一種時空頻多重耦合的高密度近紅外光譜腦功能成像方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種時空頻多重耦合的高密度近紅外光譜腦功能成像方法，涉及醫(yī)學成像技術領域。所述成像方法包括探測通道劃分、光源時間和空間分片、光源點亮時間、功率和頻率智能分配以及探測器編碼的步驟。本發(fā)明減少了探測通道之間的串擾，可提高時間分辨率、空間分辨率和信噪比；對光源點亮時間、功率和頻率智能分配，有利于提高系統的空間分辨率和信噪比；由于對探測器進行編碼，能提高并行探測效率，在高密度fNIRS系統中有無可比擬的應用優(yōu)勢。
【專利說明】
一種時空頻多重耦合的高密度近紅外光譜腦功能成像方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及醫(yī)學成像技術領域，具體涉及一種時空頻多重耦合的高密度近紅外光 譜腦功能成像方法，是一種并行檢測數據的實現方法。
【背景技術】
[0002] 近年來，近紅外光譜（Functional near-infrared spectroscopy,fNIRS)已發(fā)展 為腦功能研究和臨床診斷中不可或缺的新一代成像模態(tài)。fNIRS利用波長在650-1000nm以 內的近紅外光，可檢測大腦代謝引起的光學吸收特性的改變，從而計算出該區(qū)域脫氧血紅 蛋白（HbR)、攜氧血紅蛋白（Hb0 2)的濃度相對變化量。相較于傳統腦功能成像方法，如腦電 圖、功能核磁共振成像等，fNIRS具有性價比高、時間分辨率高、空間分辨率適中、功能參數 豐富、對運動不敏感等優(yōu)勢。
[0003] fNIRS成像系統中，在頭部相應部位放置光源探頭，并在距光源探頭一定距離處放 置探測器。系統光源發(fā)射的光(通常為雙波長或三波長)經波分復用后，由光纖傳輸到達置 于頭部的光源探頭，隨后穿透頭皮層、顱骨等入射到腦組織，在歷經一系列吸收、散射后，仍 會有一部分光子到達頭皮層表面，這些光信號可以被探測器接收到，然后根據Beer-Lambert定律，計算出Hb0 2、HbR的濃度相對變化量。光源探頭放置處為光源入射點，但一個 光源入射點處入射的光包含不同波長(通常為雙波長或三波長），因此一個光源入射點處實 際有2個(雙波長)或3個(三波長)重合的光源，為進行區(qū)分，稱重合的多波長光源為光源組， 而單波長光源即簡稱為光源，探測器放置處為探測點，從探測點檢測的信息便可反映對應 探測通道的信息。
[0004] 目前，相對簡單的等間距探頭拓撲排布結構被廣泛應用在多通道fNIRS系統中。在 等距拓撲成像中，相鄰的光源和探測器組成一個探測通道，光源-探測器的間隔約3cm，能夠 有效地探測腦皮層血氧參數的變化。不同的光源探測器(source-detector)排布，可組成不 同的探測通道，多個光源和多個探測器的排列，可以形成多通道系統，從而獲得更多探測通 道的大腦信號。然而，基于簡單等距拓撲結構的fNIRS系統的空間分辨率依然相對較低(約 3cm)，其空間分辨率依然具有較大的提升空間。
[0005] 提高空間分辨率策略是提高采樣密度，即高密度fNIRS成像方法。與簡單拓撲成像 不同，高密度成像是一種斷層成像方式，對于給定的光源，其發(fā)射的光不僅能被相鄰的探測 器探測到，還能被較遠的探測器探測到，因此，一個光源可以和多個探測器組成多個不同探 測距離的探測通道。系統使用的探測通道越多，光學傳感器間的重合越多，對不同深度信息 分層的能力越高，重建出的圖像質量越高。在高密度fNIRS中，通過密集排布的光源和探測 器，同時引入斷層重建技術，能夠將成像深度提升到2~3cm，空間分辨率提升到lcm左右。然 而，高密度的光源和探測器排布使得fNIRS所需的光源、探測器及探測通道急劇增加，但探 測通道數量、信噪比和時間分辨率這三個參數相互制約，使得提高時間分辨率和空間分辨 率更為具有挑戰(zhàn)性。
