專利名稱：近紅外極化光子對光譜儀測量方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于一種近紅外極化光子對光譜儀測量方法與裝置，特別是指應(yīng)用雙頻率極化光子對在散射介質(zhì)中傳播以形成擴(kuò)散極化光子對密度波(Diffused Photon Pair Density Wave，DPPDW)，并測量擴(kuò)散極化光子對密度波(DPPDW)的相位及振幅，以還原物體影像的方法與裝置。
背景技術(shù)：
人體的組織屬于高濃度散射介質(zhì)(multiple scatteringmedium)具有散射系數(shù)遠(yuǎn)大于吸收系數(shù)的特性，一般在散射介質(zhì)中取得影像的方法都只是測量其吸收系數(shù)而得到明暗對比的影像，若是欲在高濃度散射介質(zhì)中取得物體影像，由于光波受到高度散射，造成影像模糊，進(jìn)而導(dǎo)致影像分辨率大幅下降，因此，若能降低光在高濃度散射介質(zhì)中的散射效應(yīng)，或是篩選出輕微散射的光子(snake photon)和直進(jìn)光子(ballistic photon)，提高對吸收系數(shù)的靈敏度，則可以有效提升在高濃度散射介質(zhì)中的影像分辨率。
然而篩選輕微散射光子和直進(jìn)光子的方式只適合在較低散射介質(zhì)中成像，目前在高濃度散射介質(zhì)中成像的方法主要分時(shí)域(time domain)和頻域(frequency domain)的成像技術(shù)，在頻率域技術(shù)中已提出了擴(kuò)散光子密度波(diffused photon density wave，DPDW)的概念，擴(kuò)散光子密度波(DPDW)滿足擴(kuò)散方程式(diffusion equation)，且能定量得到被測試物的吸收系數(shù)(absorption coefficient)與傳播散射系數(shù)(reduced scatteringcoefficient)，進(jìn)而還原散射介質(zhì)中物體的影像。頻率域技術(shù)是目前在高濃度散射介質(zhì)中成像較有效的方法，其缺點(diǎn)是空間分辨率不高。

發(fā)明內(nèi)容
為了改善上述缺點(diǎn)，本發(fā)明是提供一種近紅外極化光子對光譜儀測量方法及裝置，所述近紅外極化光子對光譜儀測量方法包括先將一雙頻率互相垂直偏極化光子對激光束入射至一高濃度散射介質(zhì)后，產(chǎn)生一擴(kuò)散極化光子對密度波(DPPDW)，再利用一空間掃描裝置對該高濃度散射介質(zhì)掃描，透過測量擴(kuò)散極化光子對密度波(DPPDW)的振幅及相位，而求得散射介質(zhì)的傳播散射系數(shù)μs’及吸收系數(shù)μa進(jìn)而還原該高濃度散射介質(zhì)中的影像。
此外更利用兩種或多種不同中心波長的雙頻率近紅外互相垂直激光束測量血氧飽和密度及其變化量，再借由空間掃描可求得血氧飽和濃度的影像。
本發(fā)明所述近紅外極化光子對光譜儀測量裝置包括一雙頻率偏極化激光光源，用以產(chǎn)生互相關(guān)聯(lián)、互相垂直的一雙頻率偏極化光子對激光束，該雙頻率偏極化光子對激光束進(jìn)入該散射介質(zhì)后會(huì)產(chǎn)生一擴(kuò)散極化光子對密度波；一參考光外差干涉信號(hào)，該參考光外差干涉信號(hào)的拍頻與該擴(kuò)散極化光子對密度波外差干涉信號(hào)的拍頻相同；一空間掃描裝置，是對該散射介質(zhì)作空間掃描；一光偵檢裝置，是偵測該擴(kuò)散極化光子對密度波；以及一信號(hào)處理裝置，用以計(jì)算通過該光偵檢裝置后的該擴(kuò)散極化光子對密度波的相位及振幅信號(hào)與空間分布，并求得散射介質(zhì)中的吸收系數(shù)與傳播散射系數(shù)的空間分布。該雙頻率偏極化激光光源產(chǎn)生雙頻率互相垂直的偏極化光子對激光束，其中光偵檢裝置，相對于該雙頻率偏極化激光光源的位置設(shè)置，而信號(hào)處理裝置，與該光偵檢裝置連接。
本發(fā)明所述的近紅外極化光子對光譜儀測量裝置，該雙頻率偏極化激光光源是為雙頻率圓偏極化激光光源，該雙頻率偏極化激光束是為雙頻率圓偏極化激光束，而該擴(kuò)散極化光子對密度波是由該雙頻率圓偏極化光子對激光束在散射介質(zhì)中產(chǎn)生。
本發(fā)明所述的近紅外極化光子對光譜儀測量裝置，該測量裝置更包括一偏振片，該圓偏極化擴(kuò)散極化光子對密度波通過該偏振片及該光偵檢裝置后，產(chǎn)生一外差干涉信號(hào)。
本發(fā)明所述的近紅外極化光子對光譜儀測量裝置，該測量裝置更包括一極化分光鏡以及一差動(dòng)放大裝置，該擴(kuò)散極化光子對密度波通過該極化分光鏡，并同時(shí)分別在該光偵檢裝置上產(chǎn)生外差干涉信號(hào)，并輸入到該差動(dòng)放大裝置以形成雙頻率差動(dòng)式近紅外極化光子對光譜儀。
本發(fā)明所述的近紅外極化光子對光譜儀測量裝置，該雙頻率偏極化激光光源是為雙頻率線偏極化激光光源，該雙頻率偏極化激光束是為雙頻率線偏極化激光束，而該擴(kuò)散極化光子對密度波是由該雙頻率線偏極化光子對激光束在散射介質(zhì)中產(chǎn)生。
本發(fā)明所述的近紅外極化光子對光譜儀測量裝置，該測量裝置更包括一偏振片，該線偏極化光子對激光束通過該偏振片后產(chǎn)生一互相平行的線偏極化光子對激光束。
