專利名稱：旋轉式擴散熒光層析成像系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于生物熒光層析成像技術，涉及基于近紅外光擴散性質的旋轉式熒光層析成像技術(fluorescence diffuse optical tomography, FDOT)，具體為一種旋轉式擴散熒光層析成像系統(tǒng)，它適合于在體無創(chuàng)的檢測小動物 癌變過程。技術背景利用近紅外光的擴散性質，對小動物進行在體無創(chuàng)的檢測技術是一種 很有前途的光學成像技術，相比于顯微成像，光學弱相干層析成像技術， 它是目前為止成像深度最深的光學成像方式。國外這方面申請有美國專利 No.7.107.U6，該發(fā)明采用的技術手段是將小動物擠壓成扁平狀，利用半無 限介質中的擴散方程來推出實際小動物的光學參數分布。其中也使用了連 續(xù)光源照射，相機數據采集，但由于光源和相機已經固定，因此所采集的 數據量有限，成像質量受到采集數據量的限制。發(fā)明內容本發(fā)明的目的在于提供一種旋轉式擴散熒光層析成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)能 夠在體，無創(chuàng)，高成像深度的檢測小動物癌變過程，可以根據實驗需要得 到大量數據，從而提高其成像質量，同時，小動物不需擠壓，保持它原始 形態(tài)，從而給醫(yī)學診斷提供方便。本發(fā)明提供的旋轉式擴散熒光層析成像系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包 括半導體激光器、計算機、旋轉工作臺、步進電機和CCD相機；旋轉工作臺為"匚"形，設有兩個水平臂和一個豎直桿，豎直桿中心點與 支架連接，旋轉工作臺以豎直桿中心點為中心在豎直平面旋轉；半導體激 光器和半導體制冷盒分別固定在旋轉工作臺的二個水平臂上，CCD相機位 于半導體制冷盒內；樣品固定夾固定在支架上，并且位于CCD相機與半導體激光器之間， 工作時，半導體激光器的激光出射孔、CCD相機的鏡頭光學中心和位于樣 品固定夾上的成像樣品的中心位于在一條直線上；步進電機與旋轉工作臺相連，帶動固定在旋轉工作臺水平臂上的CCD 相機和半導體激光器以旋轉工作臺的豎直桿中心點為中心旋轉；CCD相機和計算機之間通過滑環(huán)連接，計算機向旋轉工作臺和CCD相 機傳送控制信號，接收CCD相機傳送的圖像數據，并對圖像數據進行分析 處理。本發(fā)明系統(tǒng)具有以下技術效果-(1) 由于現有的大部分擴散熒光層析成像系統(tǒng)都是基于光纖的結構。 而這種結構由于本身的結構限制，主要指光纖光源與探測光纖的數目固定， 使的這種所采集到的數據量比較小，不適合于高精度的擴散熒光層析成像 技術。而本發(fā)明最明顯的特征是旋轉式無光纖結構，包括了傳動及其控制 部分、饋電部分、光源和成像探測器部分。系統(tǒng)所有的電源線和數據線， 都通過滑環(huán)導出系統(tǒng)，這樣避免了系統(tǒng)在旋轉過程中數據線，電源線相互 纏繞。這種設計可以隨意控制采集的數據量大小，從而提高成像效果。(2) 本發(fā)明系統(tǒng)能夠實現步進電機旋轉與CCD相機拍攝控制協(xié)同工 作。這樣可以實現在系統(tǒng)旋轉過程中，制冷電荷藕合相機能夠穩(wěn)定有效的 采集數據。


圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結構圖。圖2為本發(fā)明的滑環(huán)結構圖。圖3為本發(fā)明的控制軟件流程圖 圖4為本發(fā)明的算法流程圖。
圖5a為實例一玻璃管樣品立體示意圖。 圖5b為實例一玻璃管樣品見面示意圖。 圖6為實例一本發(fā)明對玻璃管樣品分析得到的吸收系數曲線。