[0006] Eggebrecht等人（Mapping distributed brain function and networks with diffuse optical tomography，Nature Photonics 8,448-454(2014))開發(fā)的高密度擴散 斷層成像系統（high-density diffuse optical tomography，HD_D0T)，采用了分時分區(qū)域 光源激勵的方法。該系統采用雙波長，含有96個光源探頭，根據光源探測器的空間排布，將 96個光源(每個光源實際為兩個不同波長的重合光源)劃分為6個矩形區(qū)域，編號為區(qū)域1~ 區(qū)域6，每個區(qū)域16個光源，分別編號為光源1~光源16，每個區(qū)域的16個光源分時依次點 亮，不同區(qū)域的相同編號的光源同時點亮，且奇數區(qū)域對偶數區(qū)域的光源有一定的頻率間 隔。但是這種方法的時間分辨率只能得到有限的提高，并且包含探測通道間的信號串擾，使 信噪比降低。
【發(fā)明內容】
[0007] 由于探測通道數量、信噪比和時間分辨率不能同時提高，本發(fā)明提出時空頻多重 耦合的高密度近紅外光譜腦功能成像方法來攻克這一難題。本發(fā)明根據光源探測器排布、 探測通道連接和連接長度等參數，將不同連接長度的探測通道進行分類，并對光源進行時 間編碼和空間編碼，同時智能分配光源的點亮時間、功率和頻率等，能有效提高成像的時間 分辨率和空間分辨率，并有很高的信噪比，可以顯著提高并行探測效率，在高密度fNIRS系 統中有無可比擬的應用優(yōu)勢。
[0008] 本發(fā)明提供的一種時空頻多重耦合的高密度近紅外光譜腦功能成像方法，主要包 括如下步驟：
[0009] 第一步，探測通道劃分。根據光源探測器排布、探測通道連接和連接長度等參數， 將不同連接長度的探測通道進行分類，通?？蓪⑾嗤L度的探測通道劃分為一類；
[0010]第二步，光源時間和空間分片。根據探測通道分類的結果，將光源和探測通道在時 間上進行分片和排序等，并根據空間距離等參數，在空間上進行光源空間陣列編碼，使不同 陣列的光源在不同的時間點亮，劃分出更精細的時間片，這樣能極大減少光源間的干擾，并 能提高時間分辨率、空間分辨率和信噪比；
[0011] 第三步，光源點亮時間、功率和頻率智能分配。在不同的連接長度中，光源按照不 同的功率驅動，并且光源點亮的時間也不相同，連接長度越長，光源點亮時間越長，功率越 大，有利于提高空間分辨率，且在同一時間片，根據光源的空間分布，進行頻率智能調制，使 得距離越近的光源，頻率偏移越大，從而提高信噪比；
[0012] 第四步，探測器編碼。根據探測通道劃分和光源時間空間分片的結果，對探測器進 tx編碼，提尚并彳丁探測效率。
[0013] 第五步，光源按照編碼好的程序點亮，探測器也按照編碼好的程序采集信號，進行 成像。
[0014] 本發(fā)明的優(yōu)點是：
[0015] (1)本發(fā)明提出的時空頻多重耦合的高密度近紅外光譜腦功能成像方法，根據光 源探測器-排布、探測通道連接和連接長度等參數進行探測通道劃分和光源的時間和空間 分片，減少了探測通道之間的串擾，可提高時間分辨率、空間分辨率和信噪比；
