專利名稱：熒光―光學(xué)聯(lián)合斷層成像系統(tǒng)及測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種成像系統(tǒng)，特別是一種熒光一光學(xué)聯(lián)合斷層成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
乳腺癌是最常見(jiàn)的女性惡性癌癥，據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，發(fā)病率占全身各種惡性癌癥的7% 10%。擴(kuò)散光學(xué)斷層成像方法(Diffuse Optical Tomography, DOT),基于 600 IOOOnm的近紅外光可穿透較厚組織的特性，能夠無(wú)創(chuàng)、定量地提供組織體內(nèi)部的光學(xué)吸收系數(shù)分布，從而能夠有效地利用血流動(dòng)力學(xué)信息，重建出組織體內(nèi)部與病理過(guò)程密切相關(guān)的含氧血紅蛋白、脫氧血紅蛋白的分布情況。結(jié)合反映組織體分形形態(tài)變化的光學(xué)散射系數(shù) ，DOT能夠起到甄別良、惡性腫瘤，監(jiān)測(cè)癌變組織對(duì)治療反應(yīng)的作用。DOT方法與傳統(tǒng)的乳腺解剖和功能成像診斷方法相比，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，無(wú)電離輻射危害，對(duì)病變組織具有很高的特異性。但是其成像依賴于腫瘤組織血管化與正常組織之間I. 5 2. 5倍的內(nèi)源性光學(xué)對(duì)比，而且測(cè)量數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于待重建的參數(shù)數(shù)據(jù)量，因此DOT重建是一個(gè)嚴(yán)重的欠定性病態(tài)問(wèn)題，造成圖像重建后空間分辨率的退化和量化度的降低，影響了在臨床上的應(yīng)用。針對(duì)以上的缺陷，研究者采用了多種方法來(lái)進(jìn)行彌補(bǔ)
(I)進(jìn)行多波長(zhǎng)測(cè)量，增加測(cè)量數(shù)據(jù)量，提高重建的分辨率和量化度；(2)與其他成像模式(CT，MRI，US)相結(jié)合，獲得可靠的“先驗(yàn)”信息，來(lái)約束DOT的重建范圍，從而降低重建問(wèn)題的病態(tài)性。上述策略均取得了一定程度上的效果，但是其缺點(diǎn)是首先，往往導(dǎo)致成像系統(tǒng)復(fù)雜冗余，成本增加；其次，解剖成像方法在腫瘤組織的早期診斷中，不能夠?yàn)镈OT重建提供有效的“先驗(yàn)”信息，達(dá)不到減小問(wèn)題病態(tài)性的目標(biāo)。突光擴(kuò)散斷層成像(FluorescenceDiffuse Optical Tomography, FD0T),是 DOT技術(shù)的直接延伸和發(fā)展，它繼承了 DOT在成像深度和三維測(cè)量上的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)又可以發(fā)揮熒光劑對(duì)癌變區(qū)域的高靈敏和特異性優(yōu)勢(shì)，因此，在腫瘤診斷和分子成像領(lǐng)域有著極高的價(jià)值。將FDOT應(yīng)用于乳腺癌癥診斷時(shí),采用非祀向性的突光劑一η引哚菁綠(IndocyanineGreen, ICG)進(jìn)行造影。在癌癥病變的早期，由于腫瘤新生“血管化”現(xiàn)象，造成了病變組織周圍的血管滲透率增高，熒光劑在腫瘤附近產(chǎn)生“堆積”，在正常組織隨血液循環(huán)快速清除，進(jìn)而人為地提高了病變區(qū)域與正常組織之間的熒光對(duì)比度(為內(nèi)源性DOT對(duì)比度的2 4倍)，最終在熒光圖像的重建中，可以清晰地分辨出腫瘤區(qū)域。而且熒光成像中的壽命參數(shù)還可以反映組織中的ρ02、ρΗ等微環(huán)境信息。因此，將FDOT技術(shù)引入乳腺腫瘤早期診斷領(lǐng)域，可以準(zhǔn)確定位病變部位，為DOT重建提供可靠的“先驗(yàn)”位置信息，大大減少了 DOT重建問(wèn)題中需要重建的參數(shù)數(shù)據(jù)量，從而降低了問(wèn)題的量級(jí)和病態(tài)特性，起到了提高重建圖像分辨率和量化精度的作用。DOT和FDOT方法在成像原理和數(shù)據(jù)采集方式上相似，可以實(shí)現(xiàn)光源和探測(cè)設(shè)備的共同使用，因此，在技術(shù)上可以將DOT和FDOT進(jìn)行整合，開(kāi)發(fā)出一套FDOT — DOT聯(lián)合斷層成像檢測(cè)系統(tǒng)，將高對(duì)比度的FDOT與反映功能信息的內(nèi)源性DOT相融合，最終達(dá)成在FDOT中熒光產(chǎn)率和熒光壽命同時(shí)重建，并提取出患病區(qū)域的目標(biāo)，進(jìn)而為下一步DOT中吸收系數(shù)和散射系數(shù)的重建提供精確的位置信息。這套系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，不僅可以有效改善DOT重建問(wèn)題的病態(tài)特性，而且可以更準(zhǔn)確地提供關(guān)于腫瘤病變組織的定性、定位、定量的信息，完善了乳腺癌癥的早期功能影像診斷方式。但是針對(duì)現(xiàn)有的癌癥，特別是在乳腺癌檢測(cè)過(guò)程中，現(xiàn)有技術(shù)并沒(méi)有采用FDOT-DOT聯(lián)合成像測(cè)量的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種將高對(duì)比度的FDOT與反映功能信息的內(nèi)源性DOT相融合，最終達(dá)成在FDOT中熒光產(chǎn)率和熒光壽命同時(shí)重建，并提取出患病區(qū)域的目標(biāo)，進(jìn)而為下一步DOT中吸收系數(shù)和散射系數(shù)的重建提供精確位置信息的熒光一光學(xué)聯(lián)合斷層成像系統(tǒng)及測(cè)量方法。為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種熒光一光學(xué)聯(lián)合斷層成像系統(tǒng)，包括光源模塊、測(cè)量模塊、數(shù)據(jù)采集處理模塊和計(jì)算機(jī)控制模塊；·所述光源模塊，用于產(chǎn)生不同波長(zhǎng)的激發(fā)光，并將所述不同波長(zhǎng)的激發(fā)光耦合成復(fù)合激發(fā)光，以串列工作方式進(jìn)行輸出；所述測(cè)量模塊，用于放置成像目標(biāo)體、接收所述復(fù)合激發(fā)光、對(duì)所述成像目標(biāo)體分層進(jìn)行測(cè)量實(shí)現(xiàn)全三維掃描、散射出光子信號(hào)并將該光子信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖電信號(hào)輸出；所述數(shù)據(jù)采集處理模塊，用于接收所述脈沖電信號(hào)，進(jìn)行多維光子計(jì)數(shù)測(cè)量；所述計(jì)算機(jī)控制模塊，用于對(duì)所述光源模塊、測(cè)量模塊、數(shù)據(jù)采集處理模塊進(jìn)行控制，以及數(shù)據(jù)的采集、分析和顯示。所述光源模塊包括高重復(fù)頻率的皮秒脈沖半導(dǎo)體激光器，用于產(chǎn)生波長(zhǎng)為780nm和830nm的近紅外激發(fā)光；波分復(fù)用器，將所述不同波長(zhǎng)的激發(fā)光，耦合到一根激發(fā)源光纖上，以串列工作方式輸出以25ns為間隔的激發(fā)光子脈沖。