一种扩散光学层析成像系统技术方案

本发明专利技术公开了一种扩散光学层析成像系统，其特征在于，所述系统包括连续光采集模块、时间分辨的光学测量模块和计算机系统，所述连续光采集模块采用近红外光扫描待测物，并记录扫描的图像数据；所述时间分辨的光学测量模块采用近红外光照射待测物，并获取时间分辨信号；所述计算机系统包括重构算法；所述重构算法对所述图像数据和时间分辨信号进行重构处理。本发明专利技术公开的扩散光学层析成像系统能够快速提供与癌变组织的血管增生和组织血氧水平等直接相关的病理信息，节省了时间并减少了病人痛苦。苦。苦。

【技术实现步骤摘要】
一种扩散光学层析成像系统


[0001]本专利技术涉及医疗设备
，具体涉及一种扩散光学层析成像系统。

技术介绍

[0002]利用近红外波段的光辐射进行生物组织体光学参数的检测是目前热门研究领域之一。与传统的医学诊断和成像技术相比，近红外光成像不仅可以直接获取组织体的功能信息，还可以实现对活体组织的无损伤及实时的探测和成像，而且可用于活体生物组织的显微结构分析、特性参数测量及疾病的诊断和治疗。
[0003]扩散光学层析成像（Diffuse Optical Tomography，DOT）技术，利用近红外光照射组织体，探测经由组织体出射的扩散光，从而获得人体组织体的光学参数分布图像，并由这些光学参数推测出组织的生理状况和病变信息，进而实现对疾病的诊断。其中，乳腺肿瘤检测和脑成像是DOT研究应用最主要的领域。根据使用的激光源类型（连续波、正弦波或脉冲调幅）和相关的数据采集系统，DOT分为三种不同的测量系统：时域系统（Time Domain，TD）、频域系统（Frequency Domain，FD）、连续波系统（Continuous Wave，CW）。
[0004]在DOT中，通过使用近红外（NIR）区域（约650至950 nm）中的光来最大限度地减少组织吸收，从而产生相对较大的组织穿透深度。不同波长的近红外光入射人体组织后，血液、脂肪等会对其产生不同的吸收和散射效应。现有DOT系统只能采集反应组织吸收效应或散射效应的光学信息，采集的光学信息不全会导致用于构建光学参数分布图像的信息不全，诊断的准确性和精确性偏低；或者，现有DOT系统虽能同时采集反应组织吸收效应和散射效应的光学信息，但需要耗费一定的时间，同时会给病人带来很大不适，例如进行乳腺肿瘤检测时，需对乳腺组织进行挤压，长时间的挤压会加大病人痛苦。

