一種組織體局部血氧飽和度變化量拓?fù)涑上裱b置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種組織體局部血氧飽和度變化量拓?fù)涑上裱b置，包括光源單元、探測(cè)單元和計(jì)算機(jī)，光源單元包括激光控制器、三個(gè)不同波長(zhǎng)的近紅外激光器、波分復(fù)用器和1:9光開關(guān)；探測(cè)單元包括光纖布配器，9根源光纖、4根探測(cè)光纖、用于準(zhǔn)直反射光的準(zhǔn)直器、對(duì)輸出光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)節(jié)的濾光輪、探測(cè)光子的四個(gè)光電倍增管、路由器以及多維單光子計(jì)數(shù)模塊TCSPC；本發(fā)明成像方法基于最小二乘擬合算法和動(dòng)態(tài)水吸收修正算法，最小二乘擬合算法具有在目標(biāo)體尺寸和源探距離相近時(shí)仍能較好重建異質(zhì)體形狀和參數(shù)值的優(yōu)勢(shì)。動(dòng)態(tài)水吸收修正算法能夠消除水背景對(duì)光吸收的影響，進(jìn)而使得氧合血紅蛋白和還原紅蛋白濃度的變化更加精確。
【專利說(shuō)明】一種組織體局部血氧飽和度變化量拓?fù)涑上裱b置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于近紅外組織光學(xué)時(shí)域拓?fù)涑上耦I(lǐng)域，具體涉及一種基于最小二乘擬合 算法和動(dòng)態(tài)水吸收修正算法的三波長(zhǎng)時(shí)域光學(xué)拓?fù)涑上裱b置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近紅外光譜學(xué)（NIRS)利用組織體在"治療窗口（600-9000nm)"的光學(xué)特性對(duì)在 體組織的血氧飽和度進(jìn)行探測(cè)。選擇"治療窗口（600-900nm)"范圍內(nèi)的波長(zhǎng)，可以獲得光 在組織體中更大的穿透深度 [1]。與傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)診斷和成像設(shè)備（如X射線、腦電圖、核磁共 振）相比，近紅外光成像不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)活體組織的無(wú)損傷及實(shí)時(shí)的探測(cè)和成像，還可以 直接獲取組織體的生理信息 [2]。目前已有很多基于NIRS的系統(tǒng)被開發(fā)并應(yīng)用于神經(jīng)系統(tǒng) 科學(xué)，神經(jīng)心理學(xué)以及腦機(jī)接口領(lǐng)域。
[0003] 目前腦功能成像主要采用的方法是功能磁共振成像（functional MRI, fMRI)，但 該方法只能間接測(cè)量總的血紅蛋白濃度（Total Haemoglobin, cHbT),對(duì)于更能有效反映組 織體生理狀態(tài)的血氧飽和度卻無(wú)能為力（oxygen saturation,
【權(quán)利要求】
1. 一種組織體局部血氧飽和度變化量拓?fù)涑上裱b置，包括光源單元、探測(cè)單元和計(jì)算 機(jī)，其特征在于： 所述光源單元包括激光控制器（1)、三個(gè)不同波長(zhǎng)的近紅外激光器（2)、波分復(fù)用器 (3)和1:9光開關(guān)（4);三個(gè)激光器（2)產(chǎn)生的不同波長(zhǎng)的近紅外激光由多路單模光纖耦合 到所述波分復(fù)用器（3)后由一路光纖輸出；所述1:9光開關(guān)（4)用于實(shí)現(xiàn)在不同的光源入 射位置間進(jìn)行切換； 激光器（2)為近紅外皮秒脈沖半導(dǎo)體激光器，激光器（2)的脈沖半高寬為40?80ps ; 三個(gè)激光器（2)的波長(zhǎng)在650?950nm，且個(gè)激光器（2)之間波長(zhǎng)的差值50?150nm ; 所述探測(cè)單元包括光纖布配器（6)、9根源光纖（5)、4根探測(cè)光纖（7)、用于準(zhǔn)直反射光 的準(zhǔn)直器（8)、對(duì)輸出光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)節(jié)的濾光輪（9)、探測(cè)光子的四個(gè)光電倍增管PMT(10)、路 由器（11)以及多維單光子計(jì)數(shù)模塊TCSPC(12);其中： 所述源光纖（5)用于傳導(dǎo)照射到待測(cè)組織體表面不同源位置的入射光； 所述光纖布配器（6)用于布配源光纖（5)和探測(cè)光纖（7)在待測(cè)組織體表面的位置； 所述探測(cè)光纖（7)用于傳導(dǎo)由待測(cè)組織體表面不同探測(cè)位置反射的漫反射光； 所述濾光輪（9)內(nèi)裝有3?6個(gè)不同衰減系數(shù)的中值密度衰減片； 