用于脑功能成像的多通道近红外光漫射成像系统.pdf

本发明涉及用于脑功能研究的多通道近红外光漫射成像系统，属于医疗设备技术领域。本发明包括近红外激光源、多通道光纤切换器、多光源多探测器的反射式探头、光电信号采集放大电路系统、安装有数据采集卡的计算机以及在计算机上运行的负责信号采集控制和成像的程序；所述的探头为多光源多探测器的反射式探头，是以一块柔软材质制成的矩形薄片为基底。光源和探测器按照一一对应的关系在该薄片上均匀排列，光源和光源之间按照矩形阵列的方式进行排列，每个探测器或光源嵌于每4个相邻的光源或探测器组成的矩形区域的中点。此外，本发明采用了对比成像的方式，可消除通道间不匹配所造成的影响。本发明具有无创、便携、稳定的等特点，可实时动态的成像，更加直观易懂。比较适合临床应用。

1、  种用于脑功能研究的多通道近红外光漫射成像系统，包括近红外光源、光纤切换器，探头，光电信号采集放大电路系统和带数据采集卡的计算机以及在计算机上运行的负责信号采集控制和成像的程序；该光源通过尾纤与光纤切换器的输入端相连，该探头分别与光纤切换器的输出端和光电信号采集放大电路系统相连，该计算机与光纤切换器的另一输入端相连，同时还与该光电信号采集放大电路系统相连；其特征在于，所述的探头为多光源多探测器的反射式探头，是以一块柔软材质制成的矩形薄片为基底，m×m个光源和n×n个探测器均匀的分布在该薄片上，其中，m和n均为≥1的正整数，且不同时为1，该光源和探测器按照一一对应的关系在该薄片上均匀排列，光源和光源之间按照矩形阵列的方式进行排列，每个探测器或光源嵌于每4个相邻的光源或探测器组成的矩形区域的中点。

2、  如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的m和n均为1≤m、n≤5；所述的探测器和光源的距离在1厘米到4厘米之间。

用于脑功能成像的多通道近红外光漫射成像系统
技术领域
本发明属于医疗设备技术领域，特别涉及用于脑功能研究的成像系统设计。
背景技术
目前关于脑功能研究的主要设备PET(正电子断层成像)和fMRI(脑功能型核磁共振成像)。这两种设备都是有损的，而且在某些情况下不宜应用(比如对婴儿、孕妇、或对脑部穴位进行针灸等情况下)。PET成像和MRI成像造价和成本都很高，而且应用不便。相比之下，近红外光成像设备虽然成像分辨率不如PET和fMRI，但是成本低，而且相对比较便携，可以较方便的应用与各种场合。
近红外光谱技术主要是利用了人体组织对近红外光具有吸收和散射的特性。而组织中血液是最主要的近红外光的吸收物质，因此近红外光检测技术对于血液和血氧的变化是非常敏感的。关于近红外光成像系统，本申请发明人之前已经做过了不少相关的工作，并取得了初步的成果。包括一种数字化近红外光医学成像及异物定位系统和数字化近红外光漫射断层成像系统。
数字化近红外光医学成像系统(专利申请号：03145957.9)，它采用高频近红外光激光作为检测光源，通过接收透过人体的光子，对人体的软组织如乳腺等生理组织进行成像，具有性能稳定，可靠性好，分辨率高等特点。但是对于脑功能成像而言，近红外光几乎无法穿透整个头颅，而且该系统所采用的扫描投影成像方式也不适合脑功能成像。
一种数字化近红外光漫射断层成像系统，它采用的是单波长，连续波的测量方法，其结构如图1所示。系统的组成包括光源、光纤切换器，探头，光电信号采集放大电路系统和带NI-DAQ数据采集卡的计算机。由于假设要进行断层成像的目标的横截面都是圆形，系统中所采用的探头也是环形的结构。光源和探测器均匀的分布于环形探头上。图中“○”代表光源，即光纤发射头，“●”代表探测器，即硅光电二极管。图1中系统所采用的探头为8个光源和8个接收器的结构，在扫描成像过程中，通过光纤切换器依次点亮每一路光源，并同时读取所有8个接收器所测得的光强数据。