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(xué)成像技術(shù)領(lǐng)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?xí)r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?dāng)_，可提高時間分辨率、空間分辨率和信噪比；對光源點亮?xí)r間、功率和頻率智能分配，有利于提高系統(tǒng)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(tǒng)中有無可比擬的應(yīng)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(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及醫(yī)學(xué)成像技術(shù)領(lǐng)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(shù)據(jù)的實現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[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(nèi)的近紅外光，可檢測大腦代謝引起的光學(xué)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(tǒng)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(shù) 豐富、對運動不敏感等優(yōu)勢。
[0003] fNIRS成像系統(tǒng)中，在頭部相應(yīng)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(tǒng)光源發(fā)射的光(通常為雙波長或三波長)經(jīng)波分復(fù)用后，由光纖傳輸?shù)竭_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(jīng)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(jù)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(yīng) 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(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用在多通道fNIRS系統(tǒng)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(shù)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(tǒng)，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(jié)構(gòu)的fNIRS系統(tǒng)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(tǒng)使用的探測通道越多，光學(xué)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(zhì)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(shù)，能夠?qū)⒊上裆疃忍嵘?~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(shù)量、信噪比和時間分辨率這三個參數(shù)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(tǒng)（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(tǒng)采用雙波長，含有96個光源探頭，根據(jù)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(shù)區(qū)域?qū)ε紨?shù)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?dāng)_，使 信噪比降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 由于探測通道數(shù)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(jù)光源探測器排布、 探測通道連接和連接長度等參數(shù)，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?xí)r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(tǒng)中有無可比擬的應(yīng)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(jù)光源探測器排布、探測通道連接和連接長度等參數(shù)， 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(jù)探測通道分類的結(jié)果，將光源和探測通道在時 間上進行分片和排序等，并根據(jù)空間距離等參數(shù)，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?xí)r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(qū)動，并且光源點亮的時間也不相同，連接長度越長，光源點亮?xí)r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(jù)光源的空間分布，進行頻率智能調(diào)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(jù)探測通道劃分和光源時間空間分片的結(jié)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(jù)光 源探測器-排布、探測通道連接和連接長度等參數(shù)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?dāng)_，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?xí)r間、功率和頻率智能 分配，有利于提高系統(tǒng)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(tǒng)中有無可比擬的應(yīng)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(tǒng)硬件控制圖。
【具體實施方式】
[0027] 下面結(jié)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(xiàn)步驟如 下：
[0030] 第一步，探測通道劃分。根據(jù)光源探測器排布、探測通道和連接長度等參數(shù)，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(jié)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(jù)探測通道分類的結(jié)果，將光源和探測通道在時間上進行分片和排序等，并根 據(jù)空間距離等參數(shù)，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(chǔ)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(yīng)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(jù)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(jù)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(yīng)，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?xí)r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(qū)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?xí)r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(jù)光源的空間分布，進行頻率智 能調(diào)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?xí)r間短;長連接中，如圖4A ~4C所示，光源的功率較高，光源點亮?xí)r間長。光源的點亮?xí)r間和功率均與連接長度近似呈 指數(shù)關(guān)系，即點亮?xí)r間t = BeAd，功率P = CeAd，其中d為連接長度，A、B、C為常數(shù)。
[0042]并且，在同一時間片，根據(jù)光源空間距離和探測通道連接等參數(shù)，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(shù)關(guān)系。
[0043] 第四步，有效探測通道和探測器編碼。根據(jù)探測通道分類和光源分片的結(jié)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?xí)r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(yán)重，信號被覆蓋，因而易于實現(xiàn)對探測器和目標(biāo)探測通道進行編 碼，確認(rèn)目標(biāo)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?xí)r間較長，功率 較大，發(fā)光光源形成的3cm通道為目標(biāo)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(xiàn)對探測器和目標(biāo)探測通道(有效探測通道)進行編碼，確認(rèn)目標(biāo)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(jīng)濾波和A/D轉(zhuǎn)換后，使用FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列）或DSP (數(shù)字信號處理技術(shù))芯片等進行底層信號處理，并使用高速傳輸接口進行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進行解調(diào)重建，從 而得到有效的腦功能血流參數(shù)。用戶的操作指令也可由計算機發(fā)送至高速傳輸接口，經(jīng) FPGA、DSP芯片等底層信號處理后驅(qū)動光源，實現(xiàn)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(tǒng)實現(xiàn)。該fNIRS成像系統(tǒng)主要由以下部分組成:光源、探測器、信號濾波及轉(zhuǎn)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(jīng)濾波和A/D轉(zhuǎn)換后，使 用FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列）或DSP(數(shù)字信號處理技術(shù))芯片等進行底層信號處理，包括數(shù) 據(jù)解調(diào)等，并使用高速傳輸接口進行數(shù)據(jù)傳輸。所述的高速傳輸接口可采用千兆網(wǎng)、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(shù)據(jù)進行解調(diào) 重建，從而得到有效的腦功能血流參數(shù)。用戶的操作指令也可由計算機發(fā)送至高速傳輸接 口，經(jīng)FPGA、DSP芯片等底層信號處理后驅(qū)動光源，實現(xiàn)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(jù)光源探測器 排布、通道連接和連接長度等參數(shù)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?dāng)_，提高了系統(tǒng)的時間分辨率、空間分辨率和信噪比。并且對光源點亮?xí)r間、功率和 頻率智能分配，有利于提高系統(tǒng)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(tǒng)中有無可比擬的應(yīng)用優(yōu)勢。
【主權(quán)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(jù)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(jù)探測通道分類的結(jié)果，將光源和探測通道在時間上進行分片和排序，并根據(jù)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?xí)r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(qū)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?xí)r間越長，功率越大，且在同一時間片，根據(jù)光源的空間分 布，進行頻率智能調(diào)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(jù)探測通道劃分和光源時間空間分片的結(jié)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(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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?xí)r間和功率均與連接長度近似呈指數(shù)關(guān)系，即點亮?xí)r間t = BeAd，功 率P = CeAd，其中d為連接長度，A、B、C為常數(shù)； 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(shù)關(guān)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(tǒng)，其特征在于:包括光源、 探測器、信號濾波及轉(zhuǎn)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(jīng)信號濾波和轉(zhuǎn)換模塊進行信號轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進行解調(diào)重建，從而得到有效的腦功能血流參 數(shù)。
【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(shè)備有限公司