时间分辨组织光学成像系统研究

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1、华中科技大学博士学位论文摘要幸利用近红外光对人体组织进行检测以及成像，是近年来快速发展的一个热点领域。在近红外光谱范围内，生物体组织通常具有高散射、低吸收的特性．光子可以深入到表皮下数厘米并携带出组织的功能状态信息。由于这一特性，扩散光谱技术(diffuseopticalspectroscopy)和扩散光学成像技术(diffuseopticaltomography)有希望在许多医学应用方面成为一种有用的诊断工具。与传统的医学诊断和成像设备(如x射线、脑电图、核磁共振等)相比，近红外方法的优势在于无损和简易可行。在生物医学光学成像领域存在

2、的三种主要技术中(连续光技术、强度调制的扩散光子密度波技术和时间分辨技术)，时间分辨技术灵敏度最高，所提供的信息晟多。在时间分辨系统中，窄脉冲激光束从组织的表面注入，光子在组织内的传输历经多次散射，所探测到的时域被拓宽的光脉冲波形包含了与组织光学参数相关的信息。本文主要讨论了一种多波长、多通道的时间分辨的光学成像系统的设计和研制，该系统的一个主要应用是临床乳腺肿瘤的检测与诊断。6波长的激光器(690nm，755nm，780rim，798nm，830rim，838nm)发出的光脉冲经耦合器合成一束后．通过光开关依次分配至32路光源光纤：从

3、各路光源光纤出射的光子在组织内经过传输后，同时被16路探测光纤所收集到，在光电倍增管上激发出光电信号；各路信号通过时间相关的单光子计数系统(TCSPC)所测量和记录；TCSPC所测量的数据通过去卷积的拟合算法，从信号的波形中提取出图像重建所需要的信息，重构出组织局部光学参数(吸收系数／1。和散射系数u：)在空间的二维分布图像。在均匀液体介质光学参数测量试验中。系统可以完整地测量出各个通道的光子逸出曲线，通过去卷积的拟合算法软件包，‘有效的恢复出介质的光学参数；通过光学特性局部不均匀的固体模型成像试验，验证了系统可以准确的重构出介质的局部

4、光学参数的图像，同时定位出与背景介质的光学参数不同的单元。试验中，引入光’奉谋题得到国家自然科学基金(批准号：59836240)和国家杰出青年科学基金资助(批准号：60025514)华中科技大学博士学位论文子计数率自动控制技术以平衡各探测通道之间的增益，有效的提高了被测信号的信噪比。为了快速测量高散射介质的光学参数，本文提出了一种带移动门的门控光子计数系统。系统利用可重叠滑动门的原理，在降低对控制门宽度要求的同时，提高了系统的时间分辨率。该快速测量方法理论上基于Patterson和Chance提出的一种计算光学参数的快速算法，与常规的去

5、卷积拟合算法相比，该方法简单而且直观。在模型试验上，系统以60ns的控制门测量出了150ps分辨率的信号曲线，和TCSPC系统同时测量的结果验证了该方法的可行性。与TCSPC技术相比，移动门控光子计数技术的理论和设计都相对要简单，系统的成本也相对较低。关键词：时间分辨的光学成像系统时间相关的单光子计数技术光学参数门控光子计数系统Ⅱ华中科技大学博士学位论文AbstractTheapplicationofnear-infraredlightforbiomedicaldiagnosisandimagingisaflourishingfield

6、underfastdevelopmentinrecentyears．Biomedicaltissuecharacterslowabsorptionandhighscatteringinnear-infraredspectrum，whichhelpsphotonwalkthrou曲severalcentimetersundertheskinandcarryoutthephysiologicalinformation．Hopefullydiffuseopticalspectroscopyanddiffuseopticaltomography

7、becomeausefulclinicaldiagnosist001．Comparedwithordinarybiomedicalimagingtechniques(Xray，electroencephalographandmagneticresonanceimagin曲，theadvantagesofopticalmethodarenoninvasiveandeasytOoperate．Thereexiststhreemajortechniquesinthebiomedicalopticalimagingfield：continuou

8、swavesystem(CW)，intensitymodulateddiffusionphotondensitywavesystem(DPDW)，time-resolvedsystem(TRS)，among