本發(fā)明所述的近紅外極化光子對光譜儀測量裝置，該測量裝置更包括一λ/2波片以及一極化分光鏡，該線偏極化光子對激光束通過該λ/2波片后，造成線偏極化光子對激光束極化方向旋轉(zhuǎn)一角度，再通過該極化分光鏡，并使該光偵檢裝置上產(chǎn)生的外差干涉信號(hào)輸入到差動(dòng)放大裝置中，形成線偏極化差動(dòng)式近紅外極化光子對光譜儀。
本發(fā)明所述的近紅外極化光子對光譜儀測量裝置，該測量裝置更包括有一差動(dòng)放大裝置，該差動(dòng)放大裝置與該信號(hào)處理裝置電性連接，使該擴(kuò)散極化光子對密度波具有較佳的信噪比及穩(wěn)定性。
本發(fā)明所述的近紅外極化光子對光譜儀測量裝置，該雙頻率偏極化激光光源是為多組具有不同中心波長的雙頻率偏極化激光光源，并且同時(shí)測量不同中心波長的該擴(kuò)散極化光子對密度波的振幅及相位信號(hào)，以計(jì)算血氧飽和度，并經(jīng)由空間掃描得到血氧飽和度影像。
本發(fā)明是提供一種近紅外極化光子對光譜儀測量方法及裝置，主要是利用雙頻率、圓偏極化或線偏極化激光束在高濃度散射介質(zhì)中傳播而形成擴(kuò)散極化光子對密度波(diffused photonpair density wave，DPPDW)，基于光學(xué)外差干涉技術(shù)和極化光子對的同調(diào)性(coherence)及共同路徑(common-path)，而從外差干涉信號(hào)中測量擴(kuò)散極化光子對密度波(DPPDW)的相位與振幅的大小，再借由相位延遲與振幅衰減參數(shù)隨信號(hào)光纖和偵測光纖的間距離的改變而計(jì)算出散射介質(zhì)的吸收系數(shù)μa與傳播散射系數(shù)μs’，同時(shí)亦可借由固定多個(gè)不同位置的信號(hào)光纖和偵測光纖和多個(gè)不同的間隔距離，同時(shí)計(jì)算出散射介質(zhì)的吸收系數(shù)與傳播散射系數(shù)的空間分布，以達(dá)成在高濃度散射介質(zhì)中得到物體的影像。
本發(fā)明更提供一種可實(shí)時(shí)測得血液中血氧飽和濃度(Hemoglobin saturation，SaO2)以及血氧飽和濃度分布影像的近紅外極化光子對光譜儀測量方法及裝置。利用兩種或多種不同中心波長的雙頻率近紅外偏極化激光束借由含氧血紅素(Oxyhemoglobin，HbO2)和不含氧血紅素(Deoxyhemoglobin，Hb)對同一近紅外光波長有不相同的吸收系數(shù)，以獲得血液中血氧飽和濃度(Hemoglobin saturation，SaO2)的實(shí)時(shí)測量，并更能進(jìn)一步借由同時(shí)掃描信號(hào)光纖和偵測光纖或多個(gè)固定在不同位置及不同間隔距離的信號(hào)光纖及偵測光纖而取得血氧飽和濃度的空間分布影像。


圖1是為近紅外極化光子對光譜儀測量方法流程圖；圖2是為近紅外極化光子對光譜儀測量血氧飽和度方法流程圖；圖3是為近紅外極化光子對光譜儀測量裝置的第一實(shí)施例的示意圖；圖4是為近紅外極化光子對光譜儀測量裝置的第二實(shí)施例示意圖；圖5是為近紅外極化光子對光譜儀測量裝置的第三實(shí)施例示意圖；圖6是為近紅外極化光子對光譜儀測量裝置的第四實(shí)施例示意圖；圖7是為第四實(shí)施例中參考光外差干涉參考信號(hào)；圖8是為近紅外極化光子對光譜儀測量裝置的第五實(shí)施例示意圖；圖9是為第五實(shí)施例中雙頻率線偏極化光子對激光束(P波+S波)旋轉(zhuǎn)角度示意圖；圖10是為近紅外極化光子對光譜儀測量裝置的第六實(shí)施例示意圖；圖11a、11b在一個(gè)均勻10％的Intralipid-10％溶液中，擴(kuò)散極化光子對密度波的(如圖11a所示)振幅球面波前(單位為dBm)與(如圖11b所示)相位球面波前(單位為度)；圖12a、12b在三種不同體積濃度的Intralipid(精制卵磷脂)溶液中，擴(kuò)散極化光子對密度波的振幅衰減(如圖12a所示)與相位延遲(如圖12b所示)對信號(hào)光纖及偵測光纖的距離r的線性關(guān)系圖；圖13a、13b在15％體積濃度的Intralipid-10％溶液中，在加入吸收物india ink(印度墨水)前與加入吸收物india ink后擴(kuò)散極化光子對密度波的振幅衰減(如圖13a所示)與相位延遲(如圖13b所示)對距離r的反應(yīng)；圖14a、14b在15％體積濃度的Intralipid-10％溶液中，在三種雙頻率極化光子對激光光源拍頻下擴(kuò)散極化光子對密度波的振幅衰減(如圖14a所示)與相位延遲(如圖14b所示)對距離r的線性關(guān)系圖；圖15雙頻率極化光子對激光光源拍頻為20MHz，Intralipid-10％溶液的體積濃度對所測得的溶液傳播散射系數(shù)的線性關(guān)系圖；圖16在15％體積濃度的Intralipid-10％溶液中，雙頻率極化光子對激光光源拍頻為20MHz，所加入的吸收物Methylene-Blue(亞甲藍(lán))濃度對所測得的溶液吸收系數(shù)的線性關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式
為了讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特別舉出較佳實(shí)施例，并配合所附圖，作詳細(xì)說明如下。
