專利名稱：熒光―光學聯合斷層成像系統及測量方法
技術領域：
本發明涉及一種成像系統，特別是一種熒光一光學聯合斷層成像系統。
背景技術：
乳腺癌是最常見的女性惡性癌癥，據資料統計，發病率占全身各種惡性癌癥的7% 10%。擴散光學斷層成像方法(Diffuse Optical Tomography, DOT),基于 600 IOOOnm的近紅外光可穿透較厚組織的特性，能夠無創、定量地提供組織體內部的光學吸收系數分布，從而能夠有效地利用血流動力學信息，重建出組織體內部與病理過程密切相關的含氧血紅蛋白、脫氧血紅蛋白的分布情況。結合反映組織體分形形態變化的光學散射系數 ，DOT能夠起到甄別良、惡性腫瘤，監測癌變組織對治療反應的作用。DOT方法與傳統的乳腺解剖和功能成像診斷方法相比，系統結構簡單、成本低，無電離輻射危害，對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倍的內源性光學對比，而且測量數據量遠遠小于待重建的參數數據量，因此DOT重建是一個嚴重的欠定性病態問題，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用。針對以上的缺陷，研究者采用了多種方法來進行彌補
(I)進行多波長測量，增加測量數據量，提高重建的分辨率和量化度；(2)與其他成像模式(CT，MRI，US)相結合，獲得可靠的“先驗”信息，來約束DOT的重建范圍，從而降低重建問題的病態性。上述策略均取得了一定程度上的效果，但是其缺點是首先，往往導致成像系統復雜冗余，成本增加；其次，解剖成像方法在腫瘤組織的早期診斷中，不能夠為DOT重建提供有效的“先驗”信息，達不到減小問題病態性的目標。突光擴散斷層成像(FluorescenceDiffuse Optical Tomography, FD0T),是 DOT技術的直接延伸和發展，它繼承了 DOT在成像深度和三維測量上的優勢，同時又可以發揮熒光劑對癌變區域的高靈敏和特異性優勢，因此，在腫瘤診斷和分子成像領域有著極高的價值。將FDOT應用于乳腺癌癥診斷時,采用非祀向性的突光劑一η引哚菁綠(IndocyanineGreen, ICG)進行造影。在癌癥病變的早期，由于腫瘤新生“血管化”現象，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生“堆積”，在正常組織隨血液循環快速清除，進而人為地提高了病變區域與正常組織之間的熒光對比度(為內源性DOT對比度的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域。而且熒光成像中的壽命參數還可以反映組織中的ρ02、ρΗ等微環境信息。因此，將FDOT技術引入乳腺腫瘤早期診斷領域，可以準確定位病變部位，為DOT重建提供可靠的“先驗”位置信息，大大減少了 DOT重建問題中需要重建的參數數據量，從而降低了問題的量級和病態特性，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據采集方式上相似，可以實現光源和探測設備的共同使用，因此，在技術上可以將DOT和FDOT進行整合，開發出一套FDOT — DOT聯合斷層成像檢測系統，將高對比度的FDOT與反映功能信息的內源性DOT相融合，最終達成在FDOT中熒光產率和熒光壽命同時重建，并提取出患病區域的目標，進而為下一步DOT中吸收系數和散射系數的重建提供精確的位置信息。這套系統的實現，不僅可以有效改善DOT重建問題的病態特性，而且可以更準確地提供關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。但是針對現有的癌癥，特別是在乳腺癌檢測過程中，現有技術并沒有采用FDOT-DOT聯合成像測量的方法。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種將高對比度的FDOT與反映功能信息的內源性DOT相融合，最終達成在FDOT中熒光產率和熒光壽命同時重建，并提取出患病區域的目標，進而為下一步DOT中吸收系數和散射系數的重建提供精確位置信息的熒光一光學聯合斷層成像系統及測量方法。為了解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是一種熒光一光學聯合斷層成像系統，包括光源模塊、測量模塊、數據采集處理模塊和計算機控制模塊；·所述光源模塊，用于產生不同波長的激發光，并將所述不同波長的激發光耦合成復合激發光，以串列工作方式進行輸出；所述測量模塊，用于放置成像目標體、接收所述復合激發光、對所述成像目標體分層進行測量實現全三維掃描、散射出光子信號并將該光子信號轉換為脈沖電信號輸出；所述數據采集處理模塊，用于接收所述脈沖電信號，進行多維光子計數測量；所述計算機控制模塊，用于對所述光源模塊、測量模塊、數據采集處理模塊進行控制，以及數據的采集、分析和顯示。