所述路由器（11)用以辨別四個(gè)光電倍增管（10)探測(cè)到的多維漫反射光信號(hào)； 所述多維單光子計(jì)數(shù)模塊TCSPC(12)用以記錄多維漫反射光信號(hào)的時(shí)間點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)； 所述激光控制器（1)、所述波分復(fù)用器（3)、所述濾波輪（9)、所述路由器（11)和所述多 維單光子計(jì)數(shù)模塊TCSPC (12)均連接至所述計(jì)算機(jī)（13)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述一種組織體局部血氧飽和度變化量拓?fù)涑上裱b置，其特征在 于，三個(gè)激光器（2)的波長(zhǎng)分別為660nm、780nm和830nm。
3. -種局部血氧飽和度變化量拓?fù)涑上穹椒?，其特征在于，采用如?quán)利要求1或2所述 組織體局部血氧飽和度變化量拓?fù)涑上裱b置，并包括以下步驟： 步驟一、數(shù)據(jù)采集，包括： 利用光纖布配器（6)將9根源光纖（5)和4根探測(cè)光纖（7)固定在待測(cè)組織體表面； 其中，9根源光纖（5)形成的源點(diǎn)按照三行三列等距布置，相鄰兩個(gè)源點(diǎn)的距離為1?3cm ; 4根探測(cè)光纖（7)形成的探測(cè)點(diǎn)分別位于相鄰4個(gè)源點(diǎn)的中心位置；每個(gè)源點(diǎn)和與其相鄰 的探測(cè)點(diǎn)之間形成有一采樣點(diǎn)； 將待測(cè)組織體處于靜息狀態(tài)時(shí)記作rest狀態(tài)，將待測(cè)組織體處于任務(wù)狀態(tài)時(shí)記作 task狀態(tài)； 用波分復(fù)用器（3)耦合之后的激光束依次激勵(lì)所述9個(gè)源點(diǎn)，并用濾光輪（9)中的 衰減片進(jìn)行衰減，然后再入射到4個(gè)光電倍增管（10)的陰極，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)， 4個(gè)光電倍增管（10)的電信號(hào)經(jīng)過路由器（11)辨別之后最終送達(dá)多維單光子計(jì)數(shù)模塊 TCSPC(12)進(jìn)行單光子計(jì)數(shù)，在與每個(gè)源點(diǎn)相鄰的探測(cè)點(diǎn)同時(shí)獲取采樣點(diǎn)在rest狀態(tài)和 task狀態(tài)下的時(shí)間點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)； 將待測(cè)組織體處于rest狀態(tài)時(shí)的16個(gè)采樣點(diǎn)的時(shí)間點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)表示為：
(1) 將待測(cè)組織體處于task狀態(tài)時(shí)的16個(gè)采樣點(diǎn)的時(shí)間點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)表示為：
(2) 公式（1)和公式（2)中：i = 1，2, 3 ;j = 1，2,…，16, λ i分別表示上述三個(gè)波長(zhǎng)，p』 分別表示上述16個(gè)采樣點(diǎn)，rest表示組織體處于靜息狀態(tài)，task表示組織體處于任務(wù)狀 態(tài)，t是時(shí)間點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)中的自變量； 最終得到96個(gè)時(shí)間點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)，其中包括48個(gè)rest狀態(tài)下的時(shí)間點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)和48 個(gè)taskt狀態(tài)下的時(shí)間點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)； 步驟二、數(shù)據(jù)處理，包括： 2-1、平面半無(wú)限空間外推邊界條件下，組織體表面距源點(diǎn)P處的探測(cè)點(diǎn)反射光流量 表達(dá)式如下：
(3) 公式（3)中
P為相鄰源和探測(cè)器之間的幾 何距離；c為光在真空中的傳播速度；κ為擴(kuò)散系數(shù)；μ 3為組織體的吸收系數(shù)，Z(|為實(shí)際邊 界距離，zb為外推邊界距離，t為時(shí)間自變量；設(shè)本專利所采用檢測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)響應(yīng)函數(shù)為 IRF(t)，實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的靜息狀態(tài)下時(shí)間點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)為IRF(t)與1^stR(P，t)的卷積即
