基于差分时间数字转换光子计数技术的时域扩散光学成像系统研究

时域扩散光学成像（time domain diffuse optical imaging, TD-DOI）作为一种先进的组织光学成像技术，通过时间相关单光子计数(time-correlated single photon counting, TCSPC)系统可实现生物组织吸收系数与散射系数的定量重建，从而精确评估组织氧代谢、血流灌注等关键生理参数。然而，受限于TCSPC系统固有的硬件复杂性、高成本特性，目前难以实现临床场景下在体多通道动态监测的规模化应用需求。本文发展了一种双通道差分混合触发参考信号策略，通过结合差分时间数字转换（time-to-digital converter, TDC）器件和光子计数技术，构建稳定可靠的时间扩展曲线（time point spread function, TPSF）测量体系，实现了激光同步信号与出射光子信号时间延迟的亚纳秒级精确标定。实验验证数据显示，所发展系统时间分辨率为55 ps，在2.3×10⁴ 光子/s计数率条件下，TPSF波动系数可稳定控制在1.35%以内（积分时间1 s）。针对组织仿体的光学参数反演测试表明，组织光学参数反演精度方面，吸收系数与约化散射系数的平均反演误差分别在5.39%和4.34%以内。该技术方案显著提升了TD-DOI多通道并行检测可行性，特别适用于脑皮层血氧饱和度动态监测等生物医学场景，为开发新一代穿戴式光学脑功能成像设备奠定了技术基础。