所述光源模塊包括高重復頻率的皮秒脈沖半導體激光器，用于產生波長為780nm和830nm的近紅外激發光；波分復用器，將所述不同波長的激發光，耦合到一根激發源光纖上，以串列工作方式輸出以25ns為間隔的激發光子脈沖。所述測量模塊包括多根同軸源/探測光纖，用于傳輸光子信號；輸入光開關，用于轉換輸入的光子信號；輸出光開關，用于轉換輸出的光子信號；成像檢測平臺，該成像檢測平臺上設置有經過黑化處理的成像腔，該成像腔內放置有成像目標體，所述成像腔經過管路與一個匹配溶液進入/排出單元連通，所述成像腔的表面采用多層源一探測通道環形配置方式，每層均勻分布有若干個檢測位，每個所述檢測位上連接有一所述同軸源/探測光纖中源光纖的輸出端與探測光纖的輸入端，所述源光纖的輸入端與所述輸入光開關連接，所述探測光纖的輸出端與所述輸出光開關連接；經所述輸出光開關輸出的光，通過準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，用來調節信號強度，濾除熒光激發光；經濾波輪輸出的光通過光電倍增管(PhotomultiplierTube，PMT)將光子信號轉換為脈沖電信號。所述成像腔呈圓柱狀，嵌入在所述成像檢測平臺上層表面中上部，所述成像腔的底部中央接有一水嘴，通過塑膠管連通所述匹配溶液進入/排出單元。所述成像腔的表面被分成4層，采用4層源一探測通道環形配置方式，每層均勻分布有8個檢測位，對應所述同軸源/探測光纖為32根，所述輸入光開關為一個1X32機械光開關，所述輸出光開關為4-8X1機械光開關,所述準直器、濾波輪和光電倍增管分別為4個，所述每層8個檢測位上連接的同軸源/探測光纖中探測光纖的8個輸出端對應連接在所述4-8X1機械光開關上，每組所述8 X I機械光開關對應I個準直器、I個濾波輪和I個光電倍增管；所述32根所述同軸源/探測光纖中源光纖的輸入端分別連接在所述I X 32機械光開關上。所述濾波輪為六孔濾波輪，第一個位置為空，不進行任何衰減和濾波，其后四個位置依次安裝光學密度(Optical Density, 0D)從I到4的非反射型中性密度(NeutralDensity, ND)衰減片；最后一個孔，安裝由ICG熒光發射峰專用帶通(Band-pass，BP)濾波片和干涉型長通(Long-pass, LP)濾波片組成的濾波片組合。所述匹配溶液進入/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。所述數據采集處理模塊包括I個信號路由器和I個單通道TCSPC (時間相關單光子計數，Time-Correlated Single Photon Counting, TCSPC)單兀，所述信號路由器用于將脈沖信號導入所述單通道TCSPC單元，該單通道TCSPC單元用于進行多維時間相關單光子計數。一種熒光一光學聯合斷層成像系統的測量方法，該測量方法步驟如下SI配置系統各項參數；S2獲取濾波輪上衰減片的性能參數；S3選定分層掃描測量方式；S4選擇測量閾值優化策略,減少測量時間；S5進入臨床測量。各步驟具體內容如下·SI配置系統各項參數I)激光控制器輸出周期為50ns的雙波長脈沖信號；2)選擇70ns作為TCSPC單兀中TAC電路(時間一幅度轉化器,Time-to-amplitudeConverter, TAC)的時間范圍；3)設定TAC補償增益為1，TAC起始偏移為0. 78%，選擇9. 02%為TAC的時間幅度下限閾值，來消除TPSF(時間點擴展函數曲線,Temporal Point Spread Function, TPSF)在開始記錄時受到的突變噪聲；4)常量分數分辨器的下限閾值為-lOOmv，用來濾除測量中的背景噪聲；5)模擬一數字信號轉換器(Analog-to-digital Converter,ADC)的位數為 12,將70ns的時間范圍，轉換到4096個時間通道，每個通道的寬度約為17. Ips ；6)在系統各個有源部件的參數設定完成后，PMT的光子渡越時間約為180ps，半導體激光器的輸出脈沖半高寬在780nm和830nm下,分別為70ps和50ps,加上波分復用器、光開關、光纖、濾波片等光學器件的展寬，系統整體的時間分辨能力約為250 320ps ；S2獲取濾波輪上衰減片的性能參數ND衰減片的性能，通過一種能夠消除暗計數噪聲影響的相對測量法獲得；在滿足單光子計數的條件下，用濾波輪上第二個孔處通過的光流量Γ_除以第一個孔處的光流量rEMPTY，得到標記為ODl的衰減片的相對透過率為r 0D=1/ r EMPTY,然后依次獲得r QD = η/ Γ CDt1 (n=2, 3，4)，進而得到各個ND衰減片的絕對透過率；用830nm波長作為ICG熒光的最大發射波長，照射熒光濾波片組，得到Γ Γ EMPTY，從而可知系統在FDOT測量時獲得熒光信號的能力；
