基于锁相光子计数的多通道脑功能成像系统

发布时间：2021-02-25 16:38

　　功能近红外光谱成像已成为脑功能研究的首选手段。为得到高灵敏度、大动态范围以及高时间分辨率的成像系统,开发了基于改进锁相光子计数的多通道近红外脑功能成像系统。光源模块由波长为785,808,830nm的激光二极管（各16个）组成,调制方波的频率间隔为252Hz;探测模块包括9个光子计数式光电倍增管。该系统结合了单光子计数技术的超高灵敏度与方波调制模式数字锁相检测的简易并行性,测量线性相关系数可达0.9989,信道间的串扰可忽略不计,具有较强的抗干扰能力和准确的空间定位能力。 

【文章来源】：中国激光. 2019,46(01)北大核心

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

图１成像系统的总体结构框图Ｆｉｇ．１Ｏｖｅｒａｌｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆｉｍａｇｉｎｇｓｙｓｔｅｍ

中国激光图１成像系统的总体结构框图Ｆｉｇ．１Ｏｖｅｒａｌｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆｉｍａｇｉｎｇｓｙｓｔｅｍ图２（ａ）数字锁相解调器的结构；（ｂ）方波式锁相的相鉴特性Ｆｉｇ．２（ａ）Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｄｉｇｉｔａｌｌｏｃｋ－ｉｎｄｅｍｏｄｕｌａｔｏｒ；（ｂ）ｐｈａｓｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｌｏｃｋ－ｉｎｉｎｓｑｕａｒｅｍｏｄｅ采用ＲＷＣ实现数字锁相光子计数技术的硬件电路，即对每个光子脉冲赋予两个正交的权值ｗ和ｕ，并分别进行累加，权值即同相和正交参考信号在当前采样点处的幅值。然后，用平均滤波器（门控累加）滤除谐波成分。当测量信号与参考信号均为方波时，两个正交的权值可以设定为１和－１，以简化锁相相关运算过程。采用这种方法进行乘法运算可以避免使用昂贵的模拟乘法器，且精度比模拟乘法器更高。具体的方波模式ＲＷＣ的硬件结构实现如图３所示。在其他变量保持不变的情况下，积分门宽的大小决定了系统的时间分辨率：积分门宽越大，成像系统的信噪比越高，时间分辨率越低。在实际应用时，需要在时间分辨率与系统信噪比之间找到平衡点。４系统验证为了验证方波模式下通过ＲＷＣ实现锁相光子计数测量的有效性和准确性，在系统稳定的情况下，用仿体实验对系统的性能进行评估。仿体实验模拟的是７５０ｎｍ波长下人脑的光学特性。４．１线性度和信噪比的验证对方波模式下数字锁相检测ＲＷＣ的实现进行线性度评估。源探距离保持３０ｍｍ，积分时间为１ｓ，激励单通道的ＬＤ，测得了漫射光经过匀质仿体０１０７００１－３

中国激光图３锁相光子计数硬件逻辑实现结构图Ｆｉｇ．３Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｉａｇｒａｍｏｆｌｏｃｋ－ｉｎｐｈｏｔｏｎｃｏｕｎｔｉｎｇｈａｒｄｗａｒｅｌｏｇｉｃｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ后距离源点３０ｍｍ处的光功率随入射光功率的变化。经过归一化拟合得到的线性相关系数为０．９９８９，如图４所示。图４系统的线性度评估Ｆｉｇ．４Ｌｉｎｅａｒｉｔｙａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ对不同数量通道下系统的信噪比进行验证，设置３组实验，分别启动１个ＬＤ（７８５ｎｍ）、６个ＬＤ、１６个ＬＤ。此处各光源强度一致，以保证各测量通道的信噪比一致。测量积分时间分别为３００，５００，１０００ｍｓ时的第一通道的探测光强。连续测量１００次，取各自的平均值作为真实信号，计算得到的峰值信噪比如表１。表１系统的峰值信噪比Ｔａｂｌｅ１ＰｅａｋｓｉｇｎａｌｔｏｎｏｉｓｅｒａｔｉｏｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｔｉｍｅ／ｍｓＳｉｇｎａｌｔｏｎｏｉｓｅｒａｔｉｏ／ｄＢｏｎｅＬＤｓｉｘＬＤｓｓｉｘｔｅｅｎＬＤｓ３００４４．２７３７．７２３４．３８５００４７．８９４１．１５３５．５２１０００５０．２８４２．８３３７．８７４．２系统的抗干扰度评估为了确保系统测量的精确性，根据通道数量区分干扰来源：单通道实验用来验证、分析环境光和光源微波动的干扰，多通道并行测量实验用来分析通道间的串扰。１）对系统的单通道抗干扰能力进行验证。实验条件设置为暗室和自然光环境，分别并行进行单光子计数和锁相光子计数，积分时间为１ｓ，连续测量１０次，结果如图５所

【参考文献】：
期刊论文
[1]生物组织的亚扩散散射及其光谱技术的应用[J]. 刘迎,罗雯倩,王汝丹,王兴.  中国激光. 2017(08)
[2]扩散光层析成像系统研究现状及发展[J]. 陈兴稣,王雪峰,苏金善,王元庆.  激光与红外. 2016(06)



本文编号：3051250