CN103190887A - 散射混沌光层析成像方法 - Google Patents
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Abstract
一种散射混沌光层析成像方法，其所述方法是实现1μm掺镱混沌光纤激光器信号；实现混沌光信号的参考光的传输；实现混沌光信号的散射光的传输；实现两条路径混沌光信号的相关；实现点扩展函数的获取；实现组织体光学信息量的获取；实现组织体参数的重建及图形的重建。本发明将混沌光信号应用于散射光层析成像的装置，解决了伪随机信号低精度、低空间分辨率和量化性能等问题，实现了对生物组织的参数特征的检测，这将会促进混沌激光在生物医学成像及生物组织健康检测等相关学科在科学研究原创性上的研究工作。
Description
技术领域
本发明涉及一种层析成像方法，特别是一种将混沌信号应用于光学层析成像系统中，以实现生物医学成像及生物组织健康检测。
背景技术
现有散射光学层析成像技术利用散射光在组织中的相对穿透深度实现5-10cm器官级的临床诊断，使用近红外光以非侵入方式确定生物组织内光学参数的三维分布，提供基于组织体重要生化成分的无创功能检测模式。由于其具有无损、无辐射、可连续监测等优势，在临床医学诊断中发挥重要作用成为医学成像模态的研究焦点。
对于散射光层析成像目前监测较为成熟的技术为利用超声引导的光散射成像系统且在国内外已经用于临床试验(徐振花，武晨，茅玲，柏进，黄选东。超声光散射成像系统筛查早期乳腺癌，中国肿瘤, 20（12）：932-936,2011)。随着散射光层析成像技术的不断发展，新的应用于生物组织的散射成像技术也不断研究和出现。美国塔夫茨大学的Sergio Fantini课题组提出基于超光谱的光散射层析(Fridrik Larusson,Sergio Fantini and Eric L. Miller.Parametric level set reconstruction methods for hyperspectral diffuse optical tomography. Biomed Optics Express，3(5): 1006–1024. 2012.)。加拿大谢布鲁克大学的Yves Bérubé-Lauzière课题组提出荧光光散射层析(Yves Bérubé-Lauzière and Eric Lapointe . A time-domain non-contact fluorescence diffuse optical tomography scanner for small animal imaging. OSA Biomed. BTuD76 .2010.)。在天津大学的高峰课题组提出时间分辨的荧光光散射成像(Feng Gao, Limin Zhang, Huiyuan He et al. A self-normalized, full time-resolved scheme for fluorescence diffuse optical tomography .Proc. of SPIE Vol. 6850, 68500N, 1-12, 2008.)。但这些基于不同原理的光散射技术是利用超短脉冲作为探测光源。
随着生物医学成像的发展，散射光层析成像也不断得到发展。但基于近红外超短脉冲的散射光层析，由于超短脉冲光源的存在，导致其在利用点扩散函数的测量和成像方面，结构复杂。由于超短脉冲的脉冲宽度通常在ps（10-12秒）量级，而目前的光电探测和示波器的带宽无法满足脉冲响应的需要，使得应用受到很大的限制。
近红外连续光作为光源实现散射光层析技术为解决散射光层析技术提供了解决问题的途径。1999年J. J. A. Marota采用32个不同波长的连续光源实现了光散射层析成像，并成功检测生物组织的血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度(A. M. Siegel J. J. A. Marota and D. A. BoasDesign and evaluation of a continuous-wave diffuse optical tomography system .Optics Express.4（8）: 287-298，1999.)，自此基于连续光的散射光层析得到广泛的研究。2003年，Hamid Dehghani采用多波长光源用于光散射层析技术测量结果与通常的超声检测进行了比较(Hamid Dehghani, Brian W. Pogue, Steven P. Poplack, and Keith D. Paulsen. Multiwavelength three-dimensional near-infrared tomography of the breast: initial simulation, phantom, and clinical results。