請參閱圖1、3，本發(fā)明的近紅外極化光子對光譜儀測量方法步驟如下a.將一雙頻率互相垂直的圓或線偏極化光子對激光束410或420入射至一高濃度散射介質(zhì)260后，產(chǎn)生一擴(kuò)散極化光子對密度波(DPPDW)430或440；b.利用一空間掃描裝置24對該高濃度散射介質(zhì)260掃描；c.借偏振片280、光偵檢裝置290、帶通濾波裝置310及信號(hào)處理裝置320測量該擴(kuò)散極化光子對密度波(DPPDW)的相位及振幅，而空間掃描裝置24包括信號(hào)光纖240和偵測光纖270；d.利用已量得的擴(kuò)散極化光子對密度波(DPPDW)的相位變化和振幅衰減信號(hào)的空間分布，可求得吸收系數(shù)μa和傳播散射系數(shù)μs’的空間分布，進(jìn)而還原散射介質(zhì)260中的物體影像。
請參閱圖2、4，本發(fā)明更可透過下列步驟求得血液中的血氧飽和度，首先，a.將二種或多種不同中心波長的雙頻率互相垂直的圓或線偏極化光子對激光束410或420入射至一高濃度散射介質(zhì)260后，產(chǎn)生一擴(kuò)散極化光子對密度波(DPPDW)430或440；b.利用一空間掃描裝置24對該高濃度散射介質(zhì)260掃描；c.濾光片350或351，借偏振片280或281、光偵檢裝置290或291、信號(hào)放大裝置300或301、帶通濾波裝置310或311及信號(hào)處理裝置320測量該擴(kuò)散極化光子對密度波(DPPDW)的相位及振幅，而空間掃描裝置24包括信號(hào)光纖240和偵測光纖270；d.利用兩組不同中心波長的雙頻率偏極化激光光源100、101在散射介質(zhì)中產(chǎn)生擴(kuò)散極化光子對密度波(DPPDW)，并借由掃描裝置24和光偵檢裝置290、291可求得血氧飽和濃度的分布影像。
第一實(shí)施例請參閱圖3，雙頻率圓偏極化激光光源100可輸出一互相關(guān)聯(lián)(correlated)、相互垂直(orthogonal)的圓偏極化光子對激光束410，該圓偏極化光子對激光束410具有圓偏極化R波和L波，其對應(yīng)的頻率分別為ωR與ωL，當(dāng)雙頻率圓偏極化光子對激光束410經(jīng)過分光鏡200后，由分光鏡200將雙頻率圓偏極化光子對激光束410分成信號(hào)光束450和參考光束460，信號(hào)光束經(jīng)由顯微物鏡210聚焦后，輸入到信號(hào)光纖240并進(jìn)入散射介質(zhì)260中，此時(shí)雙頻率圓偏極化光子對激光束410會(huì)形成擴(kuò)散極化光子對密度波(DPPDW)430，同時(shí)參考光束460經(jīng)由反射面鏡220及偏振片230送入光偵檢裝置250，以產(chǎn)生參考光外差干涉信號(hào)，而信號(hào)光束450進(jìn)入偵測光纖270后，經(jīng)過一偏振片(analyzer)280、光偵檢裝置290、信號(hào)放大裝置300及帶通濾波裝置310，最后與參考光束460一起輸入信號(hào)處理裝置320中。
第二實(shí)施例請參閱圖3，雙頻率圓偏極化激光光源100可輸出一互相關(guān)聯(lián)(correlated)、相互垂直(orthogonal)的圓偏極化光子對激光束410，該圓偏極化光子對激光束410具有圓偏極化R波和L波，其對應(yīng)的頻率分別為ωR與ωL，或是利用雙頻率線偏極化激光光源500輸出一互相關(guān)聯(lián)、相互垂直的線偏極化光子對激光束420，該線偏極化光子對激光束420具有線偏極化P波和S波，其對應(yīng)的頻率分別為ωP與ωS。另外，雙頻率偏極化激光光源100亦可為一單頻穩(wěn)頻線偏極化激光結(jié)合一電光調(diào)制器(或聲光調(diào)制器)、偏振片以及λ/4波片形成雙頻率圓偏極化光子對激光束410，同時(shí)雙頻率偏極化激光光源100亦可為一單頻穩(wěn)頻線偏極化激光結(jié)合一電光調(diào)制器或聲光調(diào)制器及偏振片是用以產(chǎn)生雙頻率線偏極化光子對激光束420。另外，當(dāng)雙頻率偏極化激光光源100包含一單頻穩(wěn)頻線偏極化半導(dǎo)體激光結(jié)合電流調(diào)制、偏振片及波片，亦可形成雙頻率圓(或線)偏極化光子對激光束410或420。
如圖3，雙頻率圓偏極化光子對激光束410，經(jīng)過分光鏡200后，將雙頻率圓偏極化光子對激光束410分成信號(hào)光束450和參考光束460，信號(hào)光束經(jīng)由顯微物鏡210聚焦后，輸入到信號(hào)光纖240中，同時(shí)參考光束460經(jīng)由反射面鏡220及偏振片230送入光偵檢裝置250，以產(chǎn)生參考光外差干涉信號(hào)，參考光外差干涉信號(hào)可寫成Ir(Δωt)＝DC+Гcos(Δωt)--------------------------------------------(1)Ir為參考光外差干涉信號(hào)的強(qiáng)度，Δω＝ωR-ωL為外差干涉信號(hào)的拍頻，DC為直流信號(hào)大小，Г為參考光外差干涉信號(hào)的振幅大小，t為時(shí)間坐標(biāo)。信號(hào)光纖240輸出的雙頻率偏極化光子對激光束在散射介質(zhì)260中擴(kuò)散形成擴(kuò)散極化光子對密度波(DPPDW)430，在平行距離r以外安置另一條完全相同的偵測光纖270用來偵測擴(kuò)散極化光子對密度波(DPPDW)430，擴(kuò)散極化光子對密度波(DPPDW)430通過偏振片280，在光偵檢裝置290產(chǎn)生外差干涉信號(hào)，由信號(hào)放大裝置300和帶通濾波裝置310將外差干涉信號(hào)輸出到信號(hào)處理裝置320(例如鎖相放大裝置)量取振幅及相位，其中信號(hào)光纖240可由點(diǎn)光源取代，而偵測光纖270可由小面積光偵檢裝置取代。