(4) 對(duì)公式（4)運(yùn)用最小二乘擬合算法，用在步驟一中獲得的rest狀態(tài)下的時(shí)間點(diǎn)擴(kuò)展函 數(shù)得出每個(gè)采樣點(diǎn)處組織體在三個(gè)波長(zhǎng)下的的吸收系數(shù)，進(jìn)一步求出組織體中氧合血紅蛋 白、脫氧血紅蛋白和水三種物質(zhì)在rest狀態(tài)下各自的濃度； 再根據(jù)下述的過定方程求出消除水吸收之后修正的氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的 濃度；
(5) 公式（5)中
和
分別表示組織體處于靜息狀態(tài)時(shí)在三個(gè)波長(zhǎng)下的吸 收系數(shù)，
和
分別表示水在三個(gè)波長(zhǎng)下的消光系數(shù)，
：表示組織體處于靜息 狀態(tài)時(shí)水的濃度，
和
分別表示氧合血紅蛋白在三個(gè)波長(zhǎng)下的消光系數(shù)，
和
分別表示脫氧血紅蛋白在三個(gè)波長(zhǎng)下的消光系數(shù)，
和
分別表示消 除水吸收之后修正的組織體處于靜息狀態(tài)時(shí)氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的濃度； 再利用求出rest狀態(tài)下組織體的血氧飽和度； 2-2、
(6) 對(duì)公式（6)運(yùn)用最小二乘擬合算法，用在步驟一中獲得的rest狀態(tài)下的時(shí)間點(diǎn)擴(kuò)展函 數(shù)和task狀態(tài)下的時(shí)間點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)得出每個(gè)采樣點(diǎn)處組織體在三個(gè)波長(zhǎng)下相對(duì)于rest狀 態(tài)的吸收系數(shù)的變化量，進(jìn)一步求出組織體中氧合血紅蛋白、脫氧血紅蛋白和水三種物質(zhì) 相對(duì)于rest狀態(tài)下各自的濃度的變化量； 再根據(jù)下述的過定方程求出消除水吸收之后修正的氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白相 對(duì)于rest狀態(tài)下各自的濃度的變化量；
(7) 公式（7)中
和
分別表示組織體相比于靜息狀態(tài)時(shí)在三個(gè)波長(zhǎng)下的吸 收系數(shù)變化量，
和
分別表示水在三個(gè)波長(zhǎng)下的消光系數(shù)，
表示組織體相 對(duì)于靜息狀態(tài)時(shí)水的濃度變化量，
和.
分別表示氧合血紅蛋白在三個(gè)波長(zhǎng)下的 消光系數(shù)，
和
分別表示脫氧血紅蛋白在三個(gè)波長(zhǎng)下的消光系數(shù)，Mmc;t Λ c_和 △ cM分別表示消除水吸收后修正的組織體氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的濃度相比 于靜息狀態(tài)時(shí)的各自的變化量； 2-3、利用rest狀態(tài)消除水吸收之后修正的的氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的濃度 與task狀態(tài)消除水吸收之后修正的氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白相對(duì)于rest狀態(tài)下 各自的濃度的變化量求出task狀態(tài)下的氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的濃度；再利用
求出task狀態(tài)下組織體的血氧飽和度； 2-4、求出每個(gè)采樣點(diǎn)在task狀態(tài)下相比于rest狀態(tài)的血氧飽和度的變化量Λ Sa02 =
步驟三、根據(jù)步驟二獲得的每個(gè)采樣點(diǎn)在task狀態(tài)下相比于rest狀態(tài)的血氧飽和度 的變化量，用計(jì)算機(jī)上的matlab軟件畫出16個(gè)采樣點(diǎn)血氧飽和度變化量的二維拓?fù)涑上瘛?br>
【文檔編號(hào)】A61B5/1455GK104146714SQ201410415831
【公開日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年8月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月21日
【發(fā)明者】高峰, 王兵元 申請(qǐng)人:天津大學(xué)