所述測(cè)量模塊包括多根同軸源/探測(cè)光纖，用于傳輸光子信號(hào)；輸入光開(kāi)關(guān)，用于轉(zhuǎn)換輸入的光子信號(hào)；輸出光開(kāi)關(guān)，用于轉(zhuǎn)換輸出的光子信號(hào)；成像檢測(cè)平臺(tái)，該成像檢測(cè)平臺(tái)上設(shè)置有經(jīng)過(guò)黑化處理的成像腔，該成像腔內(nèi)放置有成像目標(biāo)體，所述成像腔經(jīng)過(guò)管路與一個(gè)匹配溶液進(jìn)入/排出單元連通，所述成像腔的表面采用多層源一探測(cè)通道環(huán)形配置方式，每層均勻分布有若干個(gè)檢測(cè)位，每個(gè)所述檢測(cè)位上連接有一所述同軸源/探測(cè)光纖中源光纖的輸出端與探測(cè)光纖的輸入端，所述源光纖的輸入端與所述輸入光開(kāi)關(guān)連接，所述探測(cè)光纖的輸出端與所述輸出光開(kāi)關(guān)連接；經(jīng)所述輸出光開(kāi)關(guān)輸出的光，通過(guò)準(zhǔn)直器耦合分別接入到濾波輪，所述濾波輪上配置有不同性能的衰減片和濾波片，用來(lái)調(diào)節(jié)信號(hào)強(qiáng)度，濾除熒光激發(fā)光；經(jīng)濾波輪輸出的光通過(guò)光電倍增管(PhotomultiplierTube，PMT)將光子信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖電信號(hào)。所述成像腔呈圓柱狀，嵌入在所述成像檢測(cè)平臺(tái)上層表面中上部，所述成像腔的底部中央接有一水嘴，通過(guò)塑膠管連通所述匹配溶液進(jìn)入/排出單元。所述成像腔的表面被分成4層，采用4層源一探測(cè)通道環(huán)形配置方式，每層均勻分布有8個(gè)檢測(cè)位，對(duì)應(yīng)所述同軸源/探測(cè)光纖為32根，所述輸入光開(kāi)關(guān)為一個(gè)1X32機(jī)械光開(kāi)關(guān)，所述輸出光開(kāi)關(guān)為4-8X1機(jī)械光開(kāi)關(guān),所述準(zhǔn)直器、濾波輪和光電倍增管分別為4個(gè)，所述每層8個(gè)檢測(cè)位上連接的同軸源/探測(cè)光纖中探測(cè)光纖的8個(gè)輸出端對(duì)應(yīng)連接在所述4-8X1機(jī)械光開(kāi)關(guān)上，每組所述8 X I機(jī)械光開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)I個(gè)準(zhǔn)直器、I個(gè)濾波輪和I個(gè)光電倍增管；所述32根所述同軸源/探測(cè)光纖中源光纖的輸入端分別連接在所述I X 32機(jī)械光開(kāi)關(guān)上。所述濾波輪為六孔濾波輪，第一個(gè)位置為空，不進(jìn)行任何衰減和濾波，其后四個(gè)位置依次安裝光學(xué)密度(Optical Density, 0D)從I到4的非反射型中性密度(NeutralDensity, ND)衰減片；最后一個(gè)孔，安裝由ICG熒光發(fā)射峰專用帶通(Band-pass，BP)濾波片和干涉型長(zhǎng)通(Long-pass, LP)濾波片組成的濾波片組合。所述匹配溶液進(jìn)入/排出單元包括兩組用于控制匹配液的流入和流出的真空泵和電磁閥。所述數(shù)據(jù)采集處理模塊包括I個(gè)信號(hào)路由器和I個(gè)單通道TCSPC (時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)，Time-Correlated Single Photon Counting, TCSPC)單兀，所述信號(hào)路由器用于將脈沖信號(hào)導(dǎo)入所述單通道TCSPC單元，該單通道TCSPC單元用于進(jìn)行多維時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)。一種熒光一光學(xué)聯(lián)合斷層成像系統(tǒng)的測(cè)量方法，該測(cè)量方法步驟如下SI配置系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)；S2獲取濾波輪上衰減片的性能參數(shù)；S3選定分層掃描測(cè)量方式；S4選擇測(cè)量閾值優(yōu)化策略,減少測(cè)量時(shí)間；S5進(jìn)入臨床測(cè)量。各步驟具體內(nèi)容如下·SI配置系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)I)激光控制器輸出周期為50ns的雙波長(zhǎng)脈沖信號(hào)；2)選擇70ns作為TCSPC單兀中TAC電路(時(shí)間一幅度轉(zhuǎn)化器,Time-to-amplitudeConverter, TAC)的時(shí)間范圍；3)設(shè)定TAC補(bǔ)償增益為1，TAC起始偏移為0. 78%，選擇9. 02%為TAC的時(shí)間幅度下限閾值，來(lái)消除TPSF(時(shí)間點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)曲線,Temporal Point Spread Function, TPSF)在開(kāi)始記錄時(shí)受到的突變?cè)肼暎?)常量分?jǐn)?shù)分辨器的下限閾值為-lOOmv，用來(lái)濾除測(cè)量中的背景噪聲；5)模擬一數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器(Analog-to-digital Converter,ADC)的位數(shù)為 12,將70ns的時(shí)間范圍，轉(zhuǎn)換到4096個(gè)時(shí)間通道，每個(gè)通道的寬度約為17. Ips ；6)在系統(tǒng)各個(gè)有源部件的參數(shù)設(shè)定完成后，PMT的光子渡越時(shí)間約為180ps，半導(dǎo)體激光器的輸出脈沖半高寬在780nm和830nm下,分別為70ps和50ps,加上波分復(fù)用器、光開(kāi)關(guān)、光纖、濾波片等光學(xué)器件的展寬，系統(tǒng)整體的時(shí)間分辨能力約為250 320ps ；S2獲取濾波輪上衰減片的性能參數(shù)ND衰減片的性能，通過(guò)一種能夠消除暗計(jì)數(shù)噪聲影響的相對(duì)測(cè)量法獲得；在滿足單光子計(jì)數(shù)的條件下，用濾波輪上第二個(gè)孔處通過(guò)的光流量Γ_除以第一個(gè)孔處的光流量rEMPTY，得到標(biāo)記為ODl的衰減片的相對(duì)透過(guò)率為r 0D=1/ r EMPTY,然后依次獲得r QD = η/ Γ CDt1 (n=2, 3，4)，進(jìn)而得到各個(gè)ND衰減片的絕對(duì)透過(guò)率；用830nm波長(zhǎng)作為ICG熒光的最大發(fā)射波長(zhǎng)，照射熒光濾波片組，得到Γ Γ EMPTY，從而可知系統(tǒng)在FDOT測(cè)量時(shí)獲得熒光信號(hào)的能力；
S3選定分層掃描測(cè)量方式本系統(tǒng)采用4層源一探測(cè)通道環(huán)形配置方式，在圓柱形成像腔上每一層有8個(gè)均勻分布的源一探測(cè)位置；每一層具體安裝的源一探測(cè)光纖，及其對(duì)應(yīng)的I X 32光開(kāi)關(guān)和4-8X1光開(kāi)關(guān)通道如下第一層，源一探測(cè)光纖序號(hào)1，2, 9, 10, 17, 18, 25, 26 ;對(duì)應(yīng)1X32光開(kāi)關(guān)上相同序號(hào)的通道，4 - 8X I光開(kāi)關(guān)上并行的第1、2列通道；第二層，源一探測(cè)光纖序號(hào)3，4，11，12，19，20，27，28 ;對(duì)應(yīng)I X 32光開(kāi)關(guān)上相同序號(hào)的通道，4 - 8X I光開(kāi)關(guān)上并行的第3、4列通道；第三層，源一探測(cè)光纖序號(hào)5，6，13，14，21，22，29，30 ;對(duì)應(yīng)I X 32光開(kāi)關(guān)上相同序號(hào)的通道，4 - 8X I光開(kāi)關(guān)上并行的第5、6列通道；第四層，源一探測(cè)光纖序號(hào)7，8, 15, 16, 23, 24, 31, 32 ;對(duì)應(yīng)I X 32光開(kāi)關(guān)上相同序
