用于漫射光檢測的光子計數(shù)鎖相檢測系統(tǒng)與實驗研究.pdf

1、穩(wěn)態(tài)擴散光學(xué)成像(Continuous Wave Diffuse Optical Imaging，CW DOI)利用近紅外光在組織體內(nèi)相對較深的穿透深度實現(xiàn)器官級的人體信息檢測，其優(yōu)點包括無創(chuàng)、無電離、時間分辨率高以及適合臨床連續(xù)監(jiān)測等。CW DOI通常需要測量組織體在不同光波長從多個源點激勵下表面其它各點的漫反射光流分布，由此帶來光源波長與源點位置編碼的問題。當(dāng)前大多數(shù)CW DOI系統(tǒng)采用時分復(fù)用光源編碼方式，該方式測量時間長難以滿足

2、某些快速變化生理信號實時監(jiān)測的要求。為此，本文提出了光源頻分復(fù)用編碼與探測器輸出信號數(shù)字鎖相檢測解復(fù)用的實現(xiàn)方案，減少了測量時間，提高了測量結(jié)果的時間分辨率。
　　 圍繞上述方案所搭建的穩(wěn)態(tài)雙通道漫射光檢測系統(tǒng)包括光源、波分復(fù)用器、光子計數(shù)探測器、FPGA數(shù)字鎖相檢測電路、通信與數(shù)模轉(zhuǎn)換電路以及上位機軟件部分。實驗發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)存在測量暗噪聲較大，測量結(jié)果信噪比不夠好，入射光強與源探距離均不變的情況下測量結(jié)果間或出現(xiàn)粗大誤差現(xiàn)象以

3、及FPGA檢測系統(tǒng)與PC機上位機之間數(shù)據(jù)傳輸速率不滿足要求等問題。
　　 針對以上問題，本文分別進行了原因分析、改進方案設(shè)計以及改進效果的實驗驗證。針對暗噪聲高與信噪比不夠好的問題，研究了實驗條件對測量結(jié)果的影響，采用了纖芯更細的光纖；針對測量結(jié)果中間或出現(xiàn)的粗大誤差現(xiàn)象進行了前端探測器輸出信號的阻抗匹配以及FPGA輸入異步信號進行了同步化處理；針對數(shù)據(jù)傳輸速率不滿足要求的問題，采用向量模式的CORDIC算法在FPGA內(nèi)部實現(xiàn)了

4、均方根運算模塊，以此減輕上位機工作負擔(dān)且減少了實際需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，提高了有效數(shù)據(jù)傳輸速率。
　　 最后針對以上改進方案進行了實驗驗證。結(jié)果表明，改進后的系統(tǒng)在相同源探距離下的測量值變化規(guī)律與實際入射光強變化規(guī)律基本一致，二者最大相對誤差為7.32％；在更大源探距離范圍內(nèi)測量結(jié)果的信噪比達到了35dB以上；在16-30mm源探距離范圍內(nèi)，雙通道測量值與解析解結(jié)果變化規(guī)律基本一致，相對誤差保持在17％以內(nèi)。改進后的系統(tǒng)暗噪聲測量值明