漫射光学断层成像系统的研究与设计

　　光学成像是一种传统的医学成像技术[1],但近红外(N IR)漫射光学断层(diffusion opticaltomography,DOT)成像技术则是一个新的医学成像领域,近年来引起了广泛关注并得到蓬勃发展[2-3]。DOT是一种在体成像技术,无创无毒,无电离辐射,因此可以重复甚至连续作用于人体。此外它成本较低,简便易用。目前已经成功用于医学临床,如乳腺癌检测[4-6]、功能性脑成像[7-11]、指关节的风湿性关节炎监测[12-13]以及脑损伤检查[14-15]等。

　　在体的DOT成像也有着穿透深度不够、空间分辨率较低等局限。此外,光学图像与探测深度和组织光学特性都是严重的非线性关系,给图像的重建带来很大的困难,而且不能进行详细的解剖学描述,也是导致它目前不像放射性成像方法那样普及的原因。

　　很多研究者在DOT成像技术方面做了大量的研究工作,并研制出了许多DOT产品[1,16-17]。目前DOT成像技术在朝着与其他传统成像技术如M RI、超声等相结合的多模式成像的方向发展,以解决DOT成像分辨率不高和探测深度不够等问题;或者利用传统成像方法获得高分辨率的解剖学结构信息,以获得更精确的光学成像的前向模型[18-20]。

　　本文提出了一种基于光电倍增管(PM T)的32通道DOT成像系统,工作在连续波(CW )模式。在整个系统中,只使用了一个PM T作为探测器,一个光学多路复用器用来切换光接收通道,因此系统相对简单紧凑。与基于电荷耦合器件(CCD)的成像系统相比,它可以大幅节约成本。此外PM T的灵敏度很高,保证了系统优良的检测性能。整个系统在控制软件的整合下协同工作,具有较高的自动化程度。

　　方　法

　　理论基础　光在组织中的传播可以用辐射传输方程来描述[2]。在满足一些假定条件时,该方程可以用更为简单的漫射方程(diffusion equa-tion,DE)来近似[2,21]。CW模式下DE可写作:

　　式中,r是组织区域Ω中的位置向量,μa为组织的吸收系数,D为组织的漫射系数,Φ(r)是组织中的光密度分布,q(r)是源项。当光源是一束斑点极小的准直光束时, q(r)相当于组织表面下一个自由程处的点光源[22],即空间δ函数,此时Φ(r)就是区域Ω中的格林函数。依空间分布的参数μa和D作为组织的光学特性,对于健康组织与病变组织通常是有差别的,常用作临床诊断的依据。通过检测组织边界Ω上的光强,我们可以重建出组织内部μa和D的分布图像。DOT前向模型中常使用Robin边界条件[23]。DOT系统的设计　基于CW模式的DOT系统设计方案如图1所示。

　　在图1中,激光器(2)(VA671-200, Viasho,China)发出波长为671nm,最大功率为200mW的激光(输出功率可调)。该激光由信号发生电路(1)(自制)输出的低频信号调制成5kHz的正弦光信号,以方便后续的信号处理,如噪声去除。调制后的光信号被耦合进一个1×16的光开关(3)(SUN-FSW1×16MM, SUN, China),轮流转接到16根发射光纤中的1根,在不同时刻照射组织表面的不同位置。