號(hào)的通道，4 - 8X I光開(kāi)關(guān)上并行的第7、8列通道；開(kāi)始逐層測(cè)量，每層測(cè)量的操作步驟如下I)將4 - 8X I光開(kāi)關(guān)切換到這一層對(duì)應(yīng)的第一列通道；2)1X32光開(kāi)關(guān)依次切換8個(gè)通道，每次完成I次4通道并行測(cè)量；3) 4-8X1光開(kāi)關(guān)切換到這一層對(duì)應(yīng)的第二列通道；4)1X32光開(kāi)關(guān)依次切換8個(gè)通道，每次完成I次4通道并行測(cè)量；然后，進(jìn)入下一層測(cè)量，重復(fù)每層測(cè)量的操作步驟完成4層的測(cè)量；S4選擇測(cè)量閾值優(yōu)化策略，其步驟如下I)對(duì)已知均勻光學(xué)參數(shù)目標(biāo)體預(yù)先測(cè)試，獲得一個(gè)在實(shí)際測(cè)量時(shí)令人滿意的光子計(jì)數(shù)下限閾值；2)測(cè)量時(shí)，在沒(méi)有到達(dá)設(shè)定的積分時(shí)間的情況下，當(dāng)四個(gè)并行通道的TPSF曲線的最大值都達(dá)到或超過(guò)設(shè)定下限閾值時(shí)，提前停止這四個(gè)通道上的測(cè)量，否則測(cè)量活動(dòng)將持續(xù)進(jìn)行直到滿足所設(shè)的積分時(shí)間；3)進(jìn)行到下一組四個(gè)通道的測(cè)量，重復(fù)步驟2)，直到整個(gè)測(cè)量結(jié)束；4)每組測(cè)量結(jié)束后，記錄下各個(gè)通道所用的真實(shí)測(cè)量時(shí)間，用來(lái)在后續(xù)過(guò)程中對(duì)TPSF曲線進(jìn)行時(shí)間歸一化處理；S5進(jìn)行臨床測(cè)量；I)預(yù)測(cè)量①成像腔內(nèi)充滿與人體正常乳腺組織光學(xué)參數(shù)相同的匹配液，形成光學(xué)背景均勻的液態(tài)目標(biāo)體；②使用編寫的控制軟件，進(jìn)行濾波輪衰減片的自動(dòng)選?、?2個(gè)源光纖依次激勵(lì)，通過(guò)讀取不同ND衰減片下，四個(gè)PMT上的光子計(jì)數(shù)率，選取合適的衰減片，在滿足單光子計(jì)數(shù)的前提下，保證探測(cè)器獲得盡可能高的光子計(jì)數(shù)率；④保存各個(gè)源一探測(cè)下的衰減片索引值；⑤對(duì)均勻仿體進(jìn)行三維時(shí)間相關(guān)單光子DOT測(cè)量，在各個(gè)源一探測(cè)位置，采用相應(yīng)的衰減片，獲得DOT重建中需要的均勻目標(biāo)體數(shù)據(jù)；2)人體DOT測(cè)量①被檢測(cè)者趴在檢測(cè)平臺(tái)上，乳腺懸垂于成像腔中，匹配液充滿腔體與乳腺組織之間的空隙；②使用編寫的軟件進(jìn)行控制，對(duì)乳腺進(jìn)行雙波長(zhǎng)三維測(cè)量，在各個(gè)源一探測(cè)位置，控制程序選取相應(yīng)的ND衰減片，可以獲得DOT重建中含有異質(zhì)目標(biāo)體的數(shù)據(jù)；3)人體FDOT測(cè)量①對(duì)被測(cè)者注射一定量的ICG溶液；②20分鐘后，采取與DOT測(cè)量時(shí)相同的姿勢(shì)；③調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光器在830nm上輸出功率為0，其他不變；④進(jìn)行FDOT的激發(fā)光測(cè)量，其測(cè)量過(guò)程與DOT測(cè)量相同，獲得FDOT重建中用到的激發(fā)光數(shù)據(jù)；⑤進(jìn)行FDOT的發(fā)射光測(cè)量，由于進(jìn)行對(duì)熒光信號(hào)的采集，通過(guò)預(yù)先調(diào)整，在各個(gè)源一探測(cè)位置處，濾波輪均設(shè)置為熒光濾波片組合，來(lái)濾除ICG激發(fā)光，可以獲得FDOT重建中的發(fā)射光數(shù)據(jù)。本發(fā)明的有益技術(shù)效果如下I).本發(fā)明采用高重復(fù)頻率的皮秒脈沖半導(dǎo)體激光器為激勵(lì)源，基于時(shí)間相關(guān)的單光子計(jì)數(shù)技術(shù)，采用高增益的PMT進(jìn)行探測(cè)。具有工作穩(wěn)定，靈敏度高的特點(diǎn)，時(shí)間域測(cè)量的方式，相比傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和頻域測(cè)量方式，能夠獲得更多的目標(biāo)體內(nèi)部信息。·
2).本系統(tǒng)中DOT采用雙波長(zhǎng)串行方式輸出激發(fā)光，測(cè)量深度可達(dá)15cm，可以實(shí)現(xiàn)三維乳腺組織的在體、實(shí)時(shí)、快速測(cè)量，根據(jù)雙波長(zhǎng)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)，可以獲得乳腺組織的生理和病理等結(jié)構(gòu)和功能信息。3).數(shù)據(jù)處理中，TPSF曲線除以衰減片(DOT)或者濾波片(FDOT)的透過(guò)率進(jìn)行了強(qiáng)度歸一化，在積分時(shí)間上也進(jìn)行歸一化。DOT采用比例數(shù)據(jù)類型，F(xiàn)DOT采用Born近似的歸一化數(shù)據(jù)類型，均有效減少了多通道系統(tǒng)中不同探測(cè)通道間的性能差異，可以不再進(jìn)行系統(tǒng)的各個(gè)通道的精確標(biāo)定，降低了測(cè)量誤差對(duì)重建的影響。4).從高對(duì)比度的FDOT熒光產(chǎn)率重建結(jié)果中，提取出感興趣區(qū)域，可以準(zhǔn)確定位病變位置，為DOT重建提供“先驗(yàn)”信息，約束了重建問(wèn)題的規(guī)模，降低了重建問(wèn)題的病態(tài)性，從而有效提高了 DOT重建的空間分辨率和量化精度。5).本系統(tǒng)編程實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)中光開(kāi)關(guān)通道切換，濾波輪位置調(diào)整，TCSPC模塊數(shù)據(jù)的采集的控制，提高了系統(tǒng)整體的可控性，加速了整個(gè)測(cè)量工作，實(shí)現(xiàn)了乳腺組織的三維實(shí)時(shí)、快速測(cè)量。本發(fā)明的創(chuàng)新在于I)本發(fā)明采用高頻脈沖半導(dǎo)體激光器，實(shí)現(xiàn)了多波長(zhǎng)激發(fā)光下的同時(shí)測(cè)量，降低了傳統(tǒng)多波長(zhǎng)測(cè)量時(shí)，不同波長(zhǎng)單獨(dú)測(cè)量帶來(lái)的額外工作時(shí)間。2)在探測(cè)部分，只配置4個(gè)PMT，通過(guò)4 - 8 X I光開(kāi)關(guān)的通道切換，實(shí)現(xiàn)探測(cè)位置的變化。采用路由器與I個(gè)TCSPC單元相結(jié)合的方式，由路由器輸出探測(cè)通道編碼和CFD輸入信號(hào)，在TCSPC的內(nèi)存區(qū)域上對(duì)不同探測(cè)通道的TPSF曲線分別進(jìn)行累加計(jì)數(shù)。以上設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)組成，降低了系統(tǒng)成本。3)在測(cè)量方式上，傳統(tǒng)掃描方式，在32源X 32探測(cè)器的情況下，進(jìn)行全三維掃描，共進(jìn)行32X8次測(cè)量，獲得1024組數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)按照特定的規(guī)律，進(jìn)行了 4層源一探測(cè)環(huán)形配置。