具體實施方式
下面結合附圖和實例對本發(fā)明作進一步詳細的說明。 如圖1所示，本發(fā)明系統(tǒng)包括半導體激光器l、計算機2、支架3、旋 轉工作臺4、滑環(huán)5、步進電機6、樣品固定夾7、電荷藕合(CCD)相機8 和半導體制冷盒9。旋轉工作臺4的結構為"匚"字形，設有兩個水平臂和一個豎直桿。豎 直桿中心點11與支架3連接。旋轉工作臺4以豎直桿中心點11為中心在 豎直平面旋轉。半導體激光器1固定在旋轉工作臺4的一個水平臂上。CCD 相機8位于半導體制冷盒9內，半導體制冷盒9固定在旋轉工作臺4的另 一個水平臂上。樣品固定夾7固定在支架3上，并且位于CCD相機8與半導體激光器 1之間。半導體激光器1的激光出射孔、CCD相機8的鏡頭光學中心和成 像樣品10的中心，三點在一條直線上。為了能夠使CCD相機與成像樣品 10的距離保持相對恒定，樣品固定夾7最好與旋轉工作臺4的豎直桿中心 點ll位于同一水平平面上。步進電機6與旋轉工作臺4相連，用于驅動旋轉工作臺4繞豎直桿中 心點11旋轉，帶動固定在旋轉工作臺4水平臂上的CCD相機8和半導體 激光器1以豎直桿中心點11為中心旋轉。樣品固定夾7和成像樣品10始 終保持靜止?；h(huán)5也稱為旋轉電氣接口、電氣旋轉關節(jié)，用于解決數據傳輸線和 電力供應傳輸線的纏繞問題。以CCD相機8和計算機2之間通過滑環(huán)5的 連接為例說明滑環(huán)5的連接方式。如圖2所示，滑環(huán)5的主體為圓筒狀，引腳14位于圓筒狀主體上，與 CCD相機8直接相連的數據傳輸線穿過滑環(huán)5中間的通孔16后和引腳14 相連。集電環(huán)13套在圓筒狀主體上，炭刷15與集電環(huán)13表面接觸，炭刷 15上設置有滑環(huán)引出線接口 12。所有的數據傳輸線通過滑環(huán)引出線接口 12 與計算機2連接。計算機2用于對旋轉工作臺4和CCD相機8進行控制， 對采集的數據進行分析處理。下面說明本發(fā)明系統(tǒng)的工作原理。旋轉工作臺4帶動半導體激光器1和CCD相機8對成像樣品10掃描 成像。半導體激光器1發(fā)出的光照亮成像樣品10表面時，在成像樣品IO 另一端的CCD相機8會采集從成像樣品10射出的熒光光強信號，并通過 滑環(huán)5將光強信號數據存入計算機2內。旋轉工作臺4與步進電機6固定 連接，實現角度調整自動化。旋轉工作臺4通過精密加工的蝸輪蝸桿傳動， 角度全圓無極限調整，可朝一個方向連續(xù)旋轉，減小重復定位誤差的影響。如圖3所示，本發(fā)明系統(tǒng)的工作過程為首先將成像樣品IO用樣品固 定夾7夾住，使成像樣品10的中心、半導體激光器1的激光出射孔和CCD 相機8的鏡頭光學中心,三點在一條直線上。選擇合適的濾光片固定在CCD 相機8的鏡頭前。半導體激光器1發(fā)出的光直接照射到樣品IO表面。然后 開啟計算機2中的控制軟件，在控制軟件中設置旋轉工作臺4的旋轉運行 相關參數旋轉速度，旋轉運行次數，每次旋轉的角度，以及多次旋轉運 行條件下旋轉運行間隔的時間。接著點擊控制軟件中的開始按鈕，旋轉工 作臺4將會帶動CCD相機8和半導體激光器1繞以成像樣品10為中心旋 轉。例如，設置旋轉工作臺4的旋轉運行次數為12次，每次旋轉的角度為 30度，旋轉運行間隔的時間為5秒。旋轉工作臺4按照控制程序設定的每 隔30度暫停5秒，此5秒時間內CCD相機8將采集成像樣品10透射光光 強數據。5秒后，旋轉工作臺4繼續(xù)旋轉，直到旋轉12次，CCD相機8 和半導體激光器1完成了一次完整的圓周運動。最后，控制軟件將采集到 的圖像數據利用擴散光學層析成像算法進行重構得到樣品10光學參數圖。由于本發(fā)明系統(tǒng)采集的數據量大，采用的是連續(xù)光照射，制冷電荷藕 合相機記錄樣本擴散光光強，因此需要一種合適的擴散熒光層析成像算法 來實現對相機獲得的光強信息重構，以得到樣本光學參數。本系統(tǒng)的擴散 光學層析成像算法根據假設模型和采集圖像數據得到樣品10內部的光學，