Applied Optics，42（1）： 135-145，2003.)，J. P. Culver利用连续光实现了三维光散射层析(J. P. Culver, R. Choe, M. J. Holboke, L. Zubkov, T. Durduran, and A. Slemp V. Ntziachristos ， B. Chance A. G. Yodh Three-dimensional diffuse optical tomography in the parallel plane transmission geometry: Evaluation of a hybrid frequency domain continuous wave clinical system for breast imaging. Medical. Physics. 30 （2）：235-246, 2003.)。但采用连续波长的光散射成像相对于基于超短脉冲的光散射层析成像信噪比低，成像质量差，检测精度受到限制。
生物组织成像在医疗健康检测中发挥越来越大的作用，通过近红外光探测组织体的血红蛋白氧化水平，用于人体在无损、无辐射、安全的情况下，迫切需要高清晰度的成像技术实现人体早期肿瘤等健康监测。
然而传统的测量方法存在测量精度与测量应用存在原理缺陷，其测量清晰度与采用光源的脉冲宽度存在矛盾：要提高测量精度，就需要采用超短脉冲。超短脉冲的脉冲越窄，检测精度越高，系统越复杂。若采用超短脉冲提高精度，则超短脉冲产生技术及微弱光信号的探测技术，将大大增加系统的复杂性，操作难度和成本，难于实用化和小型化。
伪随机码相关法可以解决连续光散射成像中测量精度与探测受限的问题。2003年Nan Guang Chen课题组通过采用伪随机码的声光调制半导体激光器输出伪随机的脉冲序列，并用于散射光层析研究，实现了点扩展函数为0.6ns的分辨率(9. Nan Guang Chen and Quing Zhu Time-resolved diffusive optical imaging using
pseudo-random bit sequences. Optics Express. 11(25)；3445-3544,2003.)，通过课题组的努力，在2009年采用10GHz伪随机码调制实现了200ps的分辨率(10. Qiang Zhang and Nan Guang Chen.Pseudo-random single photon counting: the principle, simulation, and experimental results .Proc. of SPIE Vol. 7170 71700L-1，2009.)。2010年Weirong Mo在此基础上提出改进的基于伪随机码的散射光层析(11. Weirong Mo, and Nanguang Chen. Design of an Advanced Time-Domain Diffuse Optical Tomography System.IEEE Journal of Selected Topics In Quantum Electronics, 16（3）：581-587， 2010.)。相应已经发表的专利有DIFFUSE OPTICAL TOMOGRAPHY(US20080528146), SCATTER ATTENUATION TOMOGRAPHY(WO2007US76497), IMAGE RECONSTRUCTION METHOD FOR DIFFUSE OPTICAL TOMOGRAPHY, DIFFUSE OPTICAL TOMOGRAPHY SYSTEM, AND COMPUTER PROGEAM(US20100755965), DIFFUSE OPTICAL TOMOGRAPHY SYSTEM AND METHOD FOR USE(US20080050733), DETECTION OF STROKE EVENTS USING DIFFUSE OPTICAL TOMOGRAPHY(US2000491595)。但是目前对基于伪随机信号的散射光层析成像的研究主要存在如下几个问题：
（1）未能采用有效的验证标准对所构建的基于伪随机信号中辐射和传输方程的正向模型的准确性进行验证；
（2）对二维辐射传输方程的中对光子散射的处理违背了光子传播的物理规律；
（3）未能解决求解辐射传输方程中所用到的理想边界条件与实际物理情况差异造成正向模型不准确的问题；
（4）对逆问题的算法进行验证所采用的数据为本身正向模型所生成的数据，
即对逆问题的求解为“诡问题”。
并且对于伪随机脉冲序列可通过增加码长提高测量系统的分辨率，但伪随机光脉冲序列的产生需要通过电随机码调制激光器。受电子器件带宽瓶颈的限制，使得基于伪随机信号的散射光层析系统的空间分辨率低及量化性能低现象未得到明显改善。