源光纖激勵(lì)，只有同層的探測(cè)光纖進(jìn)行測(cè)量，最終進(jìn)行4X8X2次測(cè)量，獲得256組數(shù)據(jù)。由此可見(jiàn)，逐層測(cè)量的方式所需要的時(shí)間，只是傳統(tǒng)方式時(shí)間的四分之一，大大降低了診斷時(shí)間。在此測(cè)量方式下，DOT和FDOT三維重建，均采用同層數(shù)據(jù)作為重建目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行重建。4)閾值優(yōu)化策略，在保證每條TPSF曲線較高信噪比的前提下，設(shè)定計(jì)數(shù)閾值，在4個(gè)PMT上TPSF最高值均達(dá)到閾值時(shí)，提前結(jié)束并行測(cè)量，有效減少了測(cè)量時(shí)間。5) FDOT與DOT相結(jié)合，在乳腺癌癥早期診斷中具有重要的互補(bǔ)作用。DOT重建能夠提供FDOT重建用到的背景光學(xué)參數(shù)，有利于提高FDOT的成像分辨率和量化度；另一方面，F(xiàn)DOT針對(duì)與癌癥組織有特異性的ICG進(jìn)行成像，注入外源性的熒光造影劑ICG，人為提高癌癥組織與周圍正常組織的熒光對(duì)比度，相比于內(nèi)源性D0T1. 5^2. 5倍的對(duì)比度，熒光對(duì)比度為其的2 4倍，能夠準(zhǔn)確地捕捉到腫瘤組織。通過(guò)對(duì)FDOT熒光產(chǎn)率重建圖像進(jìn)行分割，可以很準(zhǔn)確地劃定病變區(qū)域，生成DOT重建的“先驗(yàn)”信息。利用FDOT提供的“先驗(yàn)”位置信息，可以導(dǎo)引DOT的重建過(guò)程，縮小需要重建的區(qū)域范圍，降低重建問(wèn)題的病態(tài)性，從而
起到提高分辨率和量化精度的目的。6)匹配液泵入/出裝置，通過(guò)控制面板操作一組真空泵和電磁閥，將與人體正常乳腺組織光學(xué)系數(shù)相同的匹配液，從匹配瓶中吸入成像腔，完成測(cè)量后，經(jīng)由另一組真空泵和電磁閥，將廢液排入廢液收集瓶中。在測(cè)量時(shí)，匹配液填充了乳腺組織和腔體之間的空隙，實(shí)現(xiàn)了背景和目標(biāo)體的同時(shí)測(cè)量。


圖I為本發(fā)明提供的熒光一光學(xué)聯(lián)合斷層成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明提供的熒光一光學(xué)聯(lián)合斷層成像系統(tǒng)的成像檢測(cè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明提供的熒光一光學(xué)聯(lián)合斷層成像系統(tǒng)的成像腔結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明從圖I至圖3所示的本發(fā)明實(shí)施方式可知本發(fā)明熒光一光學(xué)聯(lián)合斷層成像系統(tǒng)，包括光源模塊、測(cè)量模塊、數(shù)據(jù)采集處理模塊、計(jì)算機(jī)控制模塊；所述光源模塊包括高重復(fù)頻率的皮秒脈沖半導(dǎo)體激光器，該激光器采用控制單元控制雙通道半導(dǎo)體激光驅(qū)動(dòng)器，輸出波長(zhǎng)為780nm和830nm的近紅外激發(fā)光。如圖I所示，首先，皮秒脈沖半導(dǎo)體激光器向TCSPC單元的同步信號(hào)輸入端發(fā)送40MHz的同步信號(hào)(Synchronization Signal, SYNC),作為時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)方式的參考信號(hào)。其次，激光器的多路驅(qū)動(dòng)器用來(lái)控制780nm和830nm兩個(gè)半導(dǎo)體激光頭在DOT測(cè)量時(shí)，兩個(gè)波長(zhǎng)下的光子脈沖平均分配了 50ns的信號(hào)周期，相互之間以25ns間隔的串列模式對(duì)外輸出激發(fā)光。每個(gè)波長(zhǎng)下激發(fā)光的輸出功率約為5mW，脈沖寬度小于70ps ;在FDOT測(cè)量時(shí)，830nm的激光頭向往輸出功率為0，但其脈沖信號(hào)仍然占據(jù)25ns的信號(hào)周期。波分復(fù)用器，將所述不同波長(zhǎng)的激發(fā)光，耦合到一根激發(fā)源光纖上，形成復(fù)合激發(fā)光。780nm的激發(fā)光經(jīng)過(guò)波分復(fù)用器的反射(插入損耗小于I. OdB)，830nm的激發(fā)光經(jīng)過(guò)波分復(fù)用器的透射(插入損耗小于O. 9dB)，在波分復(fù)用器的輸出端，形成復(fù)合激發(fā)光，耦合到一根光纖連接到1X32光開(kāi)關(guān)。所述測(cè)量模塊包括32根同軸源/探測(cè)光纖，用于傳輸光子信號(hào)。源光纖，芯徑為62. 5 μ m,數(shù)值孔徑(Numerical Aperture, NA)為O. 22,與探測(cè)光纖同軸，形成一根光纖,源光纖輸出端和探測(cè)光纖輸入端并列，該源光纖輸出端安裝在成像腔體上，且輸出端表面與腔體的內(nèi)表面平齊。為了盡可能地收集出射的光子信號(hào)，探測(cè)光纖選用大孔徑光纖，芯徑為ΙΟΟΟμπι，NA為O. 37,其輸入端與源 光纖同軸,分布在成像腔體上,輸出端接入I個(gè)4-8X1機(jī)械光開(kāi)關(guān)。輸入光開(kāi)關(guān),用于轉(zhuǎn)換輸入的光子信號(hào),為1X32機(jī)械光開(kāi)關(guān),將波分復(fù)用器輸出的光耦合到輸入端，通過(guò)計(jì)算機(jī)的串行接口控制光開(kāi)關(guān)中不同通道的切換，將激勵(lì)光連通到32根同軸源/探測(cè)光纖的源光纖輸入端上。輸出光開(kāi)關(guān)，用于轉(zhuǎn)換輸出的光子信號(hào)，為4 - 8Χ I機(jī)械光開(kāi)關(guān),其內(nèi)部為4組8X1光開(kāi)關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)4路信號(hào)的同時(shí)切換。成像檢測(cè)平臺(tái)，如圖2所示，該成像檢測(cè)平臺(tái)整體如一張單人床，其上層表面中上部位置嵌入有經(jīng)過(guò)黑化處理的圓柱狀成像腔，腔體內(nèi)經(jīng)過(guò)黑化處理，消除了內(nèi)壁反射光對(duì)測(cè)量的影響。該成像腔內(nèi)放置有成像目標(biāo)體一被檢測(cè)者的乳房，被檢測(cè)者趴在成像檢測(cè)平臺(tái)上將乳房置于成像腔內(nèi)，腔體尺寸如圖3所示，能夠完全包圍住目標(biāo)體，使乳房在內(nèi)部呈現(xiàn)自然懸垂?fàn)顟B(tài)，相較以往的平板壓縮掃描測(cè)量方式，用圓柱形成像腔體進(jìn)行測(cè)量，可以避免乳房變形造成的內(nèi)部血流動(dòng)力學(xué)異常，能夠更好地還原乳房的生理和病理信息。所述成像腔底部中央接有一水嘴，通過(guò)塑膠管連通所述匹配溶液進(jìn)入/排出單元，如圖2所示，測(cè)量開(kāi)始前，通過(guò)控制面板操作一組真空泵和電磁閥(電磁閥2，泵2)，將與人體正常乳腺組織光學(xué)系數(shù)相同的匹配液，從匹配瓶中吸入成像腔，完成測(cè)量后，經(jīng)由另一組真空泵和電磁閥(電磁閥1，泵I)，將廢液排入廢液收集瓶中。在測(cè)量時(shí)，匹配液填充了乳腺組織和腔體之間的空隙，實(shí)現(xiàn)了背景和目標(biāo)體的同時(shí)測(cè)量。