[0016] (2)本發(fā)明提出的時空頻多重耦合成像方法中，對光源點亮時間、功率和頻率智能 分配，有利于提高系統的空間分辨率和信噪比；
[0017] (3)本發(fā)明提出的時空頻多重耦合成像方法，由于對探測器進行編碼，能提高并行 探測效率，在高密度fNIRS系統中有無可比擬的應用優(yōu)勢。
【附圖說明】
[0018] 圖1A為光源探頭和探測器放置于頭部的示意圖。
[0019] 圖1B為光源探測器排布示意圖。
[0020]圖2A探測通道的短連接形式示意圖。
[0021 ]圖2B為探測通道的長連接形式示意圖。
[0022]圖3A和圖3B為短連接的兩個光源陣列編碼示意圖。
[0023]圖4A~圖4C為長連接的四個典型光源陣列編碼示意圖。
[0024]圖5A為短連接陣列中探測器編碼方式。
[0025]圖5B為長連接陣列中探測器編碼方式。
[0026]圖6為fNIRS成像系統硬件控制圖。
【具體實施方式】
[0027] 下面結合附圖對本發(fā)明提出的時空頻多重耦合的高密度近紅外光譜腦功能成像 方法做進一步的說明。
[0028] 本實施例以192光源的光源探測器排布為例，一個光源入射點處有3個不同波長 (785nm，808nm，850nm)的光源重合，因此有64個光源組分布在64個不同的光源入射點上，如 圖1A和圖1B所示，圖1B中空心四邊形為探測器，實心黑色圓代表光源1~光源64,光源和探 測器之間的連線代表探測通道。圖1A為光源探頭和探測器放置于頭部的示意圖，圖1B為光 源探測器排布示意圖。通常，高密度fNIRS的探測通道有四種不同的連接長度，分別為 1.3cm、3.0cm、3.9cm和4.7cm，為簡單起見，本實施例以兩種連接長度（1.3cm和3.0cm)為例 來說明本發(fā)明的時空頻多重耦合的高密度近紅外光譜腦功能成像方法。
[0029] 所述的時空頻多重耦合的高密度近紅外光譜腦功能成像方法，具體實現步驟如 下：
[0030] 第一步，探測通道劃分。根據光源探測器排布、探測通道和連接長度等參數，將不 同連接長度的探測通道進行分類，通?？蓪⑾嗤L度的探測通道劃分為一類。
[0031] 本例光源探測器排布中，探測通道連接長度分別1.3cm和3.0cm，將所有連接長度 為1.3cm的探測通道劃分為短連接，如圖2A所示。所有連接長度為3.0cm的探測通道劃分為 長連接，劃分結果如圖2B所示。
[0032] 第二步，光源空間排布陣列編碼和時間分片。
[0033] 根據探測通道分類的結果，將光源和探測通道在時間上進行分片和排序等，并根 據空間距離等參數，在空間上進行光源-探測通道空間陣列編碼，使不同陣列的光源在不同 的時間點亮，劃分出更精細的時間片，這樣能極大減少光源間的干擾，并能提高時間分辨 率、空間分辨率和信噪比。
[0034]本例中，短連接的探測通道編碼了2個光源空間陣列，如圖3A和圖3B所示，每個短 連接光源空間陣列中，編碼規(guī)則為：
[0035]同一對角線上的光源在同一時間片點亮，意味著第一個光源空間陣列的光源在某 一時間片同時點亮，第二個光源空間陣列的光源在另一時間片同時點亮。本光源空間陣列 編碼方式使光源之間的距離較遠，互相之間的干擾較小，能提高信噪比。
[0036] 長連接的探測通道編碼了九個光源空間陣列，如圖4A~4C給出了三個主要光源空 間陣列，將這三個光源空間陣列分別水平向右移動一個光源間隔的長度，可以形成三個新 的光源空間陣列；在此基礎上，再水平向右移動一個光源間隔的長度，形成最后三個光源空 間陣列。每一次移動形成一個新的光源空間陣列，由此可以形成另外六個光源空間陣列，一 共形成九個光源空間陣列，分別對應九個時間片，不同時間片順次啟動。每個長連接探測通 道的光源空間陣列中，編碼規(guī)則為:保證點亮的光源各個方向之間間隔兩個未點亮的光源。
