行正弦调制，并控制所述光电二极管在多个不同波长的激光之间进行切换，经过所述波长切换器，由所述位置切换器经过所述多模光纤，轮流输送相应波长的激光到入射光源点，所述探测器记录单光子的到达时间。4.根据权利要求2所述的非接触式成像系统，其特征在于，所述控制器在所述工作模式为血流探测时控制所述长相关激光产生直流激光并经过所述波长切换器，由所述为位置切换器经过所述多模光纤，轮流输送相应波长的...

【专利技术属性】
技术研发人员：邢晓曼，吕铁军，董月芳，
申请(专利权)人：中国科学院苏州生物医学工程技术研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32