實現對樣品IO的圖像重建，主要分為三步。圖4所示為其算法的主要流程 圖。本系統(tǒng)的擴散光學層析成像算法的樣品10的假設模型用簡單的數學方程可以描述為<formula>formula see original document page 8</formula>(1)<formula>formula see original document page 8</formula>(2)<formula>formula see original document page 8</formula> (3)①W代表穩(wěn)態(tài)光強值，D("表示樣品10的約化傳輸系數，其中r表示樣品 10某一點的空間位置。^為樣品10吸收系數，^為樣品10散射系數。 So(O為光源強度。p為折射率不匹配系數，n為介質外法向方向，g為各向 異性因子。首先，假設一組樣品10光學參數(約化傳輸系數D(r)和吸收系數A)， 帶入上述方程(1)(2)(3)，利用有限元方法計算得到光在樣品10中傳播的過 程中光強O(0的分布。第二，從CCD相機8得到的多幅圖像中選取與約化傳輸系數Z)(r)的位 置相應的圖像，提取圖像中樣品lO外表面的光強值O(r),將這組值與假設 模型得到的0(0進行比較，當它們之間的差大于誤差值的時候判斷為假設 的約化傳輸系數"(/")和吸收系數;/a不符合要求。誤差值需設定。于是，通 過最小二乘優(yōu)化算法重新假設一組光學參數(約化傳輸系數D(r)和吸收系 數A)，再進行計算與比較，直到實際光強值與理論上的光強值的差小于 誤差值的時候，就判斷這次假設的光學參數(吸收系數^和約化傳輸系數 D(O)分布為樣品10的光學參數分布。從而得到樣品10的三維光學參數的 分布值DO)， //。和//,。最后，根據光學參數的分布值"("，//。和/v在圖像重建軟件(如 Matlab)中重建得到樣品IO的吸收系數曲線圖。
實例1:半導體激光器l參數為652 nm/50mW,光斑直徑0.38 mm, 180°上 下偏移0.355 mm。成像樣品10為一個圓柱型玻璃管，該玻璃管外直徑為 25.4 mm、管壁厚1 mm，玻璃管內裝1 %的Intrilipid水溶液和兩根透明的 小塑料管。兩塑料管均裝有2.0% Intrilipid水溶液，其中一根塑料管17 (直 徑4mm)內加兩滴墨水，另一根塑料管18 (直徑3.6mm)內加一滴墨水。 二根塑料管17、 18平行，兩管的中心軸線相距8.6mm。此成像樣品10結 構示意圖見圖5a玻璃管成像樣品立體示意圖、圖5b玻璃管成像樣品截面 示意圖。利用本發(fā)明系統(tǒng)采集數據，計算得到成像樣品IO的吸收系數曲線 圖，如圖6所示。
權利要求
1、旋轉式擴散熒光層析成像系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括半導體激光器(1)、計算機(2)、旋轉工作臺(4)、步進電機(6)和CCD相機(8)；旋轉工作臺(4)為“匚”形，設有兩個水平臂和一個豎直桿，豎直桿中心點(11)與支架(3)連接，旋轉工作臺(4)以豎直桿中心點(11)為中心在豎直平面旋轉；半導體激光器(1)和半導體制冷盒(9)分別固定在旋轉工作臺(4)的二個水平臂上，CCD相機(8)位于半導體制冷盒(9)內；樣品固定夾(7)固定在支架(3)上，并且位于CCD相機(8)與半導體激光器(1)之間，工作時，半導體激光器(1)的激光出射孔、CCD相機(8)的鏡頭光學中心和位于樣品固定夾(7)上的成像樣品(10)的中心位于在一條直線上；步進電機(6)與旋轉工作臺(4)相連，帶動固定在旋轉工作臺(4)水平臂上的CCD相機(8)和半導體激光器(1)以旋轉工作臺(4)的豎直桿中心點(11)為中心旋轉；CCD相機(8)和計算機(2)之間通過滑環(huán)(5)連接，計算機(2)向旋轉工作臺(4)和CCD相機(8)傳送控制信號，接收CCD相機(8)傳送的圖像數據，并對圖像數據進行分析處理。
