專利名稱：一種多通道近紅外腦功能成像并行檢測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及人體信息檢測領(lǐng)域中的光學(xué)成像系統(tǒng)，具體涉及一種基于單光子計數(shù)的數(shù)字鎖相技術(shù)的用于腦功能研究的多通道近紅外光成像系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)裝置。
背景技術(shù)：
腦功能的在體研究具有非常重要的意義，其應(yīng)用涉及科學(xué)研究和臨床診斷及治療。目前研究腦功能的無創(chuàng)方法主要包括功能核磁共振(fMRI)和正電子發(fā)射層析成像(PET)、腦電圖(EEG)、事件相關(guān)電位(ERP)和腦磁圖(MEG)和光學(xué)成像方法(NIRS)。NIRS 采用兩個以上波長(600-900nm波段內(nèi))的光在頭皮的預(yù)定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行多點(diǎn)照射，由于近紅外光的深度穿透能力，且反映腦組織代謝和血液動力學(xué)的氧合血紅蛋白(HbO)和還原血紅蛋白(Hb)正是近紅外光波段內(nèi)的主要吸收體，在距離照射點(diǎn)幾厘米處探測由頭皮出射的光，由于出射光攜帶了腦皮層的HbO和Hb濃度變化的信息，經(jīng)過算法可給出腦皮層的HbO 和Hb濃度變化的空間分布圖，從而實(shí)現(xiàn)腦功能的研究或疾病的診斷。相比于其它腦功能成像方法，NIRS設(shè)備價格較低，體積小便于移動，具有很高的時間分辨率和較高的空間分辨率。它能實(shí)現(xiàn)在任何時候、任何地方、長時間、多次腦功能成像，更重要的是由于其探頭固定在頭部，成像是以頭本身作為坐標(biāo)，因此具有很高的被試者運(yùn)動魯棒性，它也是目前唯一一個可以應(yīng)用于嬰兒的腦功能成像儀器。因?yàn)镹IRS的上述優(yōu)點(diǎn)，它已經(jīng)成為腦功能研究、運(yùn)動醫(yī)學(xué)研究的先進(jìn)方法。經(jīng)過逐步的發(fā)展，日本日立公司成產(chǎn)的ETG系統(tǒng)和TechEn公司與麻省醫(yī)學(xué)院合作開發(fā)的CW系列已經(jīng)占據(jù)了較重要的地位。其中如何提高空間分辨率成為關(guān)鍵問題。從測量的角度，提高圖像空間分辨率的有效方法是提高采樣密度，當(dāng)探測距離不能減小時，使采樣區(qū)域重疊則成為提高采樣密度的唯一手段。但對于NIRS測量系統(tǒng)，使得采樣區(qū)域重疊也并非易事。提高測量通道的動態(tài)范圍是改善NIRS系統(tǒng)空間分辨率的關(guān)鍵所在。為了回避測量系統(tǒng)動態(tài)范圍小的問題日本日立公司的ETG系統(tǒng)增加了源點(diǎn)和探測點(diǎn)的數(shù)目，但由此帶來的是系統(tǒng)的復(fù)雜性和高價格。而CW5系統(tǒng)采用了分時開通光源的方法，但只能探測19-42. 5mm之內(nèi)的光，且系統(tǒng)的時間分辨率大大下降。因此，我們看到提高OTRS系統(tǒng)的空間分辨率問題歸結(jié)到了提高檢測系統(tǒng)的動態(tài)范圍問題。而提高系統(tǒng)的動態(tài)范圍是現(xiàn)有的測量方式所無法達(dá)到的，應(yīng)當(dāng)采取新技術(shù)。專利CN201010161237. X公開了一種基于數(shù)字鎖相解復(fù)用的多通道單光子計數(shù)測量系統(tǒng)，單光子計數(shù)方法利用弱光照射下光子探測器輸出電信號自然離散的特點(diǎn)，采用脈沖甄別技術(shù)和數(shù)字計數(shù)技術(shù)把極弱的信號識別并提取出來。與模擬探測技術(shù)相比，單光子計數(shù)技術(shù)有如下優(yōu)點(diǎn)消除了探測器的大部分熱噪聲的影響，大大提高了測量結(jié)果的信噪比；有比較寬的線性動態(tài)范圍。鎖相技術(shù)可以提取深埋在噪聲中的有用信號，可以提高信噪比。