S3選定分層掃描測量方式本系統采用4層源一探測通道環形配置方式，在圓柱形成像腔上每一層有8個均勻分布的源一探測位置；每一層具體安裝的源一探測光纖，及其對應的I X 32光開關和4-8X1光開關通道如下第一層，源一探測光纖序號1，2, 9, 10, 17, 18, 25, 26 ;對應1X32光開關上相同序號的通道，4 - 8X I光開關上并行的第1、2列通道；第二層，源一探測光纖序號3，4，11，12，19，20，27，28 ;對應I X 32光開關上相同序號的通道，4 - 8X I光開關上并行的第3、4列通道；第三層，源一探測光纖序號5，6，13，14，21，22，29，30 ;對應I X 32光開關上相同序號的通道，4 - 8X I光開關上并行的第5、6列通道；第四層，源一探測光纖序號7，8, 15, 16, 23, 24, 31, 32 ;對應I X 32光開關上相同序
號的通道，4 - 8X I光開關上并行的第7、8列通道；開始逐層測量，每層測量的操作步驟如下I)將4 - 8X I光開關切換到這一層對應的第一列通道；2)1X32光開關依次切換8個通道，每次完成I次4通道并行測量；3) 4-8X1光開關切換到這一層對應的第二列通道；4)1X32光開關依次切換8個通道，每次完成I次4通道并行測量；然后，進入下一層測量，重復每層測量的操作步驟完成4層的測量；S4選擇測量閾值優化策略，其步驟如下I)對已知均勻光學參數目標體預先測試，獲得一個在實際測量時令人滿意的光子計數下限閾值；2)測量時，在沒有到達設定的積分時間的情況下，當四個并行通道的TPSF曲線的最大值都達到或超過設定下限閾值時，提前停止這四個通道上的測量，否則測量活動將持續進行直到滿足所設的積分時間；3)進行到下一組四個通道的測量，重復步驟2)，直到整個測量結束；4)每組測量結束后，記錄下各個通道所用的真實測量時間，用來在后續過程中對TPSF曲線進行時間歸一化處理；S5進行臨床測量；I)預測量①成像腔內充滿與人體正常乳腺組織光學參數相同的匹配液，形成光學背景均勻的液態目標體；②使用編寫的控制軟件，進行濾波輪衰減片的自動選取③32個源光纖依次激勵，通過讀取不同ND衰減片下，四個PMT上的光子計數率，選取合適的衰減片，在滿足單光子計數的前提下，保證探測器獲得盡可能高的光子計數率；④保存各個源一探測下的衰減片索引值；⑤對均勻仿體進行三維時間相關單光子DOT測量，在各個源一探測位置，采用相應的衰減片，獲得DOT重建中需要的均勻目標體數據；2)人體DOT測量①被檢測者趴在檢測平臺上，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使用編寫的軟件進行控制，對乳腺進行雙波長三維測量，在各個源一探測位置，控制程序選取相應的ND衰減片，可以獲得DOT重建中含有異質目標體的數據；3)人體FDOT測量①對被測者注射一定量的ICG溶液；②20分鐘后，采取與DOT測量時相同的姿勢；③調節半導體激光器在830nm上輸出功率為0，其他不變；④進行FDOT的激發光測量，其測量過程與DOT測量相同，獲得FDOT重建中用到的激發光數據；⑤進行FDOT的發射光測量，由于進行對熒光信號的采集，通過預先調整，在各個源一探測位置處，濾波輪均設置為熒光濾波片組合，來濾除ICG激發光，可以獲得FDOT重建中的發射光數據。本發明的有益技術效果如下I).本發明采用高重復頻率的皮秒脈沖半導體激光器為激勵源，基于時間相關的單光子計數技術，采用高增益的PMT進行探測。具有工作穩定，靈敏度高的特點，時間域測量的方式，相比傳統的穩態和頻域測量方式，能夠獲得更多的目標體內部信息。·
2).本系統中DOT采用雙波長串行方式輸出激發光，測量深度可達15cm，可以實現三維乳腺組織的在體、實時、快速測量，根據雙波長測量得到的數據，可以獲得乳腺組織的生理和病理等結構和功能信息。3).數據處理中，TPSF曲線除以衰減片(DOT)或者濾波片(FDOT)的透過率進行了強度歸一化，在積分時間上也進行歸一化。DOT采用比例數據類型，FDOT采用Born近似的歸一化數據類型，均有效減少了多通道系統中不同探測通道間的性能差異，可以不再進行系統的各個通道的精確標定，降低了測量誤差對重建的影響。4).從高對比度的FDOT熒光產率重建結果中，提取出感興趣區域，可以準確定位病變位置，為DOT重建提供“先驗”信息，約束了重建問題的規模，降低了重建問題的病態性，從而有效提高了 DOT重建的空間分辨率和量化精度。5).本系統編程實現了對系統中光開關通道切換，濾波輪位置調整，TCSPC模塊數據的采集的控制，提高了系統整體的可控性，加速了整個測量工作，實現了乳腺組織的三維實時、快速測量。本發明的創新在于I)本發明采用高頻脈沖半導體激光器，實現了多波長激發光下的同時測量，降低了傳統多波長測量時，不同波長單獨測量帶來的額外工作時間。2)在探測部分，只配置4個PMT，通過4 - 8 X I光開關的通道切換，實現探測位置的變化。采用路由器與I個TCSPC單元相結合的方式，由路由器輸出探測通道編碼和CFD輸入信號，在TCSPC的內存區域上對不同探測通道的TPSF曲線分別進行累加計數。