信號(hào)光束450通過散射介質(zhì)260所產(chǎn)生外差干涉信號(hào)可進(jìn)一步寫成(2) I是信號(hào)強(qiáng)度，Δω為外差干涉信號(hào)的拍頻，t為時(shí)間坐標(biāo)，02為擴(kuò)散極化光子對密度波(DPPDW)的能量通量率(rate of energyfluence)，k2為擴(kuò)散極化光子對密度波(DPPDW)的波數(shù)(wavenumber)，k2＝k2r+ik2i。其中k2r、k2i分別為擴(kuò)散極化光子對密度波(DPPDW)的波數(shù)k2的實(shí)數(shù)部分和虛數(shù)部分，k2r、k2i對應(yīng)于散射介質(zhì)260的吸收特性及散射特性，r是信號(hào)光纖240和偵測光纖270的間隔距離，ΔΦ是相位差。
k2r＝[3μa(μs′+μa]1/2-----------------------------------------------(3)μs′、μa分別為散射介質(zhì)260的傳播散射系數(shù)和吸收系數(shù)，由方程式(2)可求得在圖3中信號(hào)光纖240和偵測光纖270分別在不同間隔距離r0和r，外差干涉信號(hào)在散射介質(zhì)260中的振幅衰減
In(II0)=[In(r0r)-k2rΔr]---(4)]]>I0和I分別是在r0和r的外差干涉信號(hào)光強(qiáng)度大小，其中Δr＝r-r0。同理ΔΦ為相位差，可表示成ΔΦ=nΔωc(3μs′4μa)1/2·r=k2i---(5)]]>k2i=nΔωc(3μs′4μa)1/2---(6)]]>n為散射介質(zhì)的折射率，Δω為外差干涉信號(hào)的拍頻，c為真空中的光速，μs′、μa分別為擴(kuò)散極化光子對密度波(DPPDW)在散射介質(zhì)260中的傳播散射系數(shù)和吸收系數(shù)，k2i為擴(kuò)散極化光子對密度波(DPPDW)的波數(shù)k2的虛數(shù)部分，它對應(yīng)散射介質(zhì)260的散射特性。由方程式(3)和(6)求得μs′=2ck2rk2i3n(Δω)---(7)]]>μa=nΔω2c(k2rk2c)---(8)]]>因此散射介質(zhì)260的特性μs′、μa可由圖3裝置中所測量到的外差干涉信號(hào)的振幅衰減和相位延遲求得。
如圖4所示，本發(fā)明裝置可同時(shí)使用另一個(gè)不同中心波長的雙頻率圓偏極化激光光源101經(jīng)過反射面鏡102、分光鏡103及200，經(jīng)由前述相同的光學(xué)系統(tǒng)將雙頻率圓偏極化光子對激光束510在散射介質(zhì)260中形成擴(kuò)散極化光子對密度波(DPPDW)440。雙頻率圓偏極化光子對激光束510經(jīng)由分光片201、濾光片351及偏振片231及光偵檢裝置251中形成參考光的外差干涉信號(hào)，同時(shí)信號(hào)光束450經(jīng)由分光片340、濾光片351、偏振片281，在光偵檢裝置291產(chǎn)生外差干涉信號(hào)，由信號(hào)放大裝置301和帶通濾波裝置311將外差干涉信號(hào)輸出到信號(hào)處理裝置320(例如鎖相放大裝置)量取振幅及相位，以達(dá)到形成雙波長近紅外極化光子對光譜儀的測量功能。本發(fā)明利用分光片340、濾光片350及351可將不同中心波長λ1、λ2的擴(kuò)散極化光子對密度波(DPPDW)分開并同時(shí)測量其振幅及相位信號(hào)大小。
進(jìn)一步說明，如圖4所示，亦可由兩組雙頻率線偏極化激光光源輸出不同中心波長相互垂直的線偏極化光子對激光束420、520，P波(平行于X坐標(biāo)軸)與S波(平行于Y坐標(biāo)軸)，其時(shí)間頻率分別為ωP與ωS，而Z軸為激光光傳播方向。當(dāng)偏振方向相互垂直不同中心波長λ1、λ2的雙頻率圓偏極化光子對激光束410、510進(jìn)入高濃度散射介質(zhì)260中時(shí)，由于雙頻率圓偏極化光子對激光束410、510經(jīng)過一連串的碰撞事件(events)，而形成不同中心波長λ1、λ2的擴(kuò)散極化光子對密度波(DPPDW)430、440，同時(shí)極化光子對的空間同調(diào)性程度(degree of spatial coherence)和極化程度(Degree of polarization，DOP)因而下降，因此僅有仍然維持相互關(guān)聯(lián)(correlation)的圓偏極化光子對(circular polarizedphoton pair，CPPP)，才能產(chǎn)生外差干涉信號(hào)并可通過光偵檢裝置中以Δω＝ωR-ωL為中心頻率的帶通濾波裝置(Band pass filter，BPF)310、311，由于產(chǎn)生外差干涉信號(hào)的極化光子對在高濃度散射介質(zhì)260中屬于經(jīng)過較少碰撞事件的雙頻率圓偏極化光子對激光束410，而能保留較多的偏極化特性及空間同調(diào)性。因此本發(fā)明可經(jīng)由極化光篩選(polarization gating)和空間同調(diào)篩選(spatial coherence gating)，進(jìn)而篩選散射程度較低的雙頻率圓偏極化光子對(CPPP)并形成擴(kuò)散極化光子對密度波(DPPDW)，它們同時(shí)亦滿足擴(kuò)散方程式。同理，本發(fā)明方法及裝置亦可用不同波長λ1、λ2雙頻率線偏極化光子對激光束420、520，借由圖4完成近紅外極化光子對光譜儀。