这样一次扫描过程总共得到64(8×8)个数据，读入计算机之后通过有限元剖分和一种空间位置加权的梯度重建算法可以重建出被测目标在横截面上的光学参数分布的断层图像。但是对于脑功能研究来说，这种探头的结构存在着一些难以克服的缺陷。比如，由于人脑头骨的难以穿透性以及头发对光的传播的影响，在某个光源发光的时候，通常也就是其周围相邻的两个探测器能接受到微弱的光信号，而其他位置的探测器除了背景噪声可以说基本上接受不到任何光信号。这样得到的数据会大大的降低断层成像的图像的结果。此外，这种系统对探头的设计要求比较高，为了提高测量的精确性，通常要求光源和探测器都垂直的紧贴着被测物体的表面，但是由于人脑形状大小的不规则性，设计一个能够在临床实验中适用性很广的探头是非常困难的。因此这种系统不适用于临床脑功能研究实验。通常它使用的场合是软组织成像或者是小动物实验。
发明内容
本发明的目的在于为克服已有技术的不足之处，设计一种适合用于脑功能脑功能成像的多通道近红外光漫射成像系统，主要是对探头的结构进行了改进，使之能用于检测一个特定区域内的血氧和血流的变化情况(比如前额)，能对相应区域的大脑皮层的活动进行二维成像，适用于临床脑功能研究。
本发明提出的一种用于脑功能研究的多通道近红外光漫射成像系统，包括近红外光源、光纤切换器，探头，光电信号采集放大电路系统和带数据采集卡的计算机以及在计算机上运行的负责信号采集控制和成像的程序；该光源通过尾纤与光纤切换器的输入端相连，该探头分别与光纤切换器的输出端和光电信号采集放大电路系统相连，该计算机与光纤切换器的另一输入端相连，同时还与该光电信号采集放大电路系统相连；其特征在于，所述的探头为多光源多探测器的反射式探头，是以一块柔软材质制成的矩形薄片为基底，m×m个光源和n×n个探测器均匀的分布在该薄片上，其中，m和n均为≥1的正整数，且不同时为1，该光源和探测器按照一一对应的关系在该薄片上均匀排列，光源和光源之间按照矩形阵列的方式进行排列，每个探测器或光源嵌于每4个相邻的光源或探测器组成的矩形区域的中点。
本发明地特点主要是以已有的数字化近红外光医学成像系统为基础，对探头结构进行了改进，利用均匀分布的一组光源—探测器组合的探头，光源和相应的探测器之间的距离较小(通常为1-4厘米)，探测器接收光源发射的经人脑组织折射之后的近红外光信号来检测光源与探测器之间的区域内一定深度的血液和血氧的变化情况。根据近红外光在浑浊物质中传播的最可几路径理论，探测器和光源之间的距离决定了探测器所接收到的光信号在人脑中所走过的路径的深度。这种方式具有实时性强，可连续监测等特点。但是只能局限于某个较小的区域内。在本发明中，将这种“光源—探测器”的组合由一组推广为多组，在二维空间中按照一定的规律排列，使之能用于检测一个较大区域内的血氧和血流的变化情况(比如前额)，并能对相应区域的大脑皮层的活动进行动态的二维成像。
附图说明
图1为已有的一种数字化近红外光漫射断层成像系统的结构框图。
图2为本发明的系统结构框图。
图3为本发明中的探头的结构原理示意图。
图4为本发明的扫描成像程序流程图。
图5为本发明中的探头的其他形式的示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行进一步的说明。
本发明的用于脑功能成像的多通道近红外光漫射成像系统结构如图2所示。包括光源(本实施例采用808nm激光器)、光纤切换器，探头，光电信号采集放大电路系统和带数据采集卡(本实施例采用NI-DAQ采集卡)的计算机；该光源通过尾纤与光纤切换器的输入端相连，探头分别与光纤切换器的输出端和光电信号采集放大电路系统相连，计算机与光纤切换器的另一输入端相连，同时还与光电信号采集放大电路系统相连。可以看出，本发明的基本组成与图1所示的数字化近红外光漫射断层成像系统的构成相同，实质性的区别是对探头的结构进行了改进。本发明采用的探头为多光源多探测器的反射式探头，是以一块柔软材质制成的矩形薄片为基底，m×m个光源和n×n个探测器均匀的分布在薄片上其中，m和n均为≥1的正整数，且不同时为1，光源和探测器按照一一对应的关系在探头基底上均匀排列。光源和光源之间按照矩形阵列的方式进行排列，每个探测器或光源嵌于每4个相邻的光源或探测器组成的矩形区域的中点。图中“○”代表与光源(本实施例为与激光器相连的光纤头)；“■”表示探测器(在本实施例中为硅光电二极管)。在临床脑功能研究中，该探头可以紧贴在人脑头皮上。保证光源和探测器充分的接触头皮，减少边界效应和环境光的干扰。