发明内容
本发明要解决的具体技术问题是基于伪随机信号的辐射及传输方程中存在的准确性问题，实现高精度、高空间分辨率的散射断层层析成像方法的研究。针对上述现有技术存在的不足，本发明提供一种散射混沌光层析成像方法，其具体技术方案如下：
实现1μm掺镱混沌光纤激光器信号；
实现混沌光信号的参考光的传输；
实现混沌光信号的散射光的传输；
实现两条路径混沌光信号的相关；
实现点扩展函数的获取；
实现组织体光学信息量的获取；
实现组织体参数的重建及图形的重建。
在上述技术方案中，进一步地，附加技术特征在于：
所述参考光是将1μm掺镱混沌光纤激光器产生信号依次通过可变延迟器、光电探测器和相关器与散射光相关后，进入成像系统。
所述散射光是1μm掺镱混沌光纤激光器产生信号穿透被测对象依次通过光电探测器、放大器和相关器与参考光相关后，进入成像系统。
所述1μm掺镱混沌光纤激光器是将980nm泵浦源依次通过波分复用器、掺镱光纤、高非线性光纤、光隔离器、光纤光栅、偏振控制器和输出耦合器输出混沌光信号。
所述层析成像的装置是将1μm掺镱混沌光纤激光器产生的混沌光信号分为两路，一路作为参考光，其参考光是1μm掺镱混沌光纤激光器产生的混沌光信号通过可变延迟器、光电探测器和相关器与散射光相关后，输入数据采集器和成像系统；另一路作为散射光，其散射光是1μm掺镱混沌光纤激光器产生的混沌光信号通过强度调制器、样品模件、光电探测器、放大器和相关器与参考光相关后，输入数据采集器和成像系统。
本发明上述提出的一种掺镱混沌光纤激光器产生的1μm混沌光信号，并将该混沌光信号应用于散射光层析成像方案。该方案采用光纤光栅，利用光纤非线性效应，在掺铒光纤激光器中实现波长为1μm的近红外波长宽带混沌光纤激光源。利用光纤具有很好的光束质量，且可以根据需要分成不同的测量通道，将1μm混沌光信号作为探测光，输入到生物组织体中，实现对生物组织的参数特征的检测。
对于散射光层析的检测，采用混沌信号的相关具有很好的δ型脉冲的特性。其特征与混沌的带宽有关，带宽越宽，δ型脉冲越窄，其形状与超短脉冲的形状类似，通过测量δ型相关函数透过组织体的点扩展函数曲线中每个位置光信息量，即可得出生物组织体的参数特性分布，实现对组织体的血红蛋白氧化水平的检测，从而判断生物组织的健康状态。本发明利用混沌δ型相关函数的特性，解决了时间上超短脉冲检测复杂与测量精度存在的矛盾，通过宽带混沌很好的相关性实现高测量精度的散射光层析。
本发明上述所提供的一种将混沌光信号应用于散射光层析成像的装置及其层析成像方法，与在先技术相比，所具有的优点与积极效果在于：
本发明提出了一种将混沌光信号应用于散射光层析成像的装置中，解决了伪随机信号低精度、低空间分辨率和量化性能等问题，实现了散射光层析的监测方案及检测方法。
本发明利用混沌光信号有很好的δ型脉冲相关特性，实现了小误差的点扩展函数的获取，尤其是点扩展函数半高全宽与理想点扩展函数半高全宽的小误差的获取，提高了测量精度。
本发明利用混沌光信号重建时对边界条件的高灵敏性及混沌光信号的无序性，实现了不同位置低误码率的光信息量的采集，从而实现了高测量精度和量化性能的图像重建。
本发明将混沌光信号用于散射光层析成像装置的检测，采用混沌相关法，可以获取自相关函数中丰富的光学信息参数。本技术方案的实施，将会促进混沌激光在生物医学成像方面和生物组织健康检测等相关学科在科学研究上原创性的研究工作。
附图说明
图1是本发明的层析成像方法框图。
图2是本发明的混沌信号产生装置结构示意图。
图3是本发明用于图1层析成像装置的结构示意图。
图中：1：1μm掺镱混沌光纤激光器；2：可变延迟器；3：光电探测器；4：放大器：5：相关器；6：成像系统。
图中：7：980nm泵浦源；8：波分复用器；9：掺镱光纤；10：高非线性光纤；11：光隔离器；12：光纤光栅；13：偏振控制器；14：输出耦合器。
图中：1：1μm掺镱混沌光纤激光器；15：强度调制器；2：可变延迟器；5：相关器；3：光电探测器；16：样品模件；4：放大器；17：数据采集器；6：成像系统。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。
如图1所述，实施本发明所提供的一种散射混沌光层析成像装置，该装置是将混沌光信号应用于散射光层析成像中混沌光信号的产生装置包括980nm泵浦源7、波分复用器8、掺镱光纤9、高非线性光纤10、光隔离器11、光纤光栅12、偏振控制器13及输出耦合器14。
本发明上述发生方法的技术方案所述的混沌光信号是利用光纤的非线性效应实现的。980nm激光作为掺镱光纤的泵浦源，高非线性光纤用来通过光纤的非线性效应实现宽带混沌的产生，光隔离器保证光纤环的单向运转，光纤光栅用于实现波长的调节和稳定。偏振控制器、光隔离器及传输光纤组成环形腔，采用980nm/1000nm波分复用器将980nm的抽运到掺镱光纤激光器内，通过偏振控制器和泵浦电流的调节，实现掺镱光纤的混沌激光输出。