以上設計大大簡化了系統組成，降低了系統成本。3)在測量方式上，傳統掃描方式，在32源X 32探測器的情況下，進行全三維掃描，共進行32X8次測量，獲得1024組數據。本系統按照特定的規律，進行了 4層源一探測環形配置。源光纖激勵，只有同層的探測光纖進行測量，最終進行4X8X2次測量，獲得256組數據。由此可見，逐層測量的方式所需要的時間，只是傳統方式時間的四分之一，大大降低了診斷時間。在此測量方式下，DOT和FDOT三維重建，均采用同層數據作為重建目標數據進行重建。4)閾值優化策略，在保證每條TPSF曲線較高信噪比的前提下，設定計數閾值，在4個PMT上TPSF最高值均達到閾值時，提前結束并行測量，有效減少了測量時間。5) FDOT與DOT相結合，在乳腺癌癥早期診斷中具有重要的互補作用。DOT重建能夠提供FDOT重建用到的背景光學參數，有利于提高FDOT的成像分辨率和量化度；另一方面，FDOT針對與癌癥組織有特異性的ICG進行成像，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比度，相比于內源性D0T1. 5^2. 5倍的對比度，熒光對比度為其的2 4倍，能夠準確地捕捉到腫瘤組織。通過對FDOT熒光產率重建圖像進行分割，可以很準確地劃定病變區域，生成DOT重建的“先驗”信息。利用FDOT提供的“先驗”位置信息，可以導引DOT的重建過程，縮小需要重建的區域范圍，降低重建問題的病態性，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系數相同的匹配液，從匹配瓶中吸入成像腔，完成測量后，經由另一組真空泵和電磁閥，將廢液排入廢液收集瓶中。在測量時，匹配液填充了乳腺組織和腔體之間的空隙，實現了背景和目標體的同時測量。


圖I為本發明提供的熒光一光學聯合斷層成像系統的結構示意圖；圖2為本發明提供的熒光一光學聯合斷層成像系統的成像檢測平臺結構示意圖；圖3為本發明提供的熒光一光學聯合斷層成像系統的成像腔結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細說明從圖I至圖3所示的本發明實施方式可知本發明熒光一光學聯合斷層成像系統，包括光源模塊、測量模塊、數據采集處理模塊、計算機控制模塊；所述光源模塊包括高重復頻率的皮秒脈沖半導體激光器，該激光器采用控制單元控制雙通道半導體激光驅動器，輸出波長為780nm和830nm的近紅外激發光。如圖I所示，首先，皮秒脈沖半導體激光器向TCSPC單元的同步信號輸入端發送40MHz的同步信號(Synchronization Signal, SYNC),作為時間相關單光子計數方式的參考信號。其次，激光器的多路驅動器用來控制780nm和830nm兩個半導體激光頭在DOT測量時，兩個波長下的光子脈沖平均分配了 50ns的信號周期，相互之間以25ns間隔的串列模式對外輸出激發光。每個波長下激發光的輸出功率約為5mW，脈沖寬度小于70ps ;在FDOT測量時，830nm的激光頭向往輸出功率為0，但其脈沖信號仍然占據25ns的信號周期。波分復用器，將所述不同波長的激發光，耦合到一根激發源光纖上，形成復合激發光。780nm的激發光經過波分復用器的反射(插入損耗小于I. OdB)，830nm的激發光經過波分復用器的透射(插入損耗小于O. 9dB)，在波分復用器的輸出端，形成復合激發光，耦合到一根光纖連接到1X32光開關。所述測量模塊包括32根同軸源/探測光纖，用于傳輸光子信號。源光纖，芯徑為62. 5 μ m,數值孔徑(Numerical Aperture, NA)為O. 22,與探測光纖同軸，形成一根光纖,源光纖輸出端和探測光纖輸入端并列，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表面平齊。為了盡可能地收集出射的光子信號，探測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4-8X1機械光開關。輸入光開關,用于轉換輸入的光子信號,為1X32機械光開關,將波分復用器輸出的光耦合到輸入端，通過計算機的串行接口控制光開關中不同通道的切換，將激勵光連通到32根同軸源/探測光纖的源光纖輸入端上。輸出光開關，用于轉換輸出的光子信號，為4 - 8Χ I機械光開關,其內部為4組8X1光開關，可以實現4路信號的同時切換。成像檢測平臺，如圖2所示，該成像檢測平臺整體如一張單人床，其上層表面中上部位置嵌入有經過黑化處理的圓柱狀成像腔，腔體內經過黑化處理，消除了內壁反射光對測量的影響。