圖4中，激光光源除了以雙頻率線圓偏極化激光光源100、101作為實(shí)施外，也可以雙頻率線偏極化激光光源500、501作為實(shí)施，故進(jìn)入偵測光纖270的雙頻率圓(或線)擴(kuò)散極化光子對密度波410或420經(jīng)過一偏振片(analyzer)280或281即可有效的將互相垂直的雙頻率圓(或線)偏極化光子對激光束410及510，或420及520轉(zhuǎn)換成相互平行的雙頻率線偏極化光子對激光束420’，最后被光偵檢裝置300所接收，它所產(chǎn)生的外差干涉信號(hào)，其強(qiáng)度可表示為I(Δωt)＝DC+γcos(Δωt+ΔΦ)----------------------------------------(9)I為信號(hào)強(qiáng)度，Δω為外差干涉信號(hào)的拍頻，t為時(shí)間坐標(biāo)，DC為直流信號(hào)大小，γ為擴(kuò)散極化光子對密度波(DPPDW)的振幅，ΔФ為其相位延遲，由擴(kuò)散極化光子對密度波(DPPDW)的相位延遲和振幅衰減信號(hào)可獲得散射介質(zhì)的μs′和μa。再借空間掃描由擴(kuò)散方程式求出μs′和μa的空間分布以達(dá)到在高濃度散射介質(zhì)260中利用擴(kuò)散極化光子對密度波(DPPDW)430或440還原影像的目的。
第三實(shí)施例本實(shí)施例是將本發(fā)明應(yīng)用于二度空間的實(shí)施例，利用一雙頻率圓(或線)偏極化激光光源100或101的裝置在高濃度散射介質(zhì)260中還原待檢測物610的影像。請參閱圖5，本發(fā)明透過雙頻率圓(或線)偏極化激光光源100或101，例如奇曼氦-氖激光(Zeeman He-Ne laser)，產(chǎn)生雙頻率互相關(guān)聯(lián)(correlated)且相互垂直(orthogonal)的圓偏極化光子對(circular polarized photonpair，CPPP)或線偏極化光子對(linear polarized photon pairLPPP)激光束410或420，圓(或線)偏極化光子對激光束410或420可入射到高濃度散射介質(zhì)260以及待檢測物610中，而產(chǎn)生擴(kuò)散圓(或線)極化光子對密度波(DPPDW)430或440。接著，擴(kuò)散極化光子對密度波(DPPDW)430或440通過光偵檢裝置290或291，直接測量擴(kuò)散極化光子對密度波(DPPDW)的振幅(amplitude)及相位(phase)，實(shí)時(shí)測量散射介質(zhì)的吸收系數(shù)μa和傳播散射系數(shù)μs′，而μs′＝μs(1-g)。μs為散射系數(shù)，g為散射介質(zhì)的非均向性參數(shù)(scattering anisotropic parameter)，并且該雙頻率圓(或線)偏極化激光光源100或101以及光偵檢裝置290或291可于二度空間中位移掃描，再借由擴(kuò)散方程式的解求得μs′和μa的空間分布圖，以取得散射介質(zhì)中的光學(xué)特性(μs′，μa)變化的空間分布，以還原物體影像。另外，更進(jìn)一步借由含氧血紅素(Oxyhemoglobin，HbO2)和不含氧血紅素(Deoxyhemoglobin，Hb)對同一波長有不相同的吸收系數(shù)，同時(shí)利用兩種不同中心波長λ1、λ2的雙頻率圓偏極化激光光源或兩種不同中心波長λ1、λ2的雙頻率線偏極化激光光源，實(shí)時(shí)測量血液中血氧飽和濃度(Hemoglobinsaturation，SaO2)，再借由二度空間掃描，更能進(jìn)一步取得血氧飽和濃度的分布影像。
將雙頻率圓(或線)偏極化激光光源100或101和光偵檢裝置290或291對散射介質(zhì)260共同位移并做二維(2-D)和三維(3-D)掃描，從獲得擴(kuò)散極化光子對密度波(DPPDW)430或440的振幅和相位的數(shù)據(jù)可求得μs′和μa的空間分布，再利用擴(kuò)散方程式將物體在散射介質(zhì)260中還原成像。雙頻率偏極化激光光源100或101和光偵檢裝置290或291的數(shù)目可適當(dāng)調(diào)整以求得最佳的成像效果。
第四實(shí)施例請參閱圖6，不同中心波長λ1、λ2的雙頻率線偏極化激光光源500、501輸出一互相關(guān)聯(lián)、相互垂直但不同中心波長λ1、λ2的雙頻率線偏極化光子對激光束710、720，雙頻率線偏極化光子對激光束710、720在通過方位角對X軸為θ的偏振片280后，可產(chǎn)生相互平行但不同中心波長的雙頻率線偏極化光子對激光束420’(如圖7)，再由分光片200將互相平行的雙頻率線偏極化光子對激光束420’分成信號(hào)光束450和參考光束460，信號(hào)光束450經(jīng)由顯微物鏡210聚焦后，輸入到信號(hào)光纖240中，同時(shí)參考光束460經(jīng)由分光鏡201分光成二路，一路(中心波長為λ1)經(jīng)過濾光片351、光偵檢裝置251，并產(chǎn)生外差干涉參考光信號(hào)，另一路(中心波長為λ2)經(jīng)由反射面鏡220