而基于單光子計數(shù)的數(shù)字鎖相檢測技術(shù)，則具有大的檢測動態(tài)范圍和高的信噪比。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)不足，本發(fā)明提供一種具有較高的測量通道的動態(tài)范圍和空間分辨率的腦功能近紅外光成像(NIRS)系統(tǒng)。本發(fā)明提出的腦功能近紅外光成像(NIRS)系統(tǒng)， 采用基于單光子計數(shù)的數(shù)字鎖相檢測技術(shù)與利用漫射方程計算腦血氧飽和度的方法，是一種多通道并行檢測的近紅外光成像(NIRS)系統(tǒng)。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種多通道近紅外腦功能成像并行檢測系統(tǒng)，包括光源部分、測頭部分、探測器部分、多通道數(shù)字鎖相檢測電路和計算機(jī)。其中，所述的光源部分包括多組光源單元，每組單元包括兩個不同波長的穩(wěn)態(tài)半導(dǎo)體激光器及各自的數(shù)模轉(zhuǎn)換與濾波電路和電流控制器，一個波分復(fù)用器和源光纖，光源調(diào)制信號經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換與濾波電路的處理后獲得的模擬調(diào)制信號作為電流控制器的輸入，兩個激光器在各自的電流控制器的驅(qū)動下生成的光經(jīng)過波分復(fù)用器后通過源光纖送入測頭部分；所述的測頭部分包括多個光纖座，各個光纖座通過連接帶相連，構(gòu)成一個網(wǎng)狀通路；各個源光纖被連接到不同的光纖座上；所述的探測器包括多組探測器單元，每個探測器單元包括探測光纖、濾波輪組、光電倍增管、脈沖甄別與整型電路，所述的探測光纖的一端連接到一個光纖座上，另一端連接到濾波輪組，濾波輪組輸出的光信號經(jīng)過光電倍增管和脈沖甄別與整型電路的處理后獲得電壓脈沖信號；每個探測光纖分別連接到不同的光纖座上；所述的多通道數(shù)字鎖相檢測電路，包括頂層控制邏輯電路、幅值解調(diào)模塊、正余弦信號發(fā)生器模塊，在頂層控制邏輯電路的控制下，由正余弦信號發(fā)生器模塊產(chǎn)生數(shù)字正余弦信號，用作鎖相檢測參考信號和光源部分所需要的光源調(diào)制信號，幅值解調(diào)模塊根據(jù)鎖相檢測參考信號，對探測器輸出的多路電壓脈沖信號進(jìn)行頻分復(fù)用同步解調(diào)，經(jīng)過同步解調(diào)的信號被送入計算機(jī)；所述的計算機(jī)根據(jù)多通道數(shù)字鎖相檢測電路輸入的同步解調(diào)信號得到腦血氧飽和度，并實(shí)現(xiàn)腦功能成像。作為進(jìn)一步的實(shí)施方式，所述的多通道近紅外腦功能成像并行檢測系統(tǒng)，各組光源單元均由波長690nm和830nm的兩組穩(wěn)態(tài)半導(dǎo)體激光器組成；每個穩(wěn)態(tài)半導(dǎo)體激光器所產(chǎn)生的頻率各不相同。由上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明的主要特點(diǎn)體現(xiàn)在(1)基于連續(xù)波探測方式，光源采用單色連續(xù)近紅外光，連續(xù)波探測方式實(shí)時性好，速度快，信噪比高，能夠同時探測腦活動時的快(刺激事件后50 500ms)和慢(刺激事件后2 IOs)變化過程，從而保證時間分辨率。(2)采用光源頻分復(fù)用、多路信號數(shù)字鎖相解復(fù)用方法，實(shí)現(xiàn)在多光源同時激勵時的光強(qiáng)測量，克服了多光源時分復(fù)用方法測量時間長，通道切換產(chǎn)生誤差的缺點(diǎn)，簡化了系統(tǒng)構(gòu)成。(3)單光子計數(shù)技術(shù)與鎖相檢測技術(shù)相結(jié)合，既有利于快速成像的需要，又能滿足大動態(tài)范圍的要求。