本发明涉及将混沌光信号应用于散射光层析成像装置，包括1μm掺镱混沌光纤激光器、强度调制器、可变延迟器、相关器、光电探测器、组织模件、数据采集器及成像系统。
本发明上述发生方法的技术方案所述的将混沌光信号应用于散射光层析成像装置的光纤激光混沌源是满足医学治疗窗口600nm-1300nm波段来实现深度穿透探测。所述的强度调制器将混沌信号调制成可控强度。所述的样品模件是以符合人体皮肤组织及肿瘤的各项参数模拟的，一般可以使用脂肪乳剂和塑料吸收器。所述的探测信号是通过样品模件的混沌光信号。所述的光电探测器实现光电信号的转换，用于肿瘤位置的测量。所述的相关器实现参考信号和探测信号的互相关，获取自相关函数与各个位置的光学信息，从而重建肿瘤位置。
应用混沌光信号于散射光层析成像检测装置及其方法，其构成在于1μm掺镱混沌光纤激光器1产生混沌光信号由强度调制器15调制可控，进入样品模件16实现光学探测，探测到的衰减后的光信号在光电探测器3进行光电转换并保存采集数据，采集到的探测信号通过放大器4放大之后与混沌光信号通过可变延迟器2实现延迟的参考信号在相关器5中进行互相关，相关信号由数据采集器17收集并叠加成点扩展函数曲线，采集点扩展函数曲线上每个位置数据输入成像系统6实现逆问题算法反演，实现组织体模件重建吸收系数分布的获取，从而模拟肿瘤位置图像。
本实验测量原理：本实验建立一种模拟光在组织体内传播的数学模型，从而获得表面测量量的估计值，即正向模型；然后，根据正向模型和实际测量系统获得的测量量对组织体内部的光学参数进行拟合，从而获得内部光学参数的拓扑图像，即逆问题。本实验是以辐射传输理论中的扩散方程为基础，利用边界元方法建立相应的正向数学模型，并实现对散射光学层析成像的算法。1μm掺镱混沌光纤激光器1产生的混沌信号分为两路径传输，一路作为参考信号，通过可变延迟器2传输，假设其输出满足函数关系式h(t)；另一路作为探测信号，通过样品模件16，利用光电探测器3转换成电信号传输，假设其输出满足函数关系式为f(t)。则其互相关函数 
。基于此原理，通过数据采集器17采集到不同延迟时段互相关信号叠加成点扩展函数。Klose等采用离散纵标方法和有限差分方法对辐射传输方程进行求解，并在稳态模式下采用梯度方法对图像进行了重建，Jing Meng等在此基础上采用梯度树的方法对图像进行了重建，Kui Ren等在频率模式下对辐射传输方程采用了有限元方法求解，并采用Gauss-Newton方法进行了图像重建。O.Balima等采用最小方差有限元方法求解了频域辐射传输方程。Hyun Keol Kim发展了采用无需进行线性搜索的梯度方法在频域模式下进行图像重建的算法。Tanja Tarvainen等建立了联合辐射传输方程和扩散方程的正向模型。E.D.Aydin采用有限元-球谐波方法求解辐射传输方程。由此，基于扩散方程及边界条件情况下，利用MATLAB程序，可以实现女性乳腺肿瘤位置的检测。
Claims (5)
1.一种散射混沌光层析成像方法，包括混沌相关法；其所述层析成像的实现方法如下：
实现1μm掺镱混沌光纤激光器信号；
实现混沌光信号的参考光的传输；
实现混沌光信号的散射光的传输；
实现两条路径混沌光信号的相关；
实现点扩展函数的获取；
实现组织体光学信息量的获取；
实现组织体参数的重建及图形的重建。
2.如权利要求1所述的散射混沌光层析成像方法，其所述参考光是将1μm掺镱混沌光纤激光器（1）产生信号依次通过可变延迟器（2）、光电探测器（3）和相关器（5）与散射光相关后，进入成像系统（6）。
3.如权利要求1所述的散射混沌光层析成像方法，其所述散射光是1μm掺镱混沌光纤激光器（1）产生信号穿透被测对象（16）依次通过光电探测器（3）、放大器（4）和相关器（5）与参考光相关后，进入成像系统（6）。
4.如权利要求1所述的散射混沌光层析成像方法，其所述1μm掺镱混沌光纤激光器（1）是将980nm泵浦源（7）依次通过波分复用器（8）、掺镱光纤（9）、高非线性光纤（10）、光隔离器（11）、光纤光栅（12）、偏振控制器（13）和输出耦合器（14）输出混沌光信号。
5.如权利要求1所述的散射混沌光层析成像方法，其所述层析成像的装置是将1μm掺镱混沌光纤激光器(1)产生的混沌光信号分为两路，一路作为参考光，其参考光是1μm掺镱混沌光纤激光器(1)产生的混沌光信号通过可变延迟器（2）、光电探测器（3）和相关器（5）与散射光相关后，输入数据采集器（17）和成像系统（6）；另一路作为散射光，其散射光是1μm掺镱混沌光纤激光器(1)产生的混沌光信号通过强度调制器（15）、样品模件（16）、光电探测器（3）、放大器（4）和相关器（5）与参考光相关后，输入数据采集器（17）和成像系统（6）。
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