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组织光学测量中光子计数技术研究

作　者: 阮平巧
导　师: 高峰
学　校: 天津大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 微弱光检测扩散光学层析成像光子计数技术近红外光谱法荧光寿命
分类号: R318.51
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

生物医学光子学是在组织光学这一理论基础上发展起来的光医学和光生物学。组织光学可以理解为是关于光辐射与生物组织体相互作用的学问,它的基本研究方面首先包括研究光辐射能量在一定条件下在组织体内的分布,其次是发展在体组织光学的测量方法。一般生物医学光子学的研究和应用中所接收到的光信号是非常微弱的,所以如何实现弱光检测是应用于生物医学光子学的检测系统所必然要涉及的一个重要问题。一般使用光子计数方法来实现微弱光的检测,光子计数方法利用弱光照射下光子探测器输出电信号自然离散的特点,采用脉冲甄别技术和数字计数技术把极其弱的信号识别并提取出来。目前组织光学测量系统根据所使用的光源的不同,可分为连续光测量系统,时间分辨测量系统和频域测量系统。本文基于可编程逻辑技术设计了三个光子计数器,其中八通道可调门宽计数器可应用于连续光测量系统,它能用于新生儿大脑血液动力学研究和新陈代谢过程监视和脑功能成像;并行门控计数器和多通道光子计数分析仪可应用于时间分辨测量系统,它们能用于测量长寿命的荧光-磷光衰减信号的荧光强度和寿命等荧光特性参数。八通道门宽可调计数器的可调门宽使它能适用于不同时间分辨和信噪比的应用场合。每个计数通道都由双计数器组成,双计数器交替计数可以实现对输入脉冲信号的全程纪录,通过USB通信机制和循环存储器可以实时地把测量数据传回计算机,实现人体信息的实时监测。并行门控计数器的采样窗口门宽和多通道光子计数分析仪的通道门宽都大范围可调,使它们能应用于不同寿命的荧光-磷光衰减信号测量。用单组分对数方法和多组分Prony方法对计数器的测量结果进行处理,可以得到被测荧光-磷光的寿命,该荧光特性参数与生物体内的生化反应过程及其环境特征有关。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-7
第一章绪论  7-14
  1.1 引言  7-8
  1.2 研究背景  8-12
    1.2.1 光子生物医学诊断技术  8-11
    1.2.2 生物组织体光学参数的测量技术  11-12
  1.3 主要研究内容和论文框架  12-14
第二章微弱光信号的检测技术  14-28
  2.1 光电探测器  14-18
    2.1.1 光电倍增管（PMT）  15-17
    2.1.2 单光子雪崩光电二极管（SPAD）  17-18
  2.2 模拟技术与光子计数技术  18-19
  2.3 微弱光信号的检测技术  19-28
    2.3.1 锁相放大技术  19-20
    2.3.2 信号平均器  20-21
    2.3.3 光子计数方法  21-28
      2.3.3.1 动态取样计数器(Boxcar Photon Counter)  22-23
      2.3.3.2 门控光子计数器（Gated Photon Counter）  23-25
      2.3.3.3 多通道光子计数分析仪（Multiscaler）  25-27
      2.3.3.4 TCSPC 原理  27-28
第三章可编程逻辑设计技术及通信技术  28-37
  3.1 可编程逻辑设计技术简介  28
  3.2 FPGA/CPLD 的基本结构及设计流程  28-31
    3.2.1 FPGA 的基本结构  28-29
    3.2.2 CPLD 的基本结构  29-30
    3.2.3 FPGA/CPLD 的设计流程  30-31
  3.3 常用开发工具  31-34
    3.3.1 Verilog 语言和VHDL 语言  31-32
    3.3.2 QuartusII 软件  32
    3.3.3 Modelsim 软件  32-33
    3.3.4 MAXII EPM1270F256ES 开发板  33-34
  3.4 通信技术简介  34-37
    3.4.1 FT245BM 芯片简介  34-35
    3.4.2 芯片端控制器设计  35-36
    3.4.3 计算机端程序设计  36-37
第四章应用于稳态测量模式的八通道可调门宽计数器  37-51
  4.1 稳态测量模式的应用  37-38
  4.2 概要设计  38-39
  4.3 详细设计  39-46
    4.3.1 计算机命令解释控制器设计  39-42
    4.3.2 任意分频器设计  42-43
    4.3.3 双计数器设计  43
    4.3.4 SRAM 读写控制器设计  43-44
    4.3.5 循环存储器设计  44-45
    4.3.6 USB 控制器设计  45-46
  4.4 计算机端软件设计  46-47
  4.5 实验结果  47-49
  4.6 性能分析  49-50
  4.7 本章小结  50-51
第五章门控计数器（Gated Counter）设计  51-65
  5.1 应用背景  51
  5.2 荧光寿命的计算方法  51-56
    5.2.1 单组分对数方法  52-54
    5.2.2 多组分Prony 方法  54-56
  5.3 概要设计  56-57
  5.4 详细设计  57-58
    5.4.1 命令解释控制器设计  57
    5.4.2 延时信号和使能信号产生器设计  57-58
    5.4.3 累加计数器设计  58
  5.5 计算机端软件设计  58-59
  5.6 实验结果  59-64
  5.7 性能分析  64
  5.8 本章小结  64-65
第六章多通道光子计数分析仪（Multiscaler）设计  65-78
  6.1 应用背景  65-67
  6.2 概要设计  67-68
  6.3 详细设计  68-72
    6.3.1 命令解释控制器设计  68
    6.3.2 通道切换信号产生器Sequencer 设计  68-69
    6.3.3 预累加器Prescaler 设计  69
    6.3.4 SRAM 读写信号控制器SRAM-Controller 设计  69-71
    6.3.5 存储器界面控制器SRAM-Interface 设计  71-72
  6.4 计算机端软件设计  72
  6.5 实验结果  72-77
  6.6 性能分析  77
  6.7 本章小结  77-78
第七章总结与展望  78-80
参考文献  80-84
发表论文和科研情况说明  84-85
致谢  85

组织光学测量中光子计数技术研究

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