一种时空频多重耦合的高密度近红外光谱脑功能成像方法
【专利摘要】本发明公开了一种时空频多重耦合的高密度近红外光谱脑功能成像方法，涉及医学成像技术领域。所述成像方法包括探测通道划分、光源时间和空间分片、光源点亮时间、功率和频率智能分配以及探测器编码的步骤。本发明减少了探测通道之间的串扰，可提高时间分辨率、空间分辨率和信噪比；对光源点亮时间、功率和频率智能分配，有利于提高系统的空间分辨率和信噪比；由于对探测器进行编码，能提高并行探测效率，在高密度fNIRS系统中有无可比拟的应用优势。
【专利说明】
一种时空频多重耦合的高密度近红外光谱脑功能成像方法
技术领域
[0001] 本发明涉及医学成像技术领域，具体涉及一种时空频多重耦合的高密度近红外光 谱脑功能成像方法，是一种并行检测数据的实现方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，近红外光谱（Functional near-infrared spectroscopy,fNIRS)已发展 为脑功能研究和临床诊断中不可或缺的新一代成像模态。fNIRS利用波长在650-1000nm以 内的近红外光，可检测大脑代谢引起的光学吸收特性的改变，从而计算出该区域脱氧血红 蛋白（HbR)、携氧血红蛋白（Hb0 2)的浓度相对变化量。相较于传统脑功能成像方法，如脑电 图、功能核磁共振成像等，fNIRS具有性价比高、时间分辨率高、空间分辨率适中、功能参数 丰富、对运动不敏感等优势。
[0003] fNIRS成像系统中，在头部相应部位放置光源探头，并在距光源探头一定距离处放 置探测器。系统光源发射的光(通常为双波长或三波长)经波分复用后，由光纤传输到达置 于头部的光源探头，随后穿透头皮层、颅骨等入射到脑组织，在历经一系列吸收、散射后，仍 会有一部分光子到达头皮层表面，这些光信号可以被探测器接收到，然后根据Beer-Lambert定律，计算出Hb0 2、HbR的浓度相对变化量。光源探头放置处为光源入射点，但一个 光源入射点处入射的光包含不同波长(通常为双波长或三波长），因此一个光源入射点处实 际有2个(双波长)或3个(三波长)重合的光源，为进行区分，称重合的多波长光源为光源组， 而单波长光源即简称为光源，探测器放置处为探测点，从探测点检测的信息便可反映对应 探测通道的信息。
[0004] 目前，相对简单的等间距探头拓扑排布结构被广泛应用在多通道fNIRS系统中。在 等距拓扑成像中，相邻的光源和探测器组成一个探测通道，光源-探测器的间隔约3cm，能够 有效地探测脑皮层血氧参数的变化。不同的光源探测器(source-detector)排布，可组成不 同的探测通道，多个光源和多个探测器的排列，可以形成多通道系统，从而获得更多探测通 道的大脑信号。然而，基于简单等距拓扑结构的fNIRS系统的空间分辨率依然相对较低(约 3cm)，其空间分辨率依然具有较大的提升空间。
[0005] 提高空间分辨率策略是提高采样密度，即高密度fNIRS成像方法。与简单拓扑成像 不同，高密度成像是一种断层成像方式，对于给定的光源，其发射的光不仅能被相邻的探测 器探测到，还能被较远的探测器探测到，因此，一个光源可以和多个探测器组成多个不同探 测距离的探测通道。系统使用的探测通道越多，光学传感器间的重合越多，对不同深度信息 分层的能力越高，重建出的图像质量越高。在高密度fNIRS中，通过密集排布的光源和探测 器，同时引入断层重建技术，能够将成像深度提升到2~3cm，空间分辨率提升到lcm左右。然 而，高密度的光源和探测器排布使得fNIRS所需的光源、探测器及探测通道急剧增加，但探 测通道数量、信噪比和时间分辨率这三个参数相互制约，使得提高时间分辨率和空间分辨 率更为具有挑战性。
[0006] Eggebrecht等人（Mapping distributed brain function and networks with diffuse optical tomography，Nature Photonics 8,448-454(2014))开发的高密度扩散 断层成像系统（high-density diffuse optical tomography，HD_D0T)，采用了分时分区域 光源激励的方法。该系统采用双波长，含有96个光源探头，根据光源探测器的空间排布，将 96个光源(每个光源实际为两个不同波长的重合光源)划分为6个矩形区域，编号为区域1~ 区域6，每个区域16个光源，分别编号为光源1~光源16，每个区域的16个光源分时依次点 亮，不同区域的相同编号的光源同时点亮，且奇数区域对偶数区域的光源有一定的频率间 隔。但是这种方法的时间分辨率只能得到有限的提高，并且包含探测通道间的信号串扰，使 信噪比降低。
