多通道时间相关单光子计数DOT/FMT系统集成和操作平台开发

论文摘要

光学分子成像技术以其在特异性、灵敏性、实时性和安全性等一系列重要指标已经成为分子影像领域的热点研究领域。时域测量模式在信息完整性、数据灵活性、系统稳定性、以及随之体现的成像质量、稳健性、多参数和多组分重建等诸多关键性能上具有其它测量模式不可比拟的综合优势,已经成为当前扩散光学成像和荧光分子成像技术的主要研究趋势。随着时间相关单光子计数和超短激光脉冲技术的进步,时间分辨测量的成本和复杂性大为降低,基于数字式时间相关单光子计数（Time-correlated Single Photon Counting, TCSPC）技术的多通道时间分辨系统成为时域测量的主要方法。本课题的研究目标是通过建立可扩展的多通道时间相关单光子计数DOT/ FMT系统,为相关图像重建理论提供实验验证,探明时域FMT技术实现的可行性、潜在极限性能和系统优化配置方案,为后续的基础理论研究和实用系统发展提供一个基本测量平台和技术切入点。研究内容主要是以现有的单通道高速TCSPC时间分辨测量系统为基础探索构建16通道（4个并行检测通道）DOT/FMT测量实验系统,研究并解决与此相关的关键科学和技术问题,主要包括:系统总体方案优化、系统响应校正、和测量自动化等。目前硬件扩展已经成功实现,并在LabVIEW平台上开发出了一套集测量、显示、存储、校正为一体的集成控制/操作软件平台,经过初步对荧光分子层析实验进行了验证,获得较好的重建效果,并且扩展系统在自动化程度,兼容性,操控性等方面均达到设计目标。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 生物组织体光学参数的测量方法
• 1.2.1 连续光（CW）测量方法
• 1.2.2 频域（FD）测量方法
• 1.2.3 时域（TD）测量方法
• 1.3 DOT／FMT理论
• 1.3.1 扩散光学层析成像（DOT）
• 1.3.2 荧光分子层析成像（FMT）
• 1.3.3 DOT/FMT 测量模式
• 1.4 本文主要内容
• 第二章时间相关单光子计数技术（TCSPC）工作原理
• 2.1 光子计数技术
• 2.2 时间相关单光子计数（TCSPC）原理
• 2.3 时间相关单光子计数模块SPC-134
• 2.3.1 逆反始终（Reversed Start-Stop）原理
• 2.3.2 常量鉴别器（CFD）
• 2.3.3 时间幅度转换器（TAC）和AD转换器
• 2.3.4 参数优化
• 2.4 本章小结
• 第三章时间相关单光子计数系统（TCSPC）扩展
• 3.1 单通道TCSPC系统组成
• 3.1.1 光源
• 3.1.2 探测器
• 3.1.3 探测器控制器
• 3.1.4 单光子计数模块
• 3.1.5 光纤及电缆
• 3.2 多通道TCSPC系统扩展
• 3.2.1 控制方案
• 3.2.2 硬件集成
• 3.2.3 整体搭建
• 3.3 本章小结
• 第四章系统集成软件设计
• 4.1 软件结构分析
• 4.2 需求分析
• 4.2.1 目标
• 4.2.2 功能需求
• 4.2.3 性能需求
• 4.2.4 运行环境描述
• 4.3 开发平台
• 4.4 程序设计关键技术
• 4.4.1 LabVIEW外部程序接口——DLL 调用
• 4.4.2 同步技术——队列
• 4.4.3 文件I/O
• 4.4.4 动态程序控制技术——多面板程序设计
• 4.5 模块设计开发
• 4.5.1 SPC-134 初始化模块
• 4.5.2 SPC-134 参数设置模块
• 4.5.3 SPC-134 测量模块（单步测量模式）
• 4.5.4 光开关切换模块（单步测量模式）
• 4.5.5 连续测量模块
• 4.6 界面设计
• 4.7 本章小结
• 第五章系统集成实验测试
• 5.1 原点校正基本理论
• 5.1.1 原点校正的方法
• 5.1.2 平均飞行时间的推导
• 5.1.3 平均飞行时间的计算
• 5.2 系统响应函数测量方法改进
• 5.3 集成系统实验测试
• 5.3.1 单步测量
• 5.3.2 连续测量
• 5.4 本章小结
• 第六章总结与展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