[0037] 根據編碼的光源空間陣列，劃分時間片，每一個光源空間陣列占據一個時間片。本 例中的2個短連接的光源空間陣列和9個長連接的光源空間陣列一共需要11個時間片，使這 11個光源空間陣列和時間片對應，即短連接中光源空間陣列1在時間片段1點亮，短連接中 光源空間陣列2在時間片段2點亮，長連接中光源空間陣列1在時間片段3點亮，……，長連接 中光源空間陣列9在時間片段11點亮。如表1所示。
[0038] 表1時空頻多重耦合的高密度近紅外光譜腦功能成像方法步驟
[0039]
[0040] 第三步，光源點亮時間、功率和頻率智能分配。在不同的連接長度中，光源按照不 同的功率驅動，并且光源點亮的時間也不相同，探測通道的連接長度越長，光源點亮時間越 長，功率越大，有利于提高空間分辨率，且在同一時間片，根據光源的空間分布，進行頻率智 能調制，使得距離越近的光源，頻率偏移越大，從而提高信噪比。
[0041 ]短連接中，如圖3A和3B所示，光源的功率較低，光源點亮時間短;長連接中，如圖4A ~4C所示，光源的功率較高，光源點亮時間長。光源的點亮時間和功率均與連接長度近似呈 指數關系，即點亮時間t = BeAd，功率P = CeAd，其中d為連接長度，A、B、C為常數。
[0042]并且，在同一時間片，根據光源空間距離和探測通道連接等參數，使距離越近的光 源之間頻率偏移越大，而距離越遠的光源之間的頻率偏移越小，距離和頻率偏移約成負指 數關系。
[0043] 第四步，有效探測通道和探測器編碼。根據探測通道分類和光源分片的結果，對有 效探測通道和探測器進行編碼，提高并行探測效率。
[0044] 如圖5A所示，短連接的每個光源空間陣列中，光源同時點亮，點亮時間較短，功率 較小，每個探測器檢測到的信號主要是來自周圍距離其最近的四個光源，來自其他光源的 信號由于距離較遠，衰減嚴重，信號被覆蓋，因而易于實現對探測器和目標探測通道進行編 碼，確認目標探測通道。
[0045] 如圖5B所示，長連接的每個光源空間陣列中，光源同時點亮，點亮時間較長，功率 較大，發(fā)光光源形成的3cm通道為目標通道。由于提前進行了光源空間陣列編碼，并且發(fā)光 光源排列稀疏，易于實現對探測器和目標探測通道(有效探測通道)進行編碼，確認目標探 測通道。
[0046]第五步，光源按照編碼好的程序點亮，探測器也按照編碼好的程序采集信號，進行 成像。
[0047]探測器采集到的信號經濾波和A/D轉換后，使用FPGA(現場可編程門陣列）或DSP (數字信號處理技術)芯片等進行底層信號處理，并使用高速傳輸接口進行數據傳輸。然后 利用計算機PC或直接利用底層FPGA、底層DSP等底層信號處理模塊對數據進行解調重建，從 而得到有效的腦功能血流參數。用戶的操作指令也可由計算機發(fā)送至高速傳輸接口，經 FPGA、DSP芯片等底層信號處理后驅動光源，實現對光源的實時控制。
[0048]本發(fā)明提供的時空頻多重耦合的高密度近紅外光譜腦功能成像方法，依托fNIRS 成像系統實現。該fNIRS成像系統主要由以下部分組成:光源、探測器、信號濾波及轉換模 塊、底層信號處理模塊、高速傳輸接口和計算機，如圖6所示。