所述成像腔表面被分成4層，采用4層源一探測(cè)通道環(huán)形配置方式，每層均勻分布有8個(gè)檢測(cè)位，對(duì)應(yīng)32根同軸源/探測(cè)光纖，該32根同軸源/探測(cè)光纖被分為4組，每組源光纖的輸出端和探測(cè)光纖的輸入端通過(guò)光纖接頭連接在所述檢測(cè)位上，每組探測(cè)光纖的輸出端對(duì)應(yīng)連接在4-8X1機(jī)械光開(kāi)關(guān)上。4個(gè)準(zhǔn)直器、4個(gè)濾波輪和4個(gè)光電倍增管，每組8 X I機(jī)械光開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)I個(gè)準(zhǔn)直器、I個(gè)濾波輪和I個(gè)光電倍增管，經(jīng)4-8 X I機(jī)械光開(kāi)關(guān)輸出的光，通過(guò)準(zhǔn)直器耦合分別接入到濾波輪，所述濾波輪上配置有不同性能的衰減片和濾波片，濾波輪上配置衰減片的作用用來(lái)在DOT測(cè)量和FDOT激發(fā)光測(cè)量時(shí)，調(diào)節(jié)光子信號(hào)強(qiáng)度，使到達(dá)PMT陰極表面的光子速率小于SYNC計(jì)數(shù)率的1/20，即滿足單光子計(jì)數(shù)條件，保證PMT探測(cè)器工作在適宜的線性區(qū)域；配置濾光片組合的作用用來(lái)在FDOT測(cè)量時(shí)，濾除激發(fā)波長(zhǎng)下的光子信號(hào)。本系統(tǒng)采用六孔濾波輪，第一個(gè)位置為空，不進(jìn)行任何衰減和濾波，其后四個(gè)位置依次安裝ODl到0D4的非反射型ND衰減片；最后一個(gè)孔，安裝由ICG熒光發(fā)射峰專用BP濾波片和干涉型LP濾波片組成的濾波片組合。BP濾波片在813. 5 850. 5nm范圍內(nèi)具有93%的透過(guò)率，阻帶衰減高于0D6，LP濾波片在820nm以上范圍具有85%以上的透過(guò)率，阻帶衰減高于0D4。經(jīng)濾波輪輸出的光被傳輸?shù)礁咴鲆娴腜MT，PMT工作在單光子計(jì)數(shù)條件下，用來(lái)進(jìn)行微弱光子檢測(cè)，透過(guò)濾波輪的光垂直入射到PMT陰極表面，PMT將探測(cè)到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖電信號(hào)進(jìn)行輸出。所述數(shù)據(jù)采集處理模塊包括I個(gè)信號(hào)路由器和I個(gè)TCSPC單元，所述信號(hào)路由器用于將經(jīng)PMT輸出的脈沖信號(hào)導(dǎo)入所述TCSPC單元，傳統(tǒng)的光子計(jì)數(shù)模塊，是每一個(gè)PMT后連接一個(gè)獨(dú)立的TCSPC單元。本系統(tǒng)采用信號(hào)路由器，是因?yàn)椴⑿刑綔y(cè)的4個(gè)PMT，其能夠同時(shí)探測(cè)到光子信號(hào)的可能性極低，因此，可以使用路由器分時(shí)采集不同PMT的輸出信號(hào)，然后對(duì)通道信息進(jìn)行編碼，將編碼信號(hào)和脈沖電信號(hào)一同發(fā)送給TCSPC單元。TCSPC單元，通過(guò)對(duì)大量光子信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)測(cè)量，可以建立物體表面出射光子隨時(shí)間變化的TPSF。通過(guò)接收路由器的編碼信號(hào)，可以知道哪個(gè)PMT探測(cè)通道輸出了相應(yīng)的光子脈沖信號(hào)。光子脈沖信號(hào)進(jìn)入TCSPC的常量分?jǐn)?shù)分量分辨器(Constant FractionDiscriminator, CFD)，進(jìn)行脈沖鑒別。CFD輸出信號(hào)與作為時(shí)間點(diǎn)參考的SYNC進(jìn)入TAC，SYNC與CFD信號(hào)之間的時(shí)間延遲，按照比例關(guān)系轉(zhuǎn)換為一定強(qiáng)度的輸出信號(hào)。TAC輸出信號(hào)進(jìn)入ADC，ADC將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)作為內(nèi)存地址索引。最終TCSPC單元根據(jù)路由器編碼信息，選擇輸出光子脈沖信號(hào)的PMT的TPSF曲線，并在TPSF曲線上地址標(biāo)記的時(shí)間通道進(jìn) 行累加計(jì)數(shù)。所述計(jì)算機(jī)控制模塊，通過(guò)USB接口分別控制皮秒脈沖半導(dǎo)體激光器和濾波輪；通過(guò)串行通訊接口(RS232接口 )控制1X32光開(kāi)關(guān)和4-8X1光開(kāi)關(guān)的通道切換；通過(guò)PCI接口控制TCSPC數(shù)據(jù)采集卡。實(shí)現(xiàn)了預(yù)測(cè)量時(shí)，濾波輪上衰減片的自動(dòng)選取功能，實(shí)現(xiàn)了四通道PMT并行測(cè)量和TPSF曲線數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、分析和顯示功能。本發(fā)明熒光一光學(xué)聯(lián)合斷層成像系統(tǒng)的測(cè)量方法如下SI配置系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)I)激光控制器輸出周期為50ns的雙波長(zhǎng)脈沖信號(hào)；2)選擇70ns作為TCSPC單元中時(shí)間一幅度轉(zhuǎn)化器TAC電路的時(shí)間范圍；3)設(shè)定TAC補(bǔ)償增益為1，TAC起始偏移為O. 78%，選擇9. 02%為TAC的時(shí)間幅度下限閾值，來(lái)消除TPSF在開(kāi)始記錄時(shí)受到的突變?cè)肼暎?)常量分?jǐn)?shù)分辨器的下限閾值為-lOOmv，用來(lái)濾除測(cè)量中的背景噪聲；5)模擬一數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)為12，將70ns的時(shí)間范圍，轉(zhuǎn)換到4096個(gè)時(shí)間通道，每個(gè)通道的寬度約為17. Ips ；6)在系統(tǒng)各個(gè)有源部件的參數(shù)設(shè)定完成后，PMT的光子渡越時(shí)間約為180ps，半導(dǎo)體激光器的輸出脈沖半高寬在780nm和830nm下,分別為70ps和50ps,加上波分復(fù)用器、光開(kāi)關(guān)、光纖、濾波片等光學(xué)器件的展寬，系統(tǒng)整體的時(shí)間分辨能力約為250 320ps ；S2獲取濾波輪上衰減片的性能參數(shù)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的積分時(shí)間、時(shí)間通道參數(shù)和可能的最高光子出射強(qiáng)度等在測(cè)量前加以調(diào)整，以獲得最佳的SNR。因此，在正式測(cè)量前，需要知道每組探測(cè)位置上的ND衰減片和熒光濾波片組的真實(shí)性能。ND衰減片的性能，通過(guò)一種能夠消除暗計(jì)數(shù)噪聲影響的相對(duì)測(cè)量法獲得。例如，在滿足單光子計(jì)數(shù)的條件下，用濾波輪上第二個(gè)孔處通過(guò)的光流量Γ_除以第一個(gè)孔處的光流量ΓΕΜΡΤΥ，得到標(biāo)記為ODl的衰減片的相對(duì)透過(guò)率為Γ_/Γ ΕΜΡΤΥ，然后依次獲得O11^1 (η=2, 3，4)，進(jìn)而得到各個(gè)ND衰減片的絕對(duì)透過(guò)率。用830nm波長(zhǎng)作為ICG熒光的最大發(fā)射波長(zhǎng)，照射熒光濾波片組，得到Γ Γ EMPTY，從而可知系統(tǒng)在FDOT測(cè)量時(shí)，獲得熒光信號(hào)的能力。