【发明内容】
[0007] 由于探测通道数量、信噪比和时间分辨率不能同时提高，本发明提出时空频多重 耦合的高密度近红外光谱脑功能成像方法来攻克这一难题。本发明根据光源探测器排布、 探测通道连接和连接长度等参数，将不同连接长度的探测通道进行分类，并对光源进行时 间编码和空间编码，同时智能分配光源的点亮时间、功率和频率等，能有效提高成像的时间 分辨率和空间分辨率，并有很高的信噪比，可以显著提高并行探测效率，在高密度fNIRS系 统中有无可比拟的应用优势。
[0008] 本发明提供的一种时空频多重耦合的高密度近红外光谱脑功能成像方法，主要包 括如下步骤：
[0009] 第一步，探测通道划分。根据光源探测器排布、探测通道连接和连接长度等参数， 将不同连接长度的探测通道进行分类，通常可将相同长度的探测通道划分为一类；
[0010]第二步，光源时间和空间分片。根据探测通道分类的结果，将光源和探测通道在时 间上进行分片和排序等，并根据空间距离等参数，在空间上进行光源空间阵列编码，使不同 阵列的光源在不同的时间点亮，划分出更精细的时间片，这样能极大减少光源间的干扰，并 能提高时间分辨率、空间分辨率和信噪比；
[0011] 第三步，光源点亮时间、功率和频率智能分配。在不同的连接长度中，光源按照不 同的功率驱动，并且光源点亮的时间也不相同，连接长度越长，光源点亮时间越长，功率越 大，有利于提高空间分辨率，且在同一时间片，根据光源的空间分布，进行频率智能调制，使 得距离越近的光源，频率偏移越大，从而提高信噪比；
[0012] 第四步，探测器编码。根据探测通道划分和光源时间空间分片的结果，对探测器进 tx编码，提尚并彳丁探测效率。
[0013] 第五步，光源按照编码好的程序点亮，探测器也按照编码好的程序采集信号，进行 成像。
[0014] 本发明的优点是：
[0015] (1)本发明提出的时空频多重耦合的高密度近红外光谱脑功能成像方法，根据光 源探测器-排布、探测通道连接和连接长度等参数进行探测通道划分和光源的时间和空间 分片，减少了探测通道之间的串扰，可提高时间分辨率、空间分辨率和信噪比；
[0016] (2)本发明提出的时空频多重耦合成像方法中，对光源点亮时间、功率和频率智能 分配，有利于提高系统的空间分辨率和信噪比；
[0017] (3)本发明提出的时空频多重耦合成像方法，由于对探测器进行编码，能提高并行 探测效率，在高密度fNIRS系统中有无可比拟的应用优势。
【附图说明】
[0018] 图1A为光源探头和探测器放置于头部的示意图。
[0019] 图1B为光源探测器排布示意图。
[0020]图2A探测通道的短连接形式示意图。
[0021 ]图2B为探测通道的长连接形式示意图。
[0022]图3A和图3B为短连接的两个光源阵列编码示意图。
[0023]图4A~图4C为长连接的四个典型光源阵列编码示意图。
[0024]图5A为短连接阵列中探测器编码方式。
[0025]图5B为长连接阵列中探测器编码方式。
[0026]图6为fNIRS成像系统硬件控制图。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图对本发明提出的时空频多重耦合的高密度近红外光谱脑功能成像 方法做进一步的说明。
[0028] 本实施例以192光源的光源探测器排布为例，一个光源入射点处有3个不同波长 (785nm，808nm，850nm)的光源重合，因此有64个光源组分布在64个不同的光源入射点上，如 图1A和图1B所示，图1B中空心四边形为探测器，实心黑色圆代表光源1~光源64,光源和探 测器之间的连线代表探测通道。图1A为光源探头和探测器放置于头部的示意图，图1B为光 源探测器排布示意图。通常，高密度fNIRS的探测通道有四种不同的连接长度，分别为 1.3cm、3.0cm、3.9cm和4.7cm，为简单起见，本实施例以两种连接长度（1.3cm和3.0cm)为例 来说明本发明的时空频多重耦合的高密度近红外光谱脑功能成像方法。
[0029] 所述的时空频多重耦合的高密度近红外光谱脑功能成像方法，具体实现步骤如 下：