該成像腔內放置有成像目標體一被檢測者的乳房，被檢測者趴在成像檢測平臺上將乳房置于成像腔內，腔體尺寸如圖3所示，能夠完全包圍住目標體，使乳房在內部呈現自然懸垂狀態，相較以往的平板壓縮掃描測量方式，用圓柱形成像腔體進行測量，可以避免乳房變形造成的內部血流動力學異常，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，通過塑膠管連通所述匹配溶液進入/排出單元，如圖2所示，測量開始前，通過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系數相同的匹配液，從匹配瓶中吸入成像腔，完成測量后，經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。在測量時，匹配液填充了乳腺組織和腔體之間的空隙，實現了背景和目標體的同時測量。所述成像腔表面被分成4層，采用4層源一探測通道環形配置方式，每層均勻分布有8個檢測位，對應32根同軸源/探測光纖，該32根同軸源/探測光纖被分為4組，每組源光纖的輸出端和探測光纖的輸入端通過光纖接頭連接在所述檢測位上，每組探測光纖的輸出端對應連接在4-8X1機械光開關上。4個準直器、4個濾波輪和4個光電倍增管，每組8 X I機械光開關對應I個準直器、I個濾波輪和I個光電倍增管，經4-8 X I機械光開關輸出的光，通過準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在DOT測量和FDOT激發光測量時，調節光子信號強度，使到達PMT陰極表面的光子速率小于SYNC計數率的1/20，即滿足單光子計數條件，保證PMT探測器工作在適宜的線性區域；配置濾光片組合的作用用來在FDOT測量時，濾除激發波長下的光子信號。本系統采用六孔濾波輪，第一個位置為空，不進行任何衰減和濾波，其后四個位置依次安裝ODl到0D4的非反射型ND衰減片；最后一個孔，安裝由ICG熒光發射峰專用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范圍內具有93%的透過率，阻帶衰減高于0D6，LP濾波片在820nm以上范圍具有85%以上的透過率，阻帶衰減高于0D4。經濾波輪輸出的光被傳輸到高增益的PMT，PMT工作在單光子計數條件下，用來進行微弱光子檢測，透過濾波輪的光垂直入射到PMT陰極表面，PMT將探測到的光信號轉換為脈沖電信號進行輸出。所述數據采集處理模塊包括I個信號路由器和I個TCSPC單元，所述信號路由器用于將經PMT輸出的脈沖信號導入所述TCSPC單元，傳統的光子計數模塊，是每一個PMT后連接一個獨立的TCSPC單元。本系統采用信號路由器，是因為并行探測的4個PMT，其能夠同時探測到光子信號的可能性極低，因此，可以使用路由器分時采集不同PMT的輸出信號，然后對通道信息進行編碼，將編碼信號和脈沖電信號一同發送給TCSPC單元。TCSPC單元，通過對大量光子信號進行統計測量，可以建立物體表面出射光子隨時間變化的TPSF。通過接收路由器的編碼信號，可以知道哪個PMT探測通道輸出了相應的光子脈沖信號。光子脈沖信號進入TCSPC的常量分數分量分辨器(Constant FractionDiscriminator, CFD)，進行脈沖鑒別。CFD輸出信號與作為時間點參考的SYNC進入TAC，SYNC與CFD信號之間的時間延遲，按照比例關系轉換為一定強度的輸出信號。TAC輸出信號進入ADC，ADC將其轉化為數字信號作為內存地址索引。最終TCSPC單元根據路由器編碼信息，選擇輸出光子脈沖信號的PMT的TPSF曲線，并在TPSF曲線上地址標記的時間通道進 行累加計數。所述計算機控制模塊，通過USB接口分別控制皮秒脈沖半導體激光器和濾波輪；通過串行通訊接口(RS232接口 )控制1X32光開關和4-8X1光開關的通道切換；通過PCI接口控制TCSPC數據采集卡。實現了預測量時，濾波輪上衰減片的自動選取功能，實現了四通道PMT并行測量和TPSF曲線數據的實時采集、分析和顯示功能。本發明熒光一光學聯合斷層成像系統的測量方法如下SI配置系統各項參數I)激光控制器輸出周期為50ns的雙波長脈沖信號；2)選擇70ns作為TCSPC單元中時間一幅度轉化器TAC電路的時間范圍；3)設定TAC補償增益為1，TAC起始偏移為O. 78%，選擇9. 02%為TAC的時間幅度下限閾值，來消除TPSF在開始記錄時受到的突變噪聲；4)常量分數分辨器的下限閾值為-lOOmv，用來濾除測量中的背景噪聲；5)模擬一數字信號轉換器的位數為12，將70ns的時間范圍，轉換到4096個時間通道，每個通道的寬度約為17. Ips ；6)在系統各個有源部件的參數設定完成后，PMT的光子渡越時間約為180ps，半導體激光器的輸出脈沖半高寬在780nm和830nm下,分別為70ps和50ps,加上波分復用器、光開關、光纖、濾波片等光學器件的展寬，系統整體的時間分辨能力約為250 320ps ；S2獲取濾波輪上衰減片的性能參數根據系統設定的積分時間、時間通道參數和可能的最高光子出射強度等在測量前加以調整，以獲得最佳的SNR。因此，在正式測量前，需要知道每組探測位置上的ND衰減片和熒光濾波片組的真實性能。ND衰減片的性能，通過一種能夠消除暗計數噪聲影響的相對測量法獲得。例如，在滿足單光子計數的條件下，用濾波輪上第二個孔處通過的光流量Γ_除以第一個孔處的光流量ΓΕΜΡΤΥ，得到標記為ODl的衰減片的相對透過率為Γ_/Γ ΕΜΡΤΥ，然后依次獲得O11^1 (η=2, 3，4)，進而得到各個ND衰減片的絕對透過率。用830nm波長作為ICG熒光的最大發射波長，照射熒光濾波片組，得到Γ Γ EMPTY，從而可知系統在FDOT測量時，獲得熒光信號的能力。