、濾光片350送入光偵檢裝置250并產(chǎn)生外差干涉信號(hào)，再一并輸出到信號(hào)處理裝置320，而雙頻率線偏極化光子對激光束710、720經(jīng)過信號(hào)光纖240的另一端，在平行距離r以外安置另一條完全相同的偵測光纖270，通過分光鏡340后分為二路，一路(中心波長為λ1)經(jīng)過濾光片351、光偵檢裝置291、信號(hào)放大裝置301以及帶通濾波裝置311，最后進(jìn)入信號(hào)處理裝置320，另一路(中心波長為λ2)經(jīng)過濾光片350輸入光偵檢裝置290中，由信號(hào)放大裝置300和帶通濾波裝置310輸入到信號(hào)處理裝置320中，同理，圖6亦可利用一組不同中心波長的雙頻率圓偏極化激光光源100、101亦會(huì)輸出一互相關(guān)聯(lián)、相互垂直的雙頻率圓偏極化光子對激光束410或420，并經(jīng)過反射面鏡102將雙頻率圓偏極化光子對激光束410或420反射至分光鏡103，后續(xù)的光路及其信號(hào)處理經(jīng)過相同于雙頻率線偏極化激光光源500、501，本段不再贅述，借由分光鏡340和濾光片351、350分別將中心波長λ1、λ2的擴(kuò)散極化光子對密度波(DPPDW)分開并且同時(shí)測量其振幅及相位信號(hào)大小。
第五實(shí)施例請參閱圖8，雙頻率線偏極化激光光源600通過λ/2波片104，將雙頻率線偏極化光子對激光束610(P波+S波)旋轉(zhuǎn)一角度θ(如圖9)，再利用分光片190分成信號(hào)光束450及參考光束460，信號(hào)光束450經(jīng)由顯微物鏡210聚焦后，輸入到信號(hào)光纖240中，信號(hào)光纖240的另一端輸出信號(hào)光束并在散射介質(zhì)260中擴(kuò)散形成擴(kuò)散極化光子對密度波(DPPDW)440，在平行距離r以外安置另一條完全相同的偵測光纖270用來偵測擴(kuò)散極化光子對密度波(DPPDW)440，擴(kuò)散極化光子對密度波(DPPDW)440經(jīng)過一極化光分光鏡130將擴(kuò)散極化光子對密度波(DPPDW)440(P波+S波)在極化光分光鏡130的X軸方向和Y軸方向的分量分開并輸入到光偵檢裝置140、150和信號(hào)放大裝置160、170中產(chǎn)生外差干涉信號(hào)，它們可表示成Ix(Δωt)＝DC+γcos(Δωt+ΔΦ)-----------------------------------(10)Iy(Δωt)＝DC-γcos(Δωt+ΔΦ)-----------------------------------(11)Ix為x軸方向的信號(hào)強(qiáng)度，Iy為y軸方向的信號(hào)強(qiáng)度，DC為直流信號(hào)，γ為擴(kuò)散極化光子對密度波(DPPDW)的振幅，ΔΦ為擴(kuò)散極化光子對密度波(DPPDW)的相位延遲，借由差動(dòng)放大裝置180可將兩組信號(hào)相減成為平衡偵檢電路(balanced detector circuit)，ΔI＝Ix-Iy＝2γcos(Δωt+ΔФ)---------------------------------------(12)并送入信號(hào)處理裝置320中，量取擴(kuò)散極化光子對密度波(DPPDW)440的振幅衰減和相位差，其中參考光信號(hào)460經(jīng)過偏振片195及光偵檢裝置250并輸入到信號(hào)處理器320。完成差動(dòng)式近紅外極化光子對光譜儀裝置，以求得外差干涉信號(hào)的振幅衰減和相位延遲，并提高偵測的靈敏度和信噪比值(SNR)。
第六實(shí)施例請參閱圖10，同理，本實(shí)施例將不同中心波長λ1、λ2的雙頻率圓偏極化光子對激光光源100、101可經(jīng)λ/4波片105、106而使雙頻率圓偏極化光子對激光束410轉(zhuǎn)變成雙頻率線偏極化光子對激光束，而構(gòu)成雙波長雙頻率圓偏極化差動(dòng)式近紅外極化光子對光譜儀。
由于血液中血紅素(hemoglobin)的吸收系數(shù)μa在缺氧狀態(tài)(Hb)和充氧狀態(tài)(Hb02)對不同近紅外光波長λ1、λ2(例如λ1＝780nm，λ2＝850nm)有明顯的不同，并可由方程式(13)～(16)實(shí)時(shí)求得血氧飽和濃度(SaO2)的變化。
Δμa(λ1)=ϵHbλ1ΔHb+ϵHbO2λ1ΔHbO2---(13)]]>Δμa(λ2)=ϵHbλ2ΔHb+ϵHbO2λ2ΔHbO2---(14)]]>ΔHb=ϵHbO2λ2Δμ2aλ1-ϵHbO2λ1Δ2aλ2(ϵHbλ1ϵHbO2λ2-ϵHbλ2ϵHbO2λ1)---(15)]]>ΔHbO2=ϵHbλ2Δμ2aλ1-ϵHbλ1Δμ2aλ2(ϵHbO2λ1ϵHbλ2-ϵHbO2λ2ϵHbλ1)---(16)]]>其中ΔHb、ΔHbO2、Δμa分別為缺氧血紅素濃度、充氧血紅素濃度和血紅素吸收系數(shù)的變化量，εHbλ1、εHbO2λ1、εHbλ2、εHbO2λ2分別為血紅素在缺氧和充氧狀態(tài)下對不同波長λ1和λ2的莫耳消光系數(shù)(molarextinction coefficient)，均為已知參數(shù)。由本發(fā)明裝置可求得擴(kuò)散極化光子對密度波(DPPDW)在血液中的振幅衰減和相位延遲，再依照方程式(3)～(8)計(jì)算出血紅素的μs′和μa。