[0030] 第一步，探测通道划分。根据光源探测器排布、探测通道和连接长度等参数，将不 同连接长度的探测通道进行分类，通常可将相同长度的探测通道划分为一类。
[0031] 本例光源探测器排布中，探测通道连接长度分别1.3cm和3.0cm，将所有连接长度 为1.3cm的探测通道划分为短连接，如图2A所示。所有连接长度为3.0cm的探测通道划分为 长连接，划分结果如图2B所示。
[0032] 第二步，光源空间排布阵列编码和时间分片。
[0033] 根据探测通道分类的结果，将光源和探测通道在时间上进行分片和排序等，并根 据空间距离等参数，在空间上进行光源-探测通道空间阵列编码，使不同阵列的光源在不同 的时间点亮，划分出更精细的时间片，这样能极大减少光源间的干扰，并能提高时间分辨 率、空间分辨率和信噪比。
[0034]本例中，短连接的探测通道编码了2个光源空间阵列，如图3A和图3B所示，每个短 连接光源空间阵列中，编码规则为：
[0035]同一对角线上的光源在同一时间片点亮，意味着第一个光源空间阵列的光源在某 一时间片同时点亮，第二个光源空间阵列的光源在另一时间片同时点亮。本光源空间阵列 编码方式使光源之间的距离较远，互相之间的干扰较小，能提高信噪比。
[0036] 长连接的探测通道编码了九个光源空间阵列，如图4A~4C给出了三个主要光源空 间阵列，将这三个光源空间阵列分别水平向右移动一个光源间隔的长度，可以形成三个新 的光源空间阵列；在此基础上，再水平向右移动一个光源间隔的长度，形成最后三个光源空 间阵列。每一次移动形成一个新的光源空间阵列，由此可以形成另外六个光源空间阵列，一 共形成九个光源空间阵列，分别对应九个时间片，不同时间片顺次启动。每个长连接探测通 道的光源空间阵列中，编码规则为:保证点亮的光源各个方向之间间隔两个未点亮的光源。
[0037] 根据编码的光源空间阵列，划分时间片，每一个光源空间阵列占据一个时间片。本 例中的2个短连接的光源空间阵列和9个长连接的光源空间阵列一共需要11个时间片，使这 11个光源空间阵列和时间片对应，即短连接中光源空间阵列1在时间片段1点亮，短连接中 光源空间阵列2在时间片段2点亮，长连接中光源空间阵列1在时间片段3点亮，……，长连接 中光源空间阵列9在时间片段11点亮。如表1所示。
[0038] 表1时空频多重耦合的高密度近红外光谱脑功能成像方法步骤
[0039]
[0040] 第三步，光源点亮时间、功率和频率智能分配。在不同的连接长度中，光源按照不 同的功率驱动，并且光源点亮的时间也不相同，探测通道的连接长度越长，光源点亮时间越 长，功率越大，有利于提高空间分辨率，且在同一时间片，根据光源的空间分布，进行频率智 能调制，使得距离越近的光源，频率偏移越大，从而提高信噪比。
[0041 ]短连接中，如图3A和3B所示，光源的功率较低，光源点亮时间短;长连接中，如图4A ~4C所示，光源的功率较高，光源点亮时间长。光源的点亮时间和功率均与连接长度近似呈 指数关系，即点亮时间t = BeAd，功率P = CeAd，其中d为连接长度，A、B、C为常数。
[0042]并且，在同一时间片，根据光源空间距离和探测通道连接等参数，使距离越近的光 源之间频率偏移越大，而距离越远的光源之间的频率偏移越小，距离和频率偏移约成负指 数关系。
[0043] 第四步，有效探测通道和探测器编码。根据探测通道分类和光源分片的结果，对有 效探测通道和探测器进行编码，提高并行探测效率。
[0044] 如图5A所示，短连接的每个光源空间阵列中，光源同时点亮，点亮时间较短，功率 较小，每个探测器检测到的信号主要是来自周围距离其最近的四个光源，来自其他光源的 信号由于距离较远，衰减严重，信号被覆盖，因而易于实现对探测器和目标探测通道进行编 码，确认目标探测通道。
[0045] 如图5B所示，长连接的每个光源空间阵列中，光源同时点亮，点亮时间较长，功率 较大，发光光源形成的3cm通道为目标通道。由于提前进行了光源空间阵列编码，并且发光 光源排列稀疏，易于实现对探测器和目标探测通道(有效探测通道)进行编码，确认目标探 测通道。
[0046]第五步，光源按照编码好的程序点亮，探测器也按照编码好的程序采集信号，进行 成像。