2、 根據權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于計算機(2)按照下述 過程對圖像數據進行處理(1)將一組樣品光學參數帶入下述方程(1)(2)(3)，利用有限元方法計算得到光在樣品中傳播的過程中光強O(O的分布；<formula>formula see original document page 2</formula> DW-(3(/^+(i+g)/or1 (3)其中，O(r)為穩(wěn)態(tài)光強值，Z)(O為樣品約化傳輸系數，r為樣品某一點 的空間位置；/i。為樣品吸收系數，A為樣品的散射系數，S。(r)為光源強度， p為折射率不匹配系數，w為介質外法向方向，g為各向異性因子；(2) 從CCD相機得到的多幅圖像中選取與約化傳輸系數D(r)的位置 相應的圖像，提取圖像中樣品外表面的光強值O(O，將這組值與假設模型 得到的O("進行比較，當它們之間的差大于誤差值時候判斷為假設的約化傳輸系數"(O和吸收系數A不符合要求；(3) 通過最小二乘優(yōu)化算法重新假設一組光學參數，約化傳輸系數 Z)(0和吸收系數//。，再進行計算與誤差值比較，直到實際光強值與理論上 的光強值的差小于誤差值時候，判斷這次假設的光學參數分布為樣品的光 學參數分布，得到樣品的三維光學參數的分布值D(r)， //。和;/,;(4) 根據光學參數的分布值D(/")， 和^，在圖像重建軟件中重建得 到樣品的圖像。
3、根據權利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征在于滑環(huán)(5)的主體 為圓筒狀，引腳(14)位于圓筒狀主體上，與CCD相機(8)直接相連的 數據傳輸線穿過滑環(huán)(5)中間的通孔(16)后和引腳(14)相連，集電環(huán)(13)套在圓筒狀主體上，炭刷(15)與集電環(huán)(13)表面接觸，炭刷(15) 上設置有滑環(huán)引出線接口 (12)，所有的數據傳輸線通過滑環(huán)引出線接口(12)與計算機(2)連接。
4、根據權利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征在于固定夾(7)與旋 轉工作臺(4)的豎直桿中心點(11)位于同一水平平面上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種旋轉式擴散熒光層析成像系統(tǒng)，包括半導體激光器、計算機、旋轉工作臺、步進電機和CCD相機。半導體激光器和半導體制冷盒分別固定在旋轉工作臺的二個水平臂上，CCD相機位于半導體制冷盒內；樣品固定夾固定在支架上，并位于CCD相機與半導體激光器之間；步進電機帶動CCD相機和半導體激光器以旋轉工作臺的豎直桿中心點為中心旋轉；計算機向旋轉工作臺和CCD相機傳送控制信號，接收CCD相機傳送的圖像數據，并對圖像數據進行分析處理。本發(fā)明系統(tǒng)可以隨意控制采集的數據量大小，提高成像效果；能夠實現步進電機旋轉與制冷電荷藕合相機拍攝控制協(xié)同工作。這樣可以實現在系統(tǒng)旋轉過程中，制冷電荷藕合相機能夠穩(wěn)定有效的采集數據。
文檔編號A61B5/00GK101147673SQ200710053739
公開日2008年3月26日 申請日期2007年11月2日 優(yōu)先權日2007年11月2日
發(fā)明者全國濤, 曾紹群, 昆 畢, 駱清銘 申請人:華中科技大學