S3選定分層掃描測(cè)量方式本系統(tǒng)采用4層源一探測(cè)通道環(huán)形配置方式，在圓柱形成像腔上每一層有8個(gè)均勻分布的源一探測(cè)位置；每一層具體安裝的源一探測(cè)光纖，及其對(duì)應(yīng)的I X 32光開(kāi)關(guān)和4-8X1光開(kāi)關(guān)通道如下第一層，源一探測(cè)光纖序號(hào)I, 2, 9, 10, 17, 18, 25, 26 ;對(duì)應(yīng)1X32光開(kāi)關(guān)上相同序號(hào)的通道，4 - 8X I光開(kāi)關(guān)上并行的第1、2列通道；第二層，源一探測(cè)光纖序號(hào)3，4，11，12，19，20，27，28 ;對(duì)應(yīng)I X 32光開(kāi)關(guān)上相同序號(hào)的通道，4 - 8X I光開(kāi)關(guān)上并行的第3、4列通道；第三層，源一探測(cè)光纖序號(hào)5，6，13，14，21，22，29，30 ;對(duì)應(yīng)I X 32光開(kāi)關(guān)上相同序號(hào)的通道，4 - 8X I光開(kāi)關(guān)上并行的第5、6列通道；第四層，源一探測(cè)光纖序號(hào)7, 8, 15, 16, 23, 24, 31, 32 ;對(duì)應(yīng)I X 32光開(kāi)關(guān)上相同序號(hào)的通道，4 - 8X I光開(kāi)關(guān)上并行的第7、8列通道；開(kāi)始逐層測(cè)量，每層測(cè)量的操作步驟如下I)將4 - 8X I光開(kāi)關(guān)切換到這一層對(duì)應(yīng)的第一列通道；2)1X32光開(kāi)關(guān)依次切換8個(gè)通道，每次完成I次4通道并行測(cè)量；3) 4 - 8X I光開(kāi)關(guān)切換到這一層對(duì)應(yīng)的第二列通道；4)1X32光開(kāi)關(guān)依次切換8個(gè)通道，每次完成I次4通道并行測(cè)量；然后，進(jìn)入下一層測(cè)量，重復(fù)每層測(cè)量的操作步驟完成4層的測(cè)量。不同于以往的全三維測(cè)量方式，本系統(tǒng)不論在擴(kuò)散光學(xué)斷層成像，還是熒光擴(kuò)散斷層成像測(cè)量時(shí)，源光纖激勵(lì)，只有同一層的探測(cè)光纖進(jìn)行探測(cè)。因此每一層測(cè)量，首先，4-8X1光開(kāi)關(guān)切換到這一層對(duì)應(yīng)的第一列通道，I X 32光開(kāi)關(guān)依次切換8個(gè)通道，每次完成I次4通道并行測(cè)量，然后4 - 8 X I光開(kāi)關(guān)切換到這一層對(duì)應(yīng)的第二列通道，I X 32光開(kāi)關(guān)依次切換8個(gè)通道，每次完成I次4通道并行測(cè)量，如此，就完成單獨(dú)一層的測(cè)量工作。其他探測(cè)層面上的工作流程，與其一致。所以，本系統(tǒng)在進(jìn)行三維目標(biāo)體的測(cè)量工作時(shí)，可以獲得4X (4X8X2) =256組數(shù)據(jù)量。S4選擇測(cè)量閾值優(yōu)化策略，其步驟如下時(shí)序多通道探測(cè)技術(shù)的缺點(diǎn)主要是系統(tǒng)整體的測(cè)量時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，因此在本系統(tǒng)的測(cè)量過(guò)程中，在保證較高SNR的前提下，為了提高測(cè)量速度，采用了測(cè)量閾值優(yōu)化策略，其步驟如下I)對(duì)已知均勻光學(xué)參數(shù)目標(biāo)體預(yù)先測(cè)試，獲得一個(gè)在實(shí)際測(cè)量時(shí)令人滿意的光子計(jì)數(shù)下限閾值；2)測(cè)量時(shí)，在沒(méi)有到達(dá)設(shè)定的積分時(shí)間的情況下，當(dāng)四個(gè)并行通道的TPSF曲線的最大值都達(dá)到或超過(guò)設(shè)定下限閾值時(shí)，提前停止這四個(gè)通道上的測(cè)量，否則測(cè)量活動(dòng)將持續(xù)進(jìn)行直到滿足所設(shè)的積分時(shí)間；3)進(jìn)行到下一組四個(gè)通道的測(cè)量，重復(fù)步驟2)，直到整個(gè)測(cè)量結(jié)束；4)每組測(cè)量結(jié)束后，記錄下各個(gè)通道所用的真實(shí)測(cè)量時(shí)間，用來(lái)在后續(xù)過(guò)程中對(duì)TPSF曲線進(jìn)行時(shí)間歸一化處理；由于采用了多層源一探測(cè)環(huán)形配置方式，光纖的位置呈現(xiàn)對(duì)稱式分布，所以采用閾值下限的策略能夠有效地縮短整體測(cè)量時(shí)間。
S5進(jìn)行臨床測(cè)量；I)預(yù)測(cè)量①成像腔內(nèi)充滿與人體正常乳腺組織光學(xué)參數(shù)相同的匹配液，形成光學(xué)背景均勻的液態(tài)目標(biāo)體；②使用編寫的控制軟件，進(jìn)行濾波輪衰減片的自動(dòng)選?、?2個(gè)源光纖依次激勵(lì)，通過(guò)讀取不同ND衰減片下，四個(gè)PMT上的光子計(jì)數(shù)率，選取合適的衰減片，在滿足單光子計(jì)數(shù)的前提下，保證探測(cè)器獲得盡可能高的光子計(jì)數(shù)率；④保存各個(gè)源一探測(cè)下的衰減片索引值；⑤對(duì)均勻仿體進(jìn)行三維時(shí)間相關(guān)單光子DOT測(cè)量，在各個(gè)源一探測(cè)位置，采用相 應(yīng)的衰減片，獲得DOT重建中需要的均勻目標(biāo)體數(shù)據(jù)；2)人體DOT測(cè)量①被檢測(cè)者趴在檢測(cè)平臺(tái)上，乳腺懸垂于成像腔中，匹配液充滿腔體與乳腺組織之間的空隙；②使用編寫的軟件進(jìn)行控制，對(duì)乳腺進(jìn)行雙波長(zhǎng)三維測(cè)量，在各個(gè)源一探測(cè)位置，控制程序選取相應(yīng)的ND衰減片，可以獲得DOT重建中含有異質(zhì)目標(biāo)體的數(shù)據(jù)；3)人體FDOT測(cè)量①對(duì)被測(cè)者注射一定量的ICG溶液；②20分鐘后，采取與DOT測(cè)量時(shí)相同的姿勢(shì)；③調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光器在830nm上輸出功率為0，其他不變；④進(jìn)行FDOT的激發(fā)光測(cè)量，其測(cè)量過(guò)程與DOT測(cè)量相同，獲得FDOT重建中用到的激發(fā)光數(shù)據(jù)；⑤進(jìn)行FDOT的發(fā)射光測(cè)量，由于進(jìn)行對(duì)熒光信號(hào)的采集，通過(guò)預(yù)先調(diào)整，在各個(gè)源一探測(cè)位置處，濾波輪均設(shè)置為熒光濾波片組合，來(lái)濾除ICG激發(fā)光，可以獲得FDOT重建中的發(fā)射光數(shù)據(jù)。綜上所述，本發(fā)明的內(nèi)容并不局限在上述實(shí)施例中，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明的指導(dǎo)思想輕易提出其它實(shí)施方式，這些實(shí)施方式都包括在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種熒光一光學(xué)聯(lián)合斷層成像系統(tǒng)，包括光源模塊、測(cè)量模塊、數(shù)據(jù)采集處理模塊和計(jì)算機(jī)控制模塊；其特征在于所述光源模塊，用于產(chǎn)生不同波長(zhǎng)的激發(fā)光，并將所述不同波長(zhǎng)的激發(fā)光耦合成復(fù)合激發(fā)光，以串列工作方式進(jìn)行輸出；所述測(cè)量模塊，用于放置成像目標(biāo)體、接收所述復(fù)合激發(fā)光、對(duì)所述成像目標(biāo)體分層進(jìn)行測(cè)量實(shí)現(xiàn)全三維掃描、散射出光子信號(hào)并將該光子信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖電信號(hào)輸出；所述數(shù)據(jù)采集處理模塊，用于接收所述脈沖電信號(hào)，進(jìn)行多維光子計(jì)數(shù)測(cè)量；所述計(jì)算機(jī)控制模塊，用于對(duì)所述光源模塊、測(cè)量模塊、數(shù)據(jù)采集處理模塊進(jìn)行控制，以及數(shù)據(jù)的采集、分析和顯示。