圖1:測量系統(tǒng)框圖。圖2:光源系統(tǒng)框圖。圖3:自適應(yīng)測頭部分。圖4:探測器部分框圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供了一種用于腦功能成像的多通道近紅外光并行檢測系統(tǒng)，結(jié)合單光子計數(shù)技術(shù)和數(shù)字鎖相檢測技術(shù)，從而在提高測量動態(tài)范圍的同時滿足腦功能研究高時間分辨率的要求。本發(fā)明提出適合腦功能研究的多通道并行檢測的NIRS系統(tǒng)，組成框圖見圖1，包括光源部分、自適應(yīng)測頭部分、探測器部分、數(shù)據(jù)采集與初處理部分、計算機(jī)。本發(fā)明采用24*32的源探位置分布，多路光源頻分復(fù)用與多通道數(shù)字鎖相同步解調(diào)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)不同源探組合下出射光強(qiáng)信號的同步檢測。光源部分由波長690nm和830nm 的兩組穩(wěn)態(tài)半導(dǎo)體激光器組成，每組24個，采用48路不同頻率的正弦信號作低頻振幅調(diào)制。輸出的近紅外光按波長不同兩兩經(jīng)波分復(fù)用器耦合實(shí)現(xiàn)頻分復(fù)用，之后經(jīng)入射光纖導(dǎo)入到分布于自適應(yīng)側(cè)頭的24個源點(diǎn)位置，用作近紅外腦功能檢測的激勵信號。自適應(yīng)測頭部分參考了 EEG電極帽的設(shè)計并對其進(jìn)行改進(jìn)。用連接帶將光纖座連接起來，考慮到成人頭皮和頭骨的厚度，兩相鄰的光纖座之間的距離采用30mm。通過彈簧將光纖座壓緊在頭皮上，源光纖和探測光纖通過SMA光纖接頭連接到光纖座上。探測器部分的包括探測光纖、濾波輪組、光電倍增管、脈沖甄別與整型電路，其中濾波輪組用于調(diào)整輸入到光電倍增管的的光強(qiáng)，保證不同源探距離下光電倍增管均工作于單光子計數(shù)狀態(tài)，從而提高測量的動態(tài)范圍。本部分實(shí)現(xiàn)光電信號轉(zhuǎn)換，輸出隨輸入光強(qiáng)變化而變化，表現(xiàn)為頻率不同的標(biāo)準(zhǔn)電壓脈沖信號。數(shù)據(jù)采集與初處理部分包括多通道數(shù)字鎖相檢測電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換與濾波電路以及通信電路。其中，多通道數(shù)字鎖相檢測電路為本部分的核心，實(shí)現(xiàn)頻分復(fù)用多路光源信號的同步解調(diào)；數(shù)模轉(zhuǎn)換與濾波電路負(fù)責(zé)產(chǎn)生調(diào)制激光源的模擬正弦信號；通信部分用以完成本部分與計算機(jī)的交互。計算機(jī)實(shí)現(xiàn)與操作者之間的交互界面，用于控制整個測量系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)采集與初處理產(chǎn)生的結(jié)果轉(zhuǎn)換為腦血氧飽和度，以及實(shí)現(xiàn)最終的腦功能成像。
下面對各個組成部分進(jìn)行說明。一、光源部分，用以產(chǎn)生振幅調(diào)制的近紅外光，作為成像系統(tǒng)的激勵信號。見圖2 光源系統(tǒng)框圖。包括以下部分1.數(shù)模轉(zhuǎn)換與濾波電路將正余弦信號發(fā)生器模塊產(chǎn)生的數(shù)字正弦信號轉(zhuǎn)換成模擬正弦信號并做調(diào)理，得到滿足LD控制器要求的模擬調(diào)制信號。2. LD電流控制器根據(jù)輸入的模擬調(diào)制信號調(diào)整激光管的驅(qū)動電流，實(shí)現(xiàn)對LD出射光的幅度調(diào)制；3. LD溫度控制器維持LD工作時的溫度穩(wěn)定，確保輸出激光的波長保持不變；4.激光二極管在驅(qū)動電流作用下產(chǎn)生特定波長的激光，本系統(tǒng)采用690nm和 830nm兩種波長的激光管；
