用于漫射光檢測(cè)的光子計(jì)數(shù)鎖相檢測(cè)系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、穩(wěn)態(tài)擴(kuò)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(duì)較深的穿透深度實(shí)現(xiàn)器官級(jí)的人體信息檢測(cè)，其優(yōu)點(diǎn)包括無(wú)創(chuàng)、無(wú)電離、時(shí)間分辨率高以及適合臨床連續(xù)監(jiān)測(cè)等。CW DOI通常需要測(cè)量組織體在不同光波長(zhǎng)從多個(gè)源點(diǎn)激勵(lì)下表面其它各點(diǎn)的漫反射光流分布，由此帶來(lái)光源波長(zhǎng)與源點(diǎn)位置編碼的問(wèn)題。當(dāng)前大多數(shù)CW DOI系統(tǒng)采用時(shí)分復(fù)用光源編碼方式，該方式測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)難以滿足

2、某些快速變化生理信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的要求。為此，本文提出了光源頻分復(fù)用編碼與探測(cè)器輸出信號(hào)數(shù)字鎖相檢測(cè)解復(fù)用的實(shí)現(xiàn)方案，減少了測(cè)量時(shí)間，提高了測(cè)量結(jié)果的時(shí)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(cè)系統(tǒng)包括光源、波分復(fù)用器、光子計(jì)數(shù)探測(cè)器、FPGA數(shù)字鎖相檢測(cè)電路、通信與數(shù)模轉(zhuǎn)換電路以及上位機(jī)軟件部分。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)存在測(cè)量暗噪聲較大，測(cè)量結(jié)果信噪比不夠好，入射光強(qiáng)與源探距離均不變的情況下測(cè)量結(jié)果間或出現(xiàn)粗大誤差現(xiàn)象以

3、及FPGA檢測(cè)系統(tǒng)與PC機(jī)上位機(jī)之間數(shù)據(jù)傳輸速率不滿足要求等問(wèn)題。
　　 針對(duì)以上問(wèn)題，本文分別進(jìn)行了原因分析、改進(jìn)方案設(shè)計(jì)以及改進(jìn)效果的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。針對(duì)暗噪聲高與信噪比不夠好的問(wèn)題，研究了實(shí)驗(yàn)條件對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，采用了纖芯更細(xì)的光纖；針對(duì)測(cè)量結(jié)果中間或出現(xiàn)的粗大誤差現(xiàn)象進(jìn)行了前端探測(cè)器輸出信號(hào)的阻抗匹配以及FPGA輸入異步信號(hào)進(jìn)行了同步化處理；針對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率不滿足要求的問(wèn)題，采用向量模式的CORDIC算法在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了

4、均方根運(yùn)算模塊，以此減輕上位機(jī)工作負(fù)擔(dān)且減少了實(shí)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(duì)以上改進(jìn)方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，改進(jìn)后的系統(tǒng)在相同源探距離下的測(cè)量值變化規(guī)律與實(shí)際入射光強(qiáng)變化規(guī)律基本一致，二者最大相對(duì)誤差為7.32％；在更大源探距離范圍內(nèi)測(cè)量結(jié)果的信噪比達(dá)到了35dB以上；在16-30mm源探距離范圍內(nèi)，雙通道測(cè)量值與解析解結(jié)果變化規(guī)律基本一致，相對(duì)誤差保持在17％以內(nèi)。改進(jìn)后的系統(tǒng)暗噪聲測(cè)量值明