利用不同波長λ1和λ2可精確求得血紅素吸收系數(shù)μa(λ1)和μa(λ2)的值，并完成血氧飽和濃度變化的實(shí)時(shí)測量，同時(shí)亦可借由空間掃描配合擴(kuò)散方程式的解得到血氧飽和濃度的影像。本發(fā)明提出一種差動(dòng)式近紅外極化光子對光譜儀測量方法及裝置，并利用圓偏極化光子對激光束或線偏極化光子對激光束可有效的獲得散射介質(zhì)的光學(xué)特性(μa，μs′)的測量，經(jīng)由掃描被測試物體，再配合擴(kuò)散方程式的解可對在散射介質(zhì)中物體成像，同時(shí)亦可借由兩種不同中心波長的雙頻率圓(或線)偏極化激光光源精確且實(shí)時(shí)測量不同波長的μs′(λ)和μa(λ)值，更進(jìn)一步測得缺氧血紅素濃度Hb、充氧血紅素濃度HbO2的變化量和血氧飽和濃度SaO2的變化量，并經(jīng)由掃描得到血氧飽和濃度的影像。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖11a至圖16為以圖3的系統(tǒng)架構(gòu)所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中圖11a、11b的實(shí)驗(yàn)情形是在一個(gè)均勻10％的Intralipid-10％溶液中，擴(kuò)散極化光子對密度波的(圖11a)振幅球面波前(單位為dBm)與(圖11b)相位球面波前(單位為度(degree))實(shí)驗(yàn)結(jié)果的圖表，而圖12a、12b是在三種不同體積濃度的Intralipid溶液中，擴(kuò)散極化光子對密度波的(圖12a)振幅衰減與(圖12b)相位延遲對信號(hào)光纖及偵測光纖的間隔距離r的線性關(guān)系圖，圖13a、13b是在15％體積濃度(volume concentration)的Intralipid-10％溶液中，在加入吸收物india ink前與加入吸收物india ink后擴(kuò)散極化光子對密度波的振幅衰減(圖13a)與相位延遲(圖13b)對距離r的反應(yīng)，圖14a、14b是在15％體積濃度的Intralipid-10％溶液中，在三種光源拍頻(1.8MHZ，2.6MHZ，20MHZ)下擴(kuò)散極化光子對密度波的振幅衰減(圖14a)與相位延遲(圖14b)對距離r的線性關(guān)系圖，圖15是光源拍頻為20MHz，Intralipid-10％溶液的體積濃度對所測得的溶液傳播散射系數(shù)的線性關(guān)系圖，圖16是在15％體積濃度的Intralipid-10％溶液中，光源拍頻為20MHz，所加入的吸收物(absorber)Methylene-Blue濃度對所測得的溶液吸收系數(shù)的線性關(guān)系圖，由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可證實(shí)此系統(tǒng)的可行性。
以上所述僅為本發(fā)明較佳實(shí)施例，然其并非用以限定本發(fā)明的范圍，任何熟悉本項(xiàng)技術(shù)的人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可在此基礎(chǔ)上做進(jìn)一步的改進(jìn)和變化，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)以本申請的權(quán)利要求書所界定的范圍為準(zhǔn)。
附圖中符號(hào)的簡單說明如下100、101～雙頻率圓偏極化激光光源102、220～反射面鏡103、190、200、201、340～分光鏡104～λ/2波片
105～λ/4波片130、131～極化光分光鏡140、141、142、150、250、251、290、291、330、331～光偵檢裝置160、161、162、170、300、301～信號(hào)放大裝置180～差動(dòng)放大裝置195、230、231、280、281～偏振片210～顯微物鏡24～空間掃描裝置240～信號(hào)光纖260～散射介質(zhì)270～偵測光纖300、301～信號(hào)放大裝置310、311～帶通濾波裝置320～信號(hào)處理裝置350、351～濾光片410、510～圓偏極化光子對激光束420、520、710、720～線偏極化光子對激光束420’～雙頻率線偏極化光子對激光束430、440～擴(kuò)散極化光子對密度波(DPPDW)450～信號(hào)光束460～參考光束500、501、600～雙頻率線偏極化激光光源610～待檢測物
權(quán)利要求
1.一種近紅外極化光子對光譜儀測量方法，其特征在于所述近紅外極化光子對光譜儀測量方法包括以下步驟a.將一雙頻率圓或線偏極化光子對激光束入射至一高濃度散射介質(zhì)后，產(chǎn)生一擴(kuò)散極化光子對密度波；b.利用一空間掃描裝置對該高濃度散射介質(zhì)作空間掃描，以偵測該擴(kuò)散極化光子對密度波；c.再透過一光偵檢裝置接收該空間掃描裝置掃描到的該擴(kuò)散極化光子對密度波；d.透過一信號(hào)處理裝置計(jì)算通過該光偵檢裝置后的該擴(kuò)散極化光子對密度波的相位及振幅信號(hào)空間分布，并計(jì)算該散射介質(zhì)的傳播散射系數(shù)和吸收系數(shù)的空間分布，以還原該高濃度散射介質(zhì)中的影像。