5.波分復(fù)用器為雙路輸入、單路輸出的光耦合器件，用于將不同波長的激光兩兩耦合到一束光纖中，形成復(fù)合光源。二、自適應(yīng)測頭部分，如圖3。1.該測頭對人腦的前額葉、運(yùn)動功能區(qū)、后枕區(qū)進(jìn)行成像。共采用24個源點(diǎn)和32 個探測點(diǎn)，每個源點(diǎn)和探測點(diǎn)分別安裝一個源光纖和一個探測光纖。2.對前額的探測利用8個源點(diǎn)和8個探測點(diǎn)完成；左、右運(yùn)動功能區(qū)分別采用7個源點(diǎn)和7個探測點(diǎn)完成；后枕區(qū)的探測采用2個源點(diǎn)和8個探測點(diǎn)完成。三、探測器部分，如圖4。1.濾波輪組用于調(diào)整輸入到光電倍增管得光強(qiáng)，確保光電倍增管工作于單光子計數(shù)狀態(tài)。2.光電倍增管實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件，在微弱光輸入的情況下，輸出為離散的電壓脈沖。3.脈沖甄別與整型電路對光電倍增管輸出的電脈沖進(jìn)行甄別和整型，得到規(guī)則的電壓脈沖信號，提供給后級數(shù)據(jù)采集與初處理部分做進(jìn)一步處理。四、數(shù)據(jù)采集與初處理部分。本部分以FPGA為核心，實(shí)現(xiàn)了多通道數(shù)字鎖相檢測電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換與濾波電路以及通信電路。具體實(shí)現(xiàn)可以參見CN201010161237. X1.多通道道數(shù)字鎖相檢測電路為實(shí)現(xiàn)頻分復(fù)用光源信號解調(diào)的關(guān)鍵，包括頂層控制邏輯、幅值解調(diào)模塊、正余弦信號發(fā)生器模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、通信接口模塊。a)其中頂層控制邏輯控制整個數(shù)字電路各部分工作的節(jié)奏，并負(fù)責(zé)與計算機(jī)交互獲取測量過程的運(yùn)行參數(shù)；b)正余弦信號發(fā)生器模塊負(fù)責(zé)產(chǎn)生數(shù)字正余弦信號，用作鎖相檢測參考信號和光源調(diào)制信號；c)幅值解調(diào)模塊實(shí)現(xiàn)輸入信號與參考信號混頻，即對頻分復(fù)用光源進(jìn)行解調(diào)；d)數(shù)據(jù)發(fā)送模塊用于協(xié)調(diào)各通道解調(diào)結(jié)果有序發(fā)送回計算機(jī)；e)通信接口模塊實(shí)現(xiàn)外部通信芯片的驅(qū)動信號，負(fù)責(zé)與計算機(jī)之間數(shù)據(jù)的接受和傳送。2.通信電路完成多通道數(shù)字鎖相檢測電路與計算機(jī)之間數(shù)據(jù)交互的硬件電路。五、用戶界面以及數(shù)據(jù)后處理部分1.用戶界面方便操作員使用系統(tǒng)，通過發(fā)送命令控制整個測量系統(tǒng)的工作狀態(tài)；2.數(shù)據(jù)后處理部分采用漫射方程對接收到的數(shù)據(jù)做處理，得出大腦不同部位血氧飽和度信息，作進(jìn)一步研究。上述測量系統(tǒng)的具體工作步驟是(1)整個系統(tǒng)上電后，由操作員通過計算機(jī)用戶界面設(shè)定測量系統(tǒng)的各項(xiàng)工作參數(shù)；(2)FPGA內(nèi)部正余弦信號發(fā)生模塊根據(jù)上一步設(shè)定的參數(shù)，產(chǎn)生48路數(shù)字正余弦信號，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換與濾波調(diào)理后輸入到相應(yīng)LD控制器的模擬調(diào)制輸入端，控制LD產(chǎn)生幅度調(diào)制的激勵信號；(3)上一步LD的輸出按波長不同經(jīng)波分復(fù)用器兩兩耦合到自適應(yīng)測頭的24個激勵點(diǎn)，對被測部位施加激勵，之后通過分布于自適應(yīng)測頭的32路探測光纖導(dǎo)入到相應(yīng)探測器。(4)探測器的輸出連接到FPGA測量系統(tǒng)相應(yīng)輸入管腳，之后由多通道鎖相檢測電路實(shí)現(xiàn)對應(yīng)不同源探組合的光強(qiáng)信號的同步解調(diào)，并經(jīng)通信電路發(fā)送到計算機(jī)上。(5)計算機(jī)上的數(shù)據(jù)后處理部分將接收到的數(shù)據(jù)代入基于漫射方程的程序中，求得大腦不同部位血氧飽和度的空間分布，實(shí)現(xiàn)最終的腦功能成像。利用漫射方程計算血氧飽和度的步驟如下動脈血與靜脈血的吸收系數(shù)表達(dá)式為