S3選定分層掃描測量方式本系統采用4層源一探測通道環形配置方式，在圓柱形成像腔上每一層有8個均勻分布的源一探測位置；每一層具體安裝的源一探測光纖，及其對應的I X 32光開關和4-8X1光開關通道如下第一層，源一探測光纖序號I, 2, 9, 10, 17, 18, 25, 26 ;對應1X32光開關上相同序號的通道，4 - 8X I光開關上并行的第1、2列通道；第二層，源一探測光纖序號3，4，11，12，19，20，27，28 ;對應I X 32光開關上相同序號的通道，4 - 8X I光開關上并行的第3、4列通道；第三層，源一探測光纖序號5，6，13，14，21，22，29，30 ;對應I X 32光開關上相同序號的通道，4 - 8X I光開關上并行的第5、6列通道；第四層，源一探測光纖序號7, 8, 15, 16, 23, 24, 31, 32 ;對應I X 32光開關上相同序號的通道，4 - 8X I光開關上并行的第7、8列通道；開始逐層測量，每層測量的操作步驟如下I)將4 - 8X I光開關切換到這一層對應的第一列通道；2)1X32光開關依次切換8個通道，每次完成I次4通道并行測量；3) 4 - 8X I光開關切換到這一層對應的第二列通道；4)1X32光開關依次切換8個通道，每次完成I次4通道并行測量；然后，進入下一層測量，重復每層測量的操作步驟完成4層的測量。不同于以往的全三維測量方式，本系統不論在擴散光學斷層成像，還是熒光擴散斷層成像測量時，源光纖激勵，只有同一層的探測光纖進行探測。因此每一層測量，首先，4-8X1光開關切換到這一層對應的第一列通道，I X 32光開關依次切換8個通道，每次完成I次4通道并行測量，然后4 - 8 X I光開關切換到這一層對應的第二列通道，I X 32光開關依次切換8個通道，每次完成I次4通道并行測量，如此，就完成單獨一層的測量工作。其他探測層面上的工作流程，與其一致。所以，本系統在進行三維目標體的測量工作時，可以獲得4X (4X8X2) =256組數據量。S4選擇測量閾值優化策略，其步驟如下時序多通道探測技術的缺點主要是系統整體的測量時間過長，因此在本系統的測量過程中，在保證較高SNR的前提下，為了提高測量速度，采用了測量閾值優化策略，其步驟如下I)對已知均勻光學參數目標體預先測試，獲得一個在實際測量時令人滿意的光子計數下限閾值；2)測量時，在沒有到達設定的積分時間的情況下，當四個并行通道的TPSF曲線的最大值都達到或超過設定下限閾值時，提前停止這四個通道上的測量，否則測量活動將持續進行直到滿足所設的積分時間；3)進行到下一組四個通道的測量，重復步驟2)，直到整個測量結束；4)每組測量結束后，記錄下各個通道所用的真實測量時間，用來在后續過程中對TPSF曲線進行時間歸一化處理；由于采用了多層源一探測環形配置方式，光纖的位置呈現對稱式分布，所以采用閾值下限的策略能夠有效地縮短整體測量時間。
S5進行臨床測量；I)預測量①成像腔內充滿與人體正常乳腺組織光學參數相同的匹配液，形成光學背景均勻的液態目標體；②使用編寫的控制軟件，進行濾波輪衰減片的自動選取③32個源光纖依次激勵，通過讀取不同ND衰減片下，四個PMT上的光子計數率，選取合適的衰減片，在滿足單光子計數的前提下，保證探測器獲得盡可能高的光子計數率；④保存各個源一探測下的衰減片索引值；⑤對均勻仿體進行三維時間相關單光子DOT測量，在各個源一探測位置，采用相 應的衰減片，獲得DOT重建中需要的均勻目標體數據；2)人體DOT測量①被檢測者趴在檢測平臺上，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使用編寫的軟件進行控制，對乳腺進行雙波長三維測量，在各個源一探測位置，控制程序選取相應的ND衰減片，可以獲得DOT重建中含有異質目標體的數據；3)人體FDOT測量①對被測者注射一定量的ICG溶液；②20分鐘后，采取與DOT測量時相同的姿勢；③調節半導體激光器在830nm上輸出功率為0，其他不變；④進行FDOT的激發光測量，其測量過程與DOT測量相同，獲得FDOT重建中用到的激發光數據；⑤進行FDOT的發射光測量，由于進行對熒光信號的采集，通過預先調整，在各個源一探測位置處，濾波輪均設置為熒光濾波片組合，來濾除ICG激發光，可以獲得FDOT重建中的發射光數據。綜上所述，本發明的內容并不局限在上述實施例中，本領域的技術人員可以根據本發明的指導思想輕易提出其它實施方式，這些實施方式都包括在本發明的范圍之內。