2.一種近紅外極化光子對光譜儀測量方法，其特征在于所述近紅外極化光子對光譜儀測量方法包括以下步驟a.將至少二種不同中心波長的雙頻率偏極化光子對激光束入射至一高濃度散射介質(zhì)后，產(chǎn)生一擴(kuò)散極化光子對密度波；b.利用一空間掃描裝置于該高濃度散射介質(zhì)作空間掃描，以偵測該擴(kuò)散極化光子對密度波；c.再透過一光偵檢裝置接收該空間掃描裝置掃描到的該擴(kuò)散極化光子對密度波；d.借由缺氧血紅素及充氧血紅素對同一波長有不相同的吸收系數(shù)反應(yīng)，完成雙波長或多波長近紅外極化光子對光譜儀測量方法。
3.一種近紅外極化光子對光譜儀測量裝置，應(yīng)用于散射介質(zhì)中以求得物體影像，其特征在于所述近紅外極化光子對光譜儀測量裝置包括一雙頻率偏極化激光光源，用以產(chǎn)生互相關(guān)聯(lián)、互相垂直的一雙頻率偏極化光子對激光束，該雙頻率偏極化光子對激光束進(jìn)入該散射介質(zhì)后會(huì)產(chǎn)生一擴(kuò)散極化光子對密度波；一參考光外差干涉信號(hào)，該參考光外差干涉信號(hào)的拍頻與該擴(kuò)散極化光子對密度波外差干涉信號(hào)的拍頻相同；一空間掃描裝置，是對該散射介質(zhì)作空間掃描；一光偵檢裝置，是偵測該擴(kuò)散極化光子對密度波；以及一信號(hào)處理裝置，用以計(jì)算通過該光偵檢裝置后的該擴(kuò)散極化光子對密度波的相位及振幅信號(hào)與空間分布，并求得散射介質(zhì)中的吸收系數(shù)與傳播散射系數(shù)的空間分布。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的近紅外極化光子對光譜儀測量裝置，其特征在于該雙頻率偏極化激光光源是為雙頻率圓偏極化激光光源，該雙頻率偏極化激光束是為雙頻率圓偏極化激光束，而該擴(kuò)散極化光子對密度波是由該雙頻率圓偏極化光子對激光束在散射介質(zhì)中產(chǎn)生。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的近紅外極化光子對光譜儀測量裝置，其特征在于該測量裝置更包括一偏振片，該圓偏極化擴(kuò)散極化光子對密度波通過該偏振片及該光偵檢裝置后，產(chǎn)生一外差干涉信號(hào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的近紅外極化光子對光譜儀測量裝置，其特征在于該測量裝置更包括一極化分光鏡以及一差動(dòng)放大裝置，該擴(kuò)散極化光子對密度波通過該極化分光鏡，并同時(shí)分別在該光偵檢裝置上產(chǎn)生外差干涉信號(hào)，并輸入到該差動(dòng)放大裝置以形成雙頻率差動(dòng)式近紅外極化光子對光譜儀。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的近紅外極化光子對光譜儀測量裝置，其特征在于該雙頻率偏極化激光光源是為雙頻率線偏極化激光光源，該雙頻率偏極化激光束是為雙頻率線偏極化激光束，而該擴(kuò)散極化光子對密度波是由該雙頻率線偏極化光子對激光束在散射介質(zhì)中產(chǎn)生。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的近紅外極化光子對光譜儀測量裝置，其特征在于該測量裝置更包括一偏振片，該線偏極化光子對激光束通過該偏振片后產(chǎn)生一互相平行的線偏極化光子對激光束。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的近紅外極化光子對光譜儀測量裝置，其特征在于該測量裝置更包括一λ/2波片以及一極化分光鏡，該線偏極化光子對激光束通過該λ/2波片后，造成線偏極化光子對激光束極化方向旋轉(zhuǎn)一角度，再通過該極化分光鏡，并使該光偵檢裝置上產(chǎn)生的外差干涉信號(hào)輸入到差動(dòng)放大裝置中，形成線偏極化差動(dòng)式近紅外極化光子對光譜儀。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的近紅外極化光子對光譜儀測量裝置，其特征在于該測量裝置更包括有一差動(dòng)放大裝置，該差動(dòng)放大裝置與該信號(hào)處理裝置電性連接。
11.根據(jù)權(quán)利要求3所述的近紅外極化光子對光譜儀測量裝置，其特征在于該雙頻率偏極化激光光源是為多組具有不同中心波長的雙頻率偏極化激光光源，并且同時(shí)測量不同中心波長的該擴(kuò)散極化光子對密度波的振幅及相位信號(hào)，以計(jì)算血氧飽和度，并經(jīng)由空間掃描得到血氧飽和度影像。
全文摘要
本發(fā)明是一種近紅外極化光子對光譜儀測量方法及裝置，測量方法的步驟為先將一雙頻率圓或線偏極化光子對激光束入射至一高濃度散射介質(zhì)后，產(chǎn)生一擴(kuò)散極化光子對密度波，再利用一空間掃描裝置對該高濃度散射介質(zhì)掃描，以偵測擴(kuò)散極化光子對密度波的振幅及相位，而求得散射介質(zhì)的傳播散射系數(shù)和吸收系數(shù)，進(jìn)而在散射介質(zhì)中還原物體影像，此外，更利用二種或多種不同中心波長的雙頻率極化近紅外激光束，實(shí)時(shí)測量血氧飽和濃度及其變化量，再借由空間掃描可求得血氧飽和濃度的影像。
文檔編號(hào)G01J3/00GK1799505SQ20051000004
公開日2006年7月12日 申請日期2005年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月5日
發(fā)明者周晟, 詹益欣, 吳政雄, 俞力平 申請人:周晟