權(quán)利要求
1.一種多通道近紅外腦功能成像并行檢測系統(tǒng)，包括光源部分、測頭部分、探測器部分、多通道數(shù)字鎖相檢測電路和計算機(jī)。其中，所述的光源部分包括多組光源單元，每組單元包括兩個不同波長的穩(wěn)態(tài)半導(dǎo)體激光器及各自的數(shù)模轉(zhuǎn)換與濾波電路和電流控制器，一個波分復(fù)用器和源光纖，光源調(diào)制信號經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換與濾波電路的處理后獲得的模擬調(diào)制信號作為電流控制器的輸入，兩個激光器在各自的電流控制器的驅(qū)動下生成的光經(jīng)過波分復(fù)用器后通過源光纖送入測頭部分；所述的測頭部分包括多個光纖座，各個光纖座通過連接帶相連，構(gòu)成一個網(wǎng)狀通路；各個源光纖被連接到不同的光纖座上；所述的探測器包括多組探測器單元，每個探測器單元包括探測光纖、濾波輪組、光電倍增管、脈沖甄別與整型電路，所述的探測光纖的一端連接到一個光纖座上，另一端連接到濾波輪組，濾波輪組輸出的光信號經(jīng)過光電倍增管和脈沖甄別與整型電路的處理后獲得電壓脈沖信號 ；每個探測光纖分別連接到不同的光纖座上；所述的多通道數(shù)字鎖相檢測電路，包括頂層控制邏輯電路、幅值解調(diào)模塊、正余弦信號發(fā)生器模塊，在頂層控制邏輯電路的控制下，由正余弦信號發(fā)生器模塊產(chǎn)生數(shù)字正余弦信號，用作鎖相檢測參考信號和光源部分所需要的光源調(diào)制信號，幅值解調(diào)模塊根據(jù)鎖相檢測參考信號，對探測器輸出的多路電壓脈沖信號進(jìn)行頻分復(fù)用同步解調(diào)，經(jīng)過同步解調(diào)的信號被送入計算機(jī)；所述的計算機(jī)根據(jù)多通道數(shù)字鎖相檢測電路輸入的同步解調(diào)信號得到腦血氧飽和度， 并實(shí)現(xiàn)腦功能成像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多通道近紅外腦功能成像并行檢測系統(tǒng)，其特征在于，各組光源單元均由波長690nm和830nm的兩組穩(wěn)態(tài)半導(dǎo)體激光器組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多通道近紅外腦功能成像并行檢測系統(tǒng)，其特征在于，每個穩(wěn)態(tài)半導(dǎo)體激光器所產(chǎn)生的頻率各不相同。
全文摘要
本發(fā)明屬于組織光學(xué)研究中的光學(xué)參數(shù)測量領(lǐng)域，涉及一種多通道近紅外腦功能成像并行檢測系統(tǒng)，包括光源部分、測頭部分、探測器部分、多通道數(shù)字鎖相檢測電路和計算機(jī)。光源部分包括多組光源單元，每組單元包括兩個不同波長的穩(wěn)態(tài)半導(dǎo)體激光器及各自的數(shù)模轉(zhuǎn)換與濾波電路和電流控制器，一個波分復(fù)用器和源光纖，兩個激光器在各自的電流控制器的驅(qū)動下生成的光經(jīng)過波分復(fù)用器后通過源光纖送入測頭部分；測頭部分包括多個光纖座，各個光纖座通過連接帶相連，構(gòu)成一個網(wǎng)狀通路；各個源光纖被連接到不同的光纖座上。本發(fā)明將單光子計數(shù)技術(shù)與鎖相檢測技術(shù)相結(jié)合，既有利于快速成像的需要，又能滿足大動態(tài)范圍的要求。
文檔編號A61B5/00GK102327111SQ20111028653
公開日2012年1月25日 申請日期2011年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月23日
發(fā)明者王志朝, 趙會娟, 郭卉, 高峰 申請人:天津析像光電科技有限公司