技术实现思路

[0005]针对上述现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种扩散光学层析成像系统及其使用方法。
[0006]本专利技术的目的是通过以下技术方案解决的：一种扩散光学层析成像系统，其特征在于，所述系统包括连续光采集模块、时间分辨的光学测量模块和计算机系统。所述连续光采集模块采用近红外光a扫描待测物，并记录近红外光扫描待测物后的图像数据，例如使用光学相机进行空间分辨光检测，获得投影方向的图像数据；所述时间分辨的光学测量模块采用近红外光b照射待测物并采集时间分辨信号，例如采用调制信号调制近红外光获得高频近红外光，再照射待测物，同时通过解调信号对采集到的光学信号进行解调，获取时间分辨（TPSF）信号。所述计算机系统包括重构算法；所述重构算法对所述图像数据和时间分辨信号进行重构处理。
[0007]所述连续光采集模块包括透射式和反射式两种测量方式；所述透射式指光源（包括近红外光）和探测器（包括光学相机和探头）在待测物的两侧，所述反射式指光源a和探测器在待测物的同一侧。同理，所述时间分辨的光学测量模块也包括投射式和反射式。反射式
的光学成像深度较低，一般适用于浅层成像例如脑功能成像；透射式的的成像深度较反射式有所提高并且使用的更为广泛，也更有研究价值。优选地，所述连续光采集模块和时间分辨的光学测量模块采用不同的测量方式，能获取更全面的光学成像数据。
[0008]在一些方式中，透射式近红外光学层析成像模块如图4所示，该模块包括光源a、二维扫描平台、光学相机和工控机和两块透明平行板和两块高反射率平面镀膜反射镜；所述模块的成像过程包括：（1）将所述待测物置于两块透明平行板之间，平行板轻轻挤压所述待测物，使所述待测物表面与平行板表面贴合，两块反射镜分别呈45
°
放置在两块平行板两侧；（2）光源a产生近红外光a，所述二维扫描平台控制所述近红外光a照射到一块反射镜，被该块反射镜反射到所述待测物，再被所述待测物散射或吸收后经另一块反射镜反射投影至所述光学相机。所述光学相机的视场覆盖整个扫描范围，能检测空间分辨光，获得投影方向的图像数据。优选地，所述二维扫描平台为高速扫描振镜；所述平行板为亚克力板；所述反射镜能改变光路，使该透射式近红外光学层析成像模块的结构更加紧凑，有利于装置的小型化。所述反射镜可以为高反射率平面镀膜反射镜，如镀铝膜反射镜和镀银膜反射镜。进一步地，所述二维扫描平台或高速扫描振镜可控制光源a产生的近红外光在平面内进行X、Y二维方向的扫描，实现1~1000个扫描位置。
[0009]在一些方式中，所述透射式连续光采集模块同专利201210051377.0（授权公告号：102579011B）。
[0010]所述时间分辨的光学测量模块包括光源b、调制电路、光电探测单元和信号处理单元；所述光源b用于产生近红外光2；所述调制电路输出调制信号对近红外光b进行调制，同时输入解调信号至所述信号处理单元；所述光电探测单元用于采集经过待测物后的近红外光信号，将光信号转换为电信号并传输到信号处理单元；所述信号处理单元利用解调信号对接收的电信号进行解调，得到时间分辨信号，并将该信号传输到计算机系统。
[0011]在一些方式中，所述调制电路如图2所示，包括伪随机序列发射仪、射频功率分配器、可编程数字延迟线和外部强度调制器；所述伪随机序列发射仪用于持续产生高比特率伪随机序列信号；所述射频功率分配器用于将所述伪随机序列信号均匀分配为分支A和分支B，分支 A 输入所述信号处理单元，形成解调信号；所述分支B通过所述可编程数字延迟线进行步长延迟，并进一步经过所述外部强度调制器形成所述调制信号。
[0012]优选地，所述伪随机序列信号的频率为2.5Gbps；所述步长延迟的时间为40ps。
[0013]优选地，所述光电探测单元包括探头、入射光纤、出射光纤和光电探测器；所述探头一端连接所述入射光纤，另一端连接所述出射光纤；所述出射光纤与所述光电探测器相连。
[0014]优选地，所述光电探测器为雪崩光电二极管、光电倍增管、光敏电阻中的一种或多种。
[0015]优选得，一定频率的方波叠加至所述分支A和分支B，优选地，所述频率为2.5kHz。
[0016]在一些方式中，所述方波的产生和叠加过程如专利202001071553.9（授权公开号CN111466874B）所述。
[0017]优选地，所述信号处理单元包括射频放大器、混频器、运算放大器和数据采集卡。
[0018]进一步地，所述光电探测单元的数量为1~100个；所述信号处理单元的数量与所述
光电探测单元的数量相等。
[0019]在一些方式中，所述的时间分辨光学测量模块同专利US8649010B2。
[0020]进一步地，所述近红外光a和近红外光b的波长范围为650nm至950nm，优选为780nm、785nm、808nm、830nm和850nm中的一种或几种的组合。
[0021]优选地，所述近红外光a为恒功率连续近红外光；所述近红外光b为高频调制的近红外激光。
[0022]优选地，所述光学相机包括CCD相机和CMOS相机，所述光学相机的视场覆盖整个扫描范围。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种扩散光学层析成像系统，其特征在于，所述系统包括连续光采集模块、时间分辨的光学测量模块和计算机系统；所述连续光采集模块采用近红外光a对待测物进行逐点扫描，并记录近红外光扫描待测物后的图像数据；所述时间分辨的光学测量模块采用近红外光b照射待测物并获取时间分辨信号；所述计算机系统包括重构算法；所述重构算法对所述图像数据和时间分辨信号进行重构处理。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述连续光采集模块包括光源a、二维扫描平台、光学相机和工控机；所述光源a用于产生近红外光a，并通过光纤耦合到二维扫描平台；二维扫描平台控制近红外光a在待测物表面进行逐点扫描；所述工控机包括上位机程序，该上位机程序控制二维扫描平台运动，控制所述光学相机进行图像的采集并将采集的图像数据传输到计算机系统。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述时间分辨的光学测量模块包括光源b、调制电路、光电探测单元和信号处理单元；所述光源b用于产生近红外光b；所述调制电路输出调制信号对近红外光b进行调制，同时输入解调信号至所述信号处理单元；所述光电探测单元用于采集照射待测物后的近红外光信号，将光信号转换为电信号并传输到信号处理单元；所述信号处理单元利用解调信号对接收的电信号进行解调，得到时间分辨信号，并将该信号传输到计算机系统。4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述连续光采集模块和时间分辨的光学测量模块为透射式或反射式；优选地，所述连续光扫描模块为透射式时，所述时间分辨的光学测量模块为反射式；所述连续光扫描模块为反射式时，所述时间分辨的光学测量模块为透射式。5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述连续光采集模块还包括两块透明平行板和两块反射镜；将所述待测物置于两块透明平行板之间，平行板轻轻挤压所述待测物，使所述待测物表面与平行板表面贴合；优选地，两块反射镜分别呈45
°
放置在两块平行板两侧。6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述二维扫描平台控制光源a产生的近红外光a在待测物表面进行逐点扫描的过程包括：所述二维扫描平台控制所述近红外光a照射到一块反射镜，被该块反射镜反射到所述待测物，再被所述待测物散射或吸收后经另一块反射镜反射至所述光学相机。7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述平行板为亚克力板。8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述反射镜为高反射率平面镀膜反射镜，包括镀铝膜反射镜和镀银膜反射镜。9.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述二维扫描平台为高速扫描振镜。10.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述二维扫描平台控制光源a产生的近红外光在平面内进行X、Y二维方向的扫描，可以实现1~1000个扫描位置。11.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述调制电路包括伪随机序列发射仪、射频功率分配器、可编程数字延迟线和外部强度调制器；
所述伪随机序列发射仪用于持续产生高比特率伪随机...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈南光，林云峰，李伟，段宇波，
申请(专利权)人：杭州纬壹医疗科技有限公司，
类型：发明
国别省市：