[0047]探测器采集到的信号经滤波和A/D转换后，使用FPGA(现场可编程门阵列）或DSP (数字信号处理技术)芯片等进行底层信号处理，并使用高速传输接口进行数据传输。然后 利用计算机PC或直接利用底层FPGA、底层DSP等底层信号处理模块对数据进行解调重建，从 而得到有效的脑功能血流参数。用户的操作指令也可由计算机发送至高速传输接口，经 FPGA、DSP芯片等底层信号处理后驱动光源，实现对光源的实时控制。
[0048]本发明提供的时空频多重耦合的高密度近红外光谱脑功能成像方法，依托fNIRS 成像系统实现。该fNIRS成像系统主要由以下部分组成:光源、探测器、信号滤波及转换模 块、底层信号处理模块、高速传输接口和计算机，如图6所示。
[0049] 光源可以采用激光二极管或LED(发光二极管）。探测器可以采用PMT(光电倍增 管）、APD(雪崩二极管)或(光电二极管）等。探测器采集到的信号经滤波和A/D转换后，使 用FPGA(现场可编程门阵列）或DSP(数字信号处理技术)芯片等进行底层信号处理，包括数 据解调等，并使用高速传输接口进行数据传输。所述的高速传输接口可采用千兆网、USB3.0 等。然后利用计算机PC或直接利用底层FPGA、底层DSP等底层信号处理模块对数据进行解调 重建，从而得到有效的脑功能血流参数。用户的操作指令也可由计算机发送至高速传输接 口，经FPGA、DSP芯片等底层信号处理后驱动光源，实现对光源的实时控制。
[0050] 本发明的时空频多重耦合的高密度近红外光谱脑功能成像方法，根据光源探测器 排布、通道连接和连接长度等参数进行通道划分和光源的时间和空间分片，减少了通道之 间的串扰，提高了系统的时间分辨率、空间分辨率和信噪比。并且对光源点亮时间、功率和 频率智能分配，有利于提高系统的空间分辨率和信噪比。由于对探测器进行编码，能提高并 行探测效率，在高密度fNIRS系统中有无可比拟的应用优势。
【主权项】
1. 一种时空频多重耦合的高密度近红外光谱脑功能成像方法，其特征在于:包括如下 步骤， 第一步，探测通道划分； 根据光源探测器排布、探测通道连接和连接长度，将不同连接长度的探测通道进行分 类，将相同长度的探测通道划分为一类； 第二步，光源时间和空间分片； 根据探测通道分类的结果，将光源和探测通道在时间上进行分片和排序，并根据空间 距离，在空间上进行光源空间阵列编码，使不同阵列的光源在不同的时间点亮； 第三步，光源点亮时间、功率和频率智能分配； 在不同的连接长度中，光源按照不同的功率驱动，并且光源点亮的时间也不相同，探测 通道的连接长度越长，光源点亮时间越长，功率越大，且在同一时间片，根据光源的空间分 布，进行频率智能调制，使得距离越近的光源，频率偏移越大； 第四步，探测器编码； 根据探测通道划分和光源时间空间分片的结果，对探测器进行编码； 第五步，光源按照编码好的程序点亮，探测器也按照编码好的程序采集信号，进行成 像。2. 根据权利要求1所述的一种时空频多重耦合的高密度近红外光谱脑功能成像方法， 其特征在于:所述的探测通道分为长连接和短连接两类，每个短连接的光源空间阵列的编 码规则为： 同一对角线上的光源在同一时间片点亮，意味着第一个光源空间阵列的光源在某一时 间片同时点亮，第二个光源空间阵列的光源在另一时间片同时点亮； 每个长连接的光源空间阵列的编码规则为:保证点亮的光源各个方向之间间隔两个未 点亮的光源。3. 根据权利要求1所述的一种时空频多重耦合的高密度近红外光谱脑功能成像方法， 其特征在于:光源的点亮时间和功率均与连接长度近似呈指数关系，即点亮时间t = BeAd，功 率P = CeAd，其中d为连接长度，A、B、C为常数； 并且，在同一时间片，使距离越近的光源之间频率偏移越大，而距离越远的光源之间的 频率偏移越小，距离和频率偏移约成负指数关系。4. 一种时空频多重耦合的高密度近红外光谱脑功能成像系统，其特征在于:包括光源、 探测器、信号滤波及转换模块、底层信号处理模块、高速传输接口和计算机； 探测器采集到的激光信号经信号滤波和转换模块进行信号转换后，使用FPGA或DSPS 片进行底层信号处理，并使用高速传输接口进行数据传输;然后利用计算机PC或直接利用 底层FPGA、底层DSP底层信号处理模块对数据进行解调重建，从而得到有效的脑功能血流参 数。
【文档编号】A61B5/00GK106037657SQ201610490279
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月28日
【发明人】汪恭正
【申请人】丹阳慧创医疗设备有限公司