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的熒光一光學(xué)聯(lián)合斷層成像系統(tǒng)，其特征在于所述光源模塊包括高重復(fù)頻率的皮秒脈沖半導(dǎo)體激光器，用于產(chǎn)生波長(zhǎng)為780nm和830nm的近紅外激發(fā)光；波分復(fù)用器，將所述不同波長(zhǎng)的激發(fā)光，I禹合到一根激發(fā)源光纖上，以串列工作方式輸出以25ns為間隔的激發(fā)光子脈沖。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的熒光一光學(xué)聯(lián)合斷層成像系統(tǒng)，其特征在于所述測(cè)量模塊包括用于傳輸光子信號(hào)的多根同軸源/探測(cè)光纖；用于轉(zhuǎn)換輸入的光子信號(hào)的輸入光開(kāi)關(guān)；用于轉(zhuǎn)換輸出的光子信號(hào)的輸出光開(kāi)關(guān)；成像檢測(cè)平臺(tái)，該成像檢測(cè)平臺(tái)上設(shè)置有經(jīng)過(guò)黑化處理的成像腔，該成像腔內(nèi)放置有成像目標(biāo)體，所述成像腔經(jīng)過(guò)管路與一個(gè)匹配溶液進(jìn)入/排出單元連通，所述成像腔的表面采用多層源一探測(cè)通道環(huán)形配置方式，每層均勻分布有若干個(gè)檢測(cè)位，每個(gè)所述檢測(cè)位上連接有一所述同軸源/探測(cè)光纖中源光纖的輸出端與探測(cè)光纖的輸入端，所述源光纖的輸入端與所述輸入光開(kāi)關(guān)連接，所述探測(cè)光纖的輸出端與所述輸出光開(kāi)關(guān)連接，經(jīng)所述輸出光開(kāi)關(guān)輸出的光，通過(guò)準(zhǔn)直器耦合分別接入到濾波輪，所述濾波輪上配置有不同性能的衰減片和濾波片，用來(lái)調(diào)節(jié)信號(hào)強(qiáng)度，濾除熒光激發(fā)光，經(jīng)濾波輪輸出的光通過(guò)光電倍增管將光子信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖電信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的熒光一光學(xué)聯(lián)合斷層成像系統(tǒng)，其特征在于所述成像腔呈圓柱狀，嵌入在所述成像檢測(cè)平臺(tái)上層表面中上部，所述成像腔的底部中央接有一水嘴，通過(guò)塑膠管連通所述匹配溶液進(jìn)入/排出單元。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的熒光一光學(xué)聯(lián)合斷層成像系統(tǒng)，其特征在于所述成像腔的表面被分成4層，采用4層源一探測(cè)通道環(huán)形配置方式，每層均勻分布有8個(gè)檢測(cè)位，對(duì)應(yīng)所述同軸源/探測(cè)光纖為32根,所述輸入光開(kāi)關(guān)為一個(gè)1X32機(jī)械光開(kāi)關(guān),所述輸出光開(kāi)關(guān)為4 - 8X I機(jī)械光開(kāi)關(guān)，所述準(zhǔn)直器、濾波輪和光電倍增管分別為4個(gè)，所述每層8個(gè)檢測(cè)位上連接的同軸源/探測(cè)光纖中探測(cè)光纖的8個(gè)輸出端對(duì)應(yīng)連接在所述4-8X1機(jī)械光開(kāi)關(guān)上，每組所述8X1機(jī)械光開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)I個(gè)準(zhǔn)直器、I個(gè)濾波輪和I個(gè)光電倍增管；所述32根所述同軸源/探測(cè)光纖中源光纖的輸入端分別連接在所述1X32機(jī)械光開(kāi)關(guān)上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的熒光一光學(xué)聯(lián)合斷層成像系統(tǒng)，其特征在于所述濾波輪為六孔濾波輪，第一個(gè)位置為空，不進(jìn)行任何衰減和濾波，其后四個(gè)位置依次安裝光學(xué)密度從I到4的非反射型中性密度衰減片；最后一個(gè)孔，安裝由ICG熒光發(fā)射峰專用帶通濾波片和干涉型長(zhǎng)通濾波片組成的濾波片組合。
7.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的熒光一光學(xué)聯(lián)合斷層成像系統(tǒng)，其特征在于所述匹配溶液進(jìn)入/排出單元包括兩組用于控制匹配液的流入和流出的真空泵和電磁閥。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的熒光-光學(xué)聯(lián)合斷層成像系統(tǒng)，其特征在于所述數(shù)據(jù)采集處理模塊包括I個(gè)信號(hào)路由器和I個(gè)單通道TCSPC單元，所述信號(hào)路由器用于將脈沖信號(hào)導(dǎo)入所述單通道TCSPC單元，該單通道TCSPC單元用于進(jìn)行多維時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)。
9.一種熒光一光學(xué)聯(lián)合斷層成像系統(tǒng)的測(cè)量方法，其特征在于該測(cè)量方法步驟如下SI配置系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)；S2獲取濾波輪上衰減片的性能參數(shù)；S3選定分層掃描測(cè)量方式；S4選擇測(cè)量閾值優(yōu)化策略，減少測(cè)量時(shí)間；S5進(jìn)入臨床測(cè)量。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的熒光一光學(xué)聯(lián)合斷層成像系統(tǒng)的測(cè)量方法，其特征在于所述步驟Si中系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)如下1)激光控制器輸出周期為50ns的雙波長(zhǎng)脈沖信號(hào)；2)選擇70ns作為TCSPC單元中時(shí)間一幅度轉(zhuǎn)化器TAC電路的時(shí)間范圍；3)設(shè)定TAC補(bǔ)償增益為1，TAC起始偏移為O.78%，選擇9. 02%為TAC的時(shí)間幅度下限閾值，來(lái)消除TPSF在開(kāi)始記錄時(shí)受到的突變?cè)肼暎?)