[發明專利]熒光―光學聯合斷層成像系統及測量方法

有效

• 申請號: 201210408665.7
• 申請日: 2012-10-23
• 公開（公告）號: CN102920434A
• 公開（公告）日: 2013-02-13
• 發明（設計）人: 高峰;張偉;武林會;李嬌;周仲興;張麗敏;趙會娟
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: A61B5/00
• 分類號: A61B5/00
• 代理公司: 天津才智專利商標代理有限公司 12108
• 代理人: 王顕

1.一種熒光―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1所述的熒光―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，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。

3.根據權利要求1所述的熒光―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―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―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―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―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1×32機械光開關，所述輸出光開關為4–8×1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4–8×1機械光開關上，每組所述8×1機械光開關對應1個準直器、1個濾波輪和1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1×32機械光開關上。

6.根據權利要求5所述的熒光―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1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―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1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1個信號路由器和1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―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：

S1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―光學聯合斷層成像系統的測量方法，其特征在于：

所述步驟S1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―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0.78%，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–100mv，用來濾除測量中的背景噪聲；

5）模擬―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17.1ps；

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Γ_OD=1除以第一個孔處的光流量Γ_EMPTY，得到標記為OD1的衰減片的相對透過率為Γ_OD=1/Γ_EMPTY，然后依次獲得Γ_OD=n/Γ_OD=n-1n=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_熒光/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―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―探測位置；每一層具體安裝的源―探測光纖，及其對應的1×32光開關和4–8×1光開關通道如下：

第一層，源―探測光纖序號1,2,9,10,17,18,25,26；對應1×32光開關上相同序號的通道，4–8×1光開關上并行的第1、2列通道；

第二層，源―探測光纖序號3,4,11,12,19,20,27,28；對應1×32光開關上相同序號的通道，4–8×1光開關上并行的第3、4列通道；

第三層，源―探測光纖序號5,6,13,14,21,22,29,30；對應1×32光開關上相同序號的通道，4–8×1光開關上并行的第5、6列通道；

第四層，源―探測光纖序號7,8,15,16,23,24,31,32；對應1×32光開關上相同序號的通道，4–8×1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4–8×1光開關切換到這一層對應的第一列通道；

2）1×32光開關依次切換8個通道，每次完成1次4通道并行測量；

3）4–8×1光開關切換到這一層對應的第二列通道；

4）1×32光開關依次切換8個通道，每次完成1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―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―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―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。