權利要求
1.一種熒光一光學聯合斷層成像系統，包括光源模塊、測量模塊、數據采集處理模塊和計算機控制模塊；其特征在于所述光源模塊，用于產生不同波長的激發光，并將所述不同波長的激發光耦合成復合激發光，以串列工作方式進行輸出；所述測量模塊，用于放置成像目標體、接收所述復合激發光、對所述成像目標體分層進行測量實現全三維掃描、散射出光子信號并將該光子信號轉換為脈沖電信號輸出；所述數據采集處理模塊，用于接收所述脈沖電信號，進行多維光子計數測量；所述計算機控制模塊，用于對所述光源模塊、測量模塊、數據采集處理模塊進行控制，以及數據的采集、分析和顯示。
2.根據權利要求I所述的熒光一光學聯合斷層成像系統，其特征在于所述光源模塊包括高重復頻率的皮秒脈沖半導體激光器，用于產生波長為780nm和830nm的近紅外激發光；波分復用器，將所述不同波長的激發光，I禹合到一根激發源光纖上，以串列工作方式輸出以25ns為間隔的激發光子脈沖。
3.根據權利要求I所述的熒光一光學聯合斷層成像系統，其特征在于所述測量模塊包括用于傳輸光子信號的多根同軸源/探測光纖；用于轉換輸入的光子信號的輸入光開關；用于轉換輸出的光子信號的輸出光開關；成像檢測平臺，該成像檢測平臺上設置有經過黑化處理的成像腔，該成像腔內放置有成像目標體，所述成像腔經過管路與一個匹配溶液進入/排出單元連通，所述成像腔的表面采用多層源一探測通道環形配置方式，每層均勻分布有若干個檢測位，每個所述檢測位上連接有一所述同軸源/探測光纖中源光纖的輸出端與探測光纖的輸入端，所述源光纖的輸入端與所述輸入光開關連接，所述探測光纖的輸出端與所述輸出光開關連接，經所述輸出光開關輸出的光，通過準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，用來調節信號強度，濾除熒光激發光，經濾波輪輸出的光通過光電倍增管將光子信號轉換為脈沖電信號。
4.根據權利要求3所述的熒光一光學聯合斷層成像系統，其特征在于所述成像腔呈圓柱狀，嵌入在所述成像檢測平臺上層表面中上部，所述成像腔的底部中央接有一水嘴，通過塑膠管連通所述匹配溶液進入/排出單元。
5.根據權利要求3所述的熒光一光學聯合斷層成像系統，其特征在于所述成像腔的表面被分成4層，采用4層源一探測通道環形配置方式，每層均勻分布有8個檢測位，對應所述同軸源/探測光纖為32根,所述輸入光開關為一個1X32機械光開關,所述輸出光開關為4 - 8X I機械光開關，所述準直器、濾波輪和光電倍增管分別為4個，所述每層8個檢測位上連接的同軸源/探測光纖中探測光纖的8個輸出端對應連接在所述4-8X1機械光開關上，每組所述8X1機械光開關對應I個準直器、I個濾波輪和I個光電倍增管；所述32根所述同軸源/探測光纖中源光纖的輸入端分別連接在所述1X32機械光開關上。
6.根據權利要求5所述的熒光一光學聯合斷層成像系統，其特征在于所述濾波輪為六孔濾波輪，第一個位置為空，不進行任何衰減和濾波，其后四個位置依次安裝光學密度從I到4的非反射型中性密度衰減片；最后一個孔，安裝由ICG熒光發射峰專用帶通濾波片和干涉型長通濾波片組成的濾波片組合。
7.根據權利要求3或4所述的熒光一光學聯合斷層成像系統，其特征在于所述匹配溶液進入/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.根據權利要求I所述的熒光-光學聯合斷層成像系統，其特征在于所述數據采集處理模塊包括I個信號路由器和I個單通道TCSPC單元，所述信號路由器用于將脈沖信號導入所述單通道TCSPC單元，該單通道TCSPC單元用于進行多維時間相關單光子計數。
9.一種熒光一光學聯合斷層成像系統的測量方法，其特征在于該測量方法步驟如下SI配置系統各項參數；S2獲取濾波輪上衰減片的性能參數；S3選定分層掃描測量方式；S4選擇測量閾值優化策略，減少測量時間；S5進入臨床測量。
10.根據權利要求9所述的熒光一光學聯合斷層成像系統的測量方法，其特征在于所述步驟Si中系統各項參數如下1)激光控制器輸出周期為50ns的雙波長脈沖信號；2)選擇70ns作為TCSPC單元中時間一幅度轉化器TAC電路的時間范圍；3)設定TAC補償增益為1，TAC起始偏移為O.78%，選擇9. 