本发明的一种探头结构实施例如图3所示，即采用2×2个光源加3×3个探测器的结构，图3中的圆圈表示光源即光纤头，里面的数字对应其光纤切换器上的光通道号。方块代表探测器，其中的数字代表其所对应的采集系统的通道号。相邻的探头之间的距离分布是4.5厘米(水平方向)和2.5厘米(垂直方向)，组成的矩形区域大小为9×5厘米。光源和探测器之间的距离是2.5厘米。理论上的穿透深度可达到2厘米。在脑功能测试中基本上可以反映人脑皮层的血氧活动情况。每个光源和它临近的探测器组成一个光源—探测器组，它们之间的信号衰减反映了它们之间的区域一定深度下人体组织对近红外光的吸收情况。例如，光源1和探测器1配对，它们检测的是区域(1，1)的情况。光源1同时又和探测器2、4、5配对，分别监测区域(2，1)，(1，2)和(2，2)的情况。
本发明采用上述探头结构的扫描成像程序流程如图4所示，包括以下步骤：每次扫描成像开始之间，需要对系统进行一些初始化，如通过预先编程的方式人为的设置每个通道对应的放大倍数。然后控制光纤切换器使光源输出到1号光纤，为了得到比较稳定的测量结果，在光源切换之后等待0.5秒，然后读取相应的4个探测器所测得的光信号数据。对于1号光纤来说，相应的探测器通道是1、2、4、5。完成4个光源的切换之后。将得到的16组数据按照空间分布情况进行整理。在对整理好的数据进行二维插值之后可用于绘制灰度图或伪彩图像，可以很直观的反映被测目标的光吸收情况。
为了消除各路光纤的输出光强和探测器通道之间的差异所带来的误差，本发明在实际的应用中采用的是一种对比成像的方式。这种方式在前面提及的数字化近红外光漫射断层成像系统中也采用了。简单说来就是对于同一个被测目标，在两个不同时刻采得的两组数据进行一一比较，例如分别相除，对比之后的成像结果反映的是被测目标的光学参数在这两个不同时刻所发生的变化情况。这种成像方式应用在临床脑功能研究上，通常以被测试者处于某种正常的状态下测量的一组数据作为参考数据，随后对被测试者进行某种刺激之后测得的数据均与参考数据进行对比，结果反映的是被测试者某个部分的光学参数变化情况。对于头部而言，其反映的主要是大脑皮层的血容量和血流量的变化情况，从而进一步反映大脑特定区域的功能。
本发明探头的结构并不局限于图3所描述的这种结构，根据实际的实验情况可以对光源和探测器的数目进行扩展，如4×4个探测器中嵌3×3个光源，或者4×4个光源加5×5个探测器，当然也可以是一个光源加四个探测器这样的简易结构。但是由于探测器和光源的距离决定了探测深度，因此距离不能过小也不能过大，距离太小检测不到深层组织的信息，距离太大了光信号被吸收过多，探测器接收到的信号太弱。通常来说距离应该介于1厘米到4厘米之间，2到3厘米是最佳选择。因此对于用于脑功能成像的探头而言，光源和探测器数目也不能无限的增加，通常不会超过5×5个探测器或5×5个光源这样的结构。此外在图3所描述的这种探头结构中也可以把光源和探测器进行替换，换成探测器嵌于光源之中的结构，如图5所示。把原来光源的位置换成探测器，而探测器的位置换成光源。这样的2×2个探测器加3×3个光源的结构，减少了探测器的数目，从而减少了光电信号采集系统的通道数目，进一步降低了硬件的成本并提高了硬件的稳定性和易操作性，但是由于一次扫描过程中需要进行9次光纤切换，从而增加了扫描的时间，降低了成像的速度。