常量分?jǐn)?shù)分辨器的下限閾值為-lOOmv，用來(lái)濾除測(cè)量中的背景噪聲；5)模擬一數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器ADC的位數(shù)為12，將70ns的時(shí)間范圍，轉(zhuǎn)換到4096個(gè)時(shí)間通道，每個(gè)通道的寬度約為17. Ips ；6)在系統(tǒng)各個(gè)有源部件的參數(shù)設(shè)定完成后，PMT的光子渡越時(shí)間約為180ps，半導(dǎo)體激光器的輸出脈沖半高寬在780nm和830nm下,分別為70ps和50ps,加上波分復(fù)用器、光開(kāi)關(guān)、光纖、濾波片等光學(xué)器件的展寬，系統(tǒng)整體的時(shí)間分辨能力約為250 320ps ；所述步驟S2獲取濾波輪上衰減片的性能參數(shù)通過(guò)一種能夠消除暗計(jì)數(shù)噪聲影響的相對(duì)測(cè)量法獲得，在滿足單光子計(jì)數(shù)的條件下，用濾波輪上第二個(gè)孔處通過(guò)的光流量r.i除以第一個(gè)孔處的光流量ΓΕΜΡΤΥ，得到標(biāo)記為ODl的衰減片的相對(duì)透過(guò)率為rm=1/rEMPTY，然后依次獲得Γ 0D=n/ Γ 0D=n_in=2, 3，4，進(jìn)而得到各個(gè)ND衰減片的絕對(duì)透過(guò)率；用830nm波長(zhǎng)作為ICG熒光的最大發(fā)射波長(zhǎng)，照射熒光濾波片組，得到Γ / Γ EMPTY，從而可知系統(tǒng)在FDOT測(cè)量時(shí)獲得熒光信號(hào)的能力；所述步驟S3選定分層掃描測(cè)量方式的具體方案為采用4層源一探測(cè)通道環(huán)形配置方式，在圓柱形成像腔上每一層有8個(gè)均勻分布的源一探測(cè)位置；每一層具體安裝的源一探測(cè)光纖，及其對(duì)應(yīng)的1X32光開(kāi)關(guān)和4-8X1光開(kāi)關(guān)通道如下第一層，源一探測(cè)光纖序號(hào)1，2, 9, 10, 17, 18, 25, 26 ;對(duì)應(yīng)1X32光開(kāi)關(guān)上相同序號(hào)的通道，4 - 8X I光開(kāi)關(guān)上并行的第1、2列通道；第二層，源一探測(cè)光纖序號(hào)3，4, 11, 12, 19, 20, 27, 28 ;對(duì)應(yīng)I X 32光開(kāi)關(guān)上相同序號(hào)的通道，4 - 8X I光開(kāi)關(guān)上并行的第3、4列通道；第三層，源一探測(cè)光纖序號(hào)5，6, 13, 14, 21, 22, 29, 30 ;對(duì)應(yīng)I X 32光開(kāi)關(guān)上相同序號(hào)的通道，4 - 8X I光開(kāi)關(guān)上并行的第5、6列通道；第四層，源一探測(cè)光纖序號(hào)7，8, 15, 16, 23, 24, 31, 32 ;對(duì)應(yīng)I X 32光開(kāi)關(guān)上相同序號(hào)的通道，4 - 8X I光開(kāi)關(guān)上并行的第7、8列通道；開(kāi)始逐層測(cè)量，每層測(cè)量的操作步驟如下1)將4- 8X I光開(kāi)關(guān)切換到這一層對(duì)應(yīng)的第一列通道；2)1X32光開(kāi)關(guān)依次切換8個(gè)通道，每次完成I次4通道并行測(cè)量；3)4 - 8X I光開(kāi)關(guān)切換到這一層對(duì)應(yīng)的第二列通道；4)1X32光開(kāi)關(guān)依次切換8個(gè)通道，每次完成I次4通道并行測(cè)量；然后，進(jìn)入下一層測(cè)量，重復(fù)每層測(cè)量的操作步驟完成4層的測(cè)量；所述步驟S4選擇測(cè)量閾值優(yōu)化策略，其具體操作如下1)對(duì)已知均勻光學(xué)參數(shù)目標(biāo)體預(yù)先測(cè)試，獲得一個(gè)在實(shí)際測(cè)量時(shí)令人滿意的光子計(jì)數(shù)下限閾值；2)測(cè)量時(shí)，在沒(méi)有到達(dá)設(shè)定的積分時(shí)間的情況下，當(dāng)四個(gè)并行通道的TPSF曲線的最大值都達(dá)到或超過(guò)設(shè)定下限閾值時(shí)，提前停止這四個(gè)通道上的測(cè)量，否則測(cè)量活動(dòng)將持續(xù)進(jìn)行直到滿足所設(shè)的積分時(shí)間；3)進(jìn)行到下一組四個(gè)通道的測(cè)量，重復(fù)步驟2)，直到整個(gè)測(cè)量結(jié)束；4)每組測(cè)量結(jié)束后，記錄下各個(gè)通道所用的真實(shí)測(cè)量時(shí)間，用來(lái)在后續(xù)過(guò)程中對(duì)TPSF曲線進(jìn)行時(shí)間歸一化處理；所述步驟S5進(jìn)行臨床測(cè)量的具體步驟如下1)預(yù)測(cè)量①成像腔內(nèi)充滿與人體正常乳腺組織光學(xué)參數(shù)相同的匹配液，形成光學(xué)背景均勻的液態(tài)目標(biāo)體；②使用編寫的控制軟件，進(jìn)行濾波輪衰減片的自動(dòng)選?、?2個(gè)源光纖依次激勵(lì)，通過(guò)讀取不同ND衰減片下，四個(gè)PMT上的光子計(jì)數(shù)率，選取合適的衰減片，在滿足單光子計(jì)數(shù)的前提下，保證探測(cè)器獲得盡可能高的光子計(jì)數(shù)率；④保存各個(gè)源一探測(cè)下的衰減片索引值；⑤對(duì)均勻仿體進(jìn)行三維時(shí)間相關(guān)單光子DOT測(cè)量，在各個(gè)源一探測(cè)位置，采用相應(yīng)的衰減片，獲得DOT重建中需要的均勻目標(biāo)體數(shù)據(jù)；2)人體DOT測(cè)量①被檢測(cè)者趴在檢測(cè)平臺(tái)上，乳腺懸垂于成像腔中，匹配液充滿腔體與乳腺組織之間的空隙；②使用編寫的軟件進(jìn)行控制，對(duì)乳腺進(jìn)行雙波長(zhǎng)三維測(cè)量，在各個(gè)源-探測(cè)位置，控制程序選取相應(yīng)的ND衰減片，可以獲得DOT重建中含有異質(zhì)目標(biāo)體的數(shù)據(jù)；3)人體FDOT測(cè)量①對(duì)被測(cè)者注射一定量的ICG溶液；②20分鐘后，采取與DOT測(cè)量時(shí)相同的姿勢(shì)；③調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光器在830nm上輸出功率為0，其他不變；④進(jìn)行FDOT的激發(fā)光測(cè)量，其測(cè)量過(guò)程與DOT測(cè)量相同，獲得FDOT重建中用到的激發(fā)光數(shù)據(jù)；⑤進(jìn)行FDOT的發(fā)射光測(cè)量，由于進(jìn)行對(duì)熒光信號(hào)的采集，通過(guò)預(yù)先調(diào)整，在各個(gè)源一探測(cè)位置處，濾波輪均設(shè)置為熒光濾波片組合，來(lái)濾除ICG激發(fā)光，可以獲得FDOT重建中的發(fā)射光數(shù)據(jù)。全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種熒光―光學(xué)聯(lián)合斷層成像系統(tǒng)及測(cè)量方法，包括光源模塊，其產(chǎn)生不同波長(zhǎng)的激發(fā)光并將這些激發(fā)光耦合成復(fù)合激發(fā)光；測(cè)量模塊，用于放置成像目標(biāo)體、接收復(fù)合激發(fā)光、對(duì)成像目標(biāo)體分層進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)全三維掃描、散射出光子信號(hào)并將該光子信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖電信號(hào)輸出；數(shù)據(jù)采集處理模塊，其接收脈沖電信號(hào)并進(jìn)行多維光子計(jì)數(shù)測(cè)量；計(jì)算機(jī)控制模塊，用于對(duì)上述各個(gè)模塊進(jìn)行控制并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析和顯示。本發(fā)明將熒光擴(kuò)散斷層成像(FDOT)與擴(kuò)散光學(xué)斷層成像(DOT)相融合，實(shí)現(xiàn)在FDOT中熒光產(chǎn)率和熒光壽命同時(shí)重建，提取出患病區(qū)域的目標(biāo)，為下一步DOT中吸收系數(shù)和散射系數(shù)重建提供精確位置信息。
文檔編號(hào)A61B5/00GK102920434SQ20121040866
公開(kāi)日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月23日
發(fā)明者高峰, 張偉, 武林會(huì), 李嬌, 周仲興, 張麗敏, 趙會(huì)娟 申請(qǐng)人:天津大學(xué)