02%為TAC的時間幅度下限閾值，來消除TPSF在開始記錄時受到的突變噪聲；4)常量分數分辨器的下限閾值為-lOOmv，用來濾除測量中的背景噪聲；5)模擬一數字信號轉換器ADC的位數為12，將70ns的時間范圍，轉換到4096個時間通道，每個通道的寬度約為17. Ips ；6)在系統各個有源部件的參數設定完成后，PMT的光子渡越時間約為180ps，半導體激光器的輸出脈沖半高寬在780nm和830nm下,分別為70ps和50ps,加上波分復用器、光開關、光纖、濾波片等光學器件的展寬，系統整體的時間分辨能力約為250 320ps ；所述步驟S2獲取濾波輪上衰減片的性能參數通過一種能夠消除暗計數噪聲影響的相對測量法獲得，在滿足單光子計數的條件下，用濾波輪上第二個孔處通過的光流量r.i除以第一個孔處的光流量ΓΕΜΡΤΥ，得到標記為ODl的衰減片的相對透過率為rm=1/rEMPTY，然后依次獲得Γ 0D=n/ Γ 0D=n_in=2, 3，4，進而得到各個ND衰減片的絕對透過率；用830nm波長作為ICG熒光的最大發射波長，照射熒光濾波片組，得到Γ / Γ EMPTY，從而可知系統在FDOT測量時獲得熒光信號的能力；所述步驟S3選定分層掃描測量方式的具體方案為采用4層源一探測通道環形配置方式，在圓柱形成像腔上每一層有8個均勻分布的源一探測位置；每一層具體安裝的源一探測光纖，及其對應的1X32光開關和4-8X1光開關通道如下第一層，源一探測光纖序號1，2, 9, 10, 17, 18, 25, 26 ;對應1X32光開關上相同序號的通道，4 - 8X I光開關上并行的第1、2列通道；第二層，源一探測光纖序號3，4, 11, 12, 19, 20, 27, 28 ;對應I X 32光開關上相同序號的通道，4 - 8X I光開關上并行的第3、4列通道；第三層，源一探測光纖序號5，6, 13, 14, 21, 22, 29, 30 ;對應I X 32光開關上相同序號的通道，4 - 8X I光開關上并行的第5、6列通道；第四層，源一探測光纖序號7，8, 15, 16, 23, 24, 31, 32 ;對應I X 32光開關上相同序號的通道，4 - 8X I光開關上并行的第7、8列通道；開始逐層測量，每層測量的操作步驟如下1)將4- 8X I光開關切換到這一層對應的第一列通道；2)1X32光開關依次切換8個通道，每次完成I次4通道并行測量；3)4 - 8X I光開關切換到這一層對應的第二列通道；4)1X32光開關依次切換8個通道，每次完成I次4通道并行測量；然后，進入下一層測量，重復每層測量的操作步驟完成4層的測量；所述步驟S4選擇測量閾值優化策略，其具體操作如下1)對已知均勻光學參數目標體預先測試，獲得一個在實際測量時令人滿意的光子計數下限閾值；2)測量時，在沒有到達設定的積分時間的情況下，當四個并行通道的TPSF曲線的最大值都達到或超過設定下限閾值時，提前停止這四個通道上的測量，否則測量活動將持續進行直到滿足所設的積分時間；3)進行到下一組四個通道的測量，重復步驟2)，直到整個測量結束；4)每組測量結束后，記錄下各個通道所用的真實測量時間，用來在后續過程中對TPSF曲線進行時間歸一化處理；所述步驟S5進行臨床測量的具體步驟如下1)預測量①成像腔內充滿與人體正常乳腺組織光學參數相同的匹配液，形成光學背景均勻的液態目標體；②使用編寫的控制軟件，進行濾波輪衰減片的自動選取③32個源光纖依次激勵，通過讀取不同ND衰減片下，四個PMT上的光子計數率，選取合適的衰減片，在滿足單光子計數的前提下，保證探測器獲得盡可能高的光子計數率；④保存各個源一探測下的衰減片索引值；⑤對均勻仿體進行三維時間相關單光子DOT測量，在各個源一探測位置，采用相應的衰減片，獲得DOT重建中需要的均勻目標體數據；2)人體DOT測量①被檢測者趴在檢測平臺上，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使用編寫的軟件進行控制，對乳腺進行雙波長三維測量，在各個源-探測位置，控制程序選取相應的ND衰減片，可以獲得DOT重建中含有異質目標體的數據；3)人體FDOT測量①對被測者注射一定量的ICG溶液；②20分鐘后，采取與DOT測量時相同的姿勢；③調節半導體激光器在830nm上輸出功率為0，其他不變；④進行FDOT的激發光測量，其測量過程與DOT測量相同，獲得FDOT重建中用到的激發光數據；⑤進行FDOT的發射光測量，由于進行對熒光信號的采集，通過預先調整，在各個源一探測位置處，濾波輪均設置為熒光濾波片組合，來濾除ICG激發光，可以獲得FDOT重建中的發射光數據。全文摘要
本發明公開一種熒光―光學聯合斷層成像系統及測量方法，包括光源模塊，其產生不同波長的激發光并將這些激發光耦合成復合激發光；測量模塊，用于放置成像目標體、接收復合激發光、對成像目標體分層進行測量，實現全三維掃描、散射出光子信號并將該光子信號轉換為脈沖電信號輸出；數據采集處理模塊，其接收脈沖電信號并進行多維光子計數測量；計算機控制模塊，用于對上述各個模塊進行控制并對數據進行采集、分析和顯示。本發明將熒光擴散斷層成像(FDOT)與擴散光學斷層成像(DOT)相融合，實現在FDOT中熒光產率和熒光壽命同時重建，提取出患病區域的目標，為下一步DOT中吸收系數和散射系數重建提供精確位置信息。
文檔編號A61B5/00GK102920434SQ20121040866
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月23日 優先權日2012年10月23日
發明者高峰, 張偉, 武林會, 李嬌, 周仲興, 張麗敏, 趙會娟 申請人:天津大學