[0049] 光源可以采用激光二極管或LED(發(fā)光二極管）。探測器可以采用PMT(光電倍增 管）、APD(雪崩二極管)或(光電二極管）等。探測器采集到的信號經濾波和A/D轉換后，使 用FPGA(現場可編程門陣列）或DSP(數字信號處理技術)芯片等進行底層信號處理，包括數 據解調等，并使用高速傳輸接口進行數據傳輸。所述的高速傳輸接口可采用千兆網、USB3.0 等。然后利用計算機PC或直接利用底層FPGA、底層DSP等底層信號處理模塊對數據進行解調 重建，從而得到有效的腦功能血流參數。用戶的操作指令也可由計算機發(fā)送至高速傳輸接 口，經FPGA、DSP芯片等底層信號處理后驅動光源，實現對光源的實時控制。
[0050] 本發(fā)明的時空頻多重耦合的高密度近紅外光譜腦功能成像方法，根據光源探測器 排布、通道連接和連接長度等參數進行通道劃分和光源的時間和空間分片，減少了通道之 間的串擾，提高了系統的時間分辨率、空間分辨率和信噪比。并且對光源點亮時間、功率和 頻率智能分配，有利于提高系統的空間分辨率和信噪比。由于對探測器進行編碼，能提高并 行探測效率，在高密度fNIRS系統中有無可比擬的應用優(yōu)勢。
【主權項】
1. 一種時空頻多重耦合的高密度近紅外光譜腦功能成像方法，其特征在于:包括如下 步驟， 第一步，探測通道劃分； 根據光源探測器排布、探測通道連接和連接長度，將不同連接長度的探測通道進行分 類，將相同長度的探測通道劃分為一類； 第二步，光源時間和空間分片； 根據探測通道分類的結果，將光源和探測通道在時間上進行分片和排序，并根據空間 距離，在空間上進行光源空間陣列編碼，使不同陣列的光源在不同的時間點亮； 第三步，光源點亮時間、功率和頻率智能分配； 在不同的連接長度中，光源按照不同的功率驅動，并且光源點亮的時間也不相同，探測 通道的連接長度越長，光源點亮時間越長，功率越大，且在同一時間片，根據光源的空間分 布，進行頻率智能調制，使得距離越近的光源，頻率偏移越大； 第四步，探測器編碼； 根據探測通道劃分和光源時間空間分片的結果，對探測器進行編碼； 第五步，光源按照編碼好的程序點亮，探測器也按照編碼好的程序采集信號，進行成 像。2. 根據權利要求1所述的一種時空頻多重耦合的高密度近紅外光譜腦功能成像方法， 其特征在于:所述的探測通道分為長連接和短連接兩類，每個短連接的光源空間陣列的編 碼規(guī)則為： 同一對角線上的光源在同一時間片點亮，意味著第一個光源空間陣列的光源在某一時 間片同時點亮，第二個光源空間陣列的光源在另一時間片同時點亮； 每個長連接的光源空間陣列的編碼規(guī)則為:保證點亮的光源各個方向之間間隔兩個未 點亮的光源。3. 根據權利要求1所述的一種時空頻多重耦合的高密度近紅外光譜腦功能成像方法， 其特征在于:光源的點亮時間和功率均與連接長度近似呈指數關系，即點亮時間t = BeAd，功 率P = CeAd，其中d為連接長度，A、B、C為常數； 并且，在同一時間片，使距離越近的光源之間頻率偏移越大，而距離越遠的光源之間的 頻率偏移越小，距離和頻率偏移約成負指數關系。4. 一種時空頻多重耦合的高密度近紅外光譜腦功能成像系統，其特征在于:包括光源、 探測器、信號濾波及轉換模塊、底層信號處理模塊、高速傳輸接口和計算機； 探測器采集到的激光信號經信號濾波和轉換模塊進行信號轉換后，使用FPGA或DSPS 片進行底層信號處理，并使用高速傳輸接口進行數據傳輸;然后利用計算機PC或直接利用 底層FPGA、底層DSP底層信號處理模塊對數據進行解調重建，從而得到有效的腦功能血流參 數。
【文檔編號】A61B5/00GK106037657SQ201610490279
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月28日
【發(fā)明人】汪恭正
【申請人】丹陽慧創(chuàng)醫(yī)療設備有限公司