一種組織體局部血氧飽和度變化量拓撲成像裝置及方法
【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撲成像裝置，包括光源單元、探測單元和計算機，光源單元包括激光控制器、三個不同波長的近紅外激光器、波分復(fù)用器和1:9光開關(guān)；探測單元包括光纖布配器，9根源光纖、4根探測光纖、用于準(zhǔn)直反射光的準(zhǔn)直器、對輸出光強進行調(diào)節(jié)的濾光輪、探測光子的四個光電倍增管、路由器以及多維單光子計數(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仍能較好重建異質(zhì)體形狀和參數(shù)值的優(yōu)勢。動態(tài)水吸收修正算法能夠消除水背景對光吸收的影響，進而使得氧合血紅蛋白和還原紅蛋白濃度的變化更加精確。
【專利說明】一種組織體局部血氧飽和度變化量拓撲成像裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于近紅外組織光學(xué)時域拓撲成像領(lǐng)域，具體涉及一種基于最小二乘擬合 算法和動態(tài)水吸收修正算法的三波長時域光學(xué)拓撲成像裝置和方法。

【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)特性對在 體組織的血氧飽和度進行探測。選擇"治療窗口（600-900nm)"范圍內(nèi)的波長，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現(xiàn)對活體組織的無損傷及實時的探測和成像，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 該方法只能間接測量總的血紅蛋白濃度（Total Haemoglobin, cHbT),對于更能有效反映組 織體生理狀態(tài)的血氧飽和度卻無能為力（oxygen saturation,

【權(quán)利要求】
1. 一種組織體局部血氧飽和度變化量拓撲成像裝置，包括光源單元、探測單元和計算 機，其特征在于： 所述光源單元包括激光控制器（1)、三個不同波長的近紅外激光器（2)、波分復(fù)用器 (3)和1:9光開關(guān)（4);三個激光器（2)產(chǎn)生的不同波長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)用于實現(xiàn)在不同的光源入 射位置間進行切換； 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 ; 三個激光器（2)的波長在650?950nm，且個激光器（2)之間波長的差值50?150nm ; 所述探測單元包括光纖布配器（6)、9根源光纖（5)、4根探測光纖（7)、用于準(zhǔn)直反射光 的準(zhǔn)直器（8)、對輸出光強進行調(diào)節(jié)的濾光輪（9)、探測光子的四個光電倍增管PMT(10)、路 由器（11)以及多維單光子計數(shù)模塊TCSPC(12);其中： 所述源光纖（5)用于傳導(dǎo)照射到待測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)和探測光纖（7)在待測組織體表面的位置； 所述探測光纖（7)用于傳導(dǎo)由待測組織體表面不同探測位置反射的漫反射光； 所述濾光輪（9)內(nèi)裝有3?6個不同衰減系數(shù)的中值密度衰減片； 所述路由器（11)用以辨別四個光電倍增管（10)探測到的多維漫反射光信號； 所述多維單光子計數(shù)模塊TCSPC(12)用以記錄多維漫反射光信號的時間點擴展函數(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 維單光子計數(shù)模塊TCSPC (12)均連接至所述計算機（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撲成像裝置，其特征在 于，三個激光器（2)的波長分別為660nm、780nm和830nm。
3. -種局部血氧飽和度變化量拓撲成像方法，其特征在于，采用如權(quán)利要求1或2所述 組織體局部血氧飽和度變化量拓撲成像裝置，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根探測光纖（7)固定在待測組織體表面； 其中，9根源光纖（5)形成的源點按照三行三列等距布置，相鄰兩個源點的距離為1?3cm ; 4根探測光纖（7)形成的探測點分別位于相鄰4個源點的中心位置；每個源點和與其相鄰 的探測點之間形成有一采樣點； 將待測組織體處于靜息狀態(tài)時記作rest狀態(tài)，將待測組織體處于任務(wù)狀態(tài)時記作 task狀態(tài)； 用波分復(fù)用器（3)耦合之后的激光束依次激勵所述9個源點，并用濾光輪（9)中的 衰減片進行衰減，然后再入射到4個光電倍增管（10)的陰極，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號， 4個光電倍增管（10)的電信號經(jīng)過路由器（11)辨別之后最終送達多維單光子計數(shù)模塊 TCSPC(12)進行單光子計數(shù)，在與每個源點相鄰的探測點同時獲取采樣點在rest狀態(tài)和 task狀態(tài)下的時間點擴展函數(shù)； 將待測組織體處于rest狀態(tài)時的16個采樣點的時間點擴展函數(shù)表示為：
(1) 將待測組織體處于task狀態(tài)時的16個采樣點的時間點擴展函數(shù)表示為：
(2) 公式（1)和公式（2)中：i = 1，2, 3 ;j = 1，2,…，16, λ i分別表示上述三個波長，p』 分別表示上述16個采樣點，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是時間點擴展函數(shù)中的自變量； 最終得到96個時間點擴展函數(shù)，其中包括48個rest狀態(tài)下的時間點擴展函數(shù)和48 個taskt狀態(tài)下的時間點擴展函數(shù)； 步驟二、數(shù)據(jù)處理，包括： 2-1、平面半無限空間外推邊界條件下，組織體表面距源點P處的探測點反射光流量 表達式如下：
(3) 公式（3)中
P為相鄰源和探測器之間的幾 何距離；c為光在真空中的傳播速度；κ為擴散系數(shù)；μ 3為組織體的吸收系數(shù)，Z(|為實際邊 界距離，zb為外推邊界距離，t為時間自變量；設(shè)本專利所采用檢測系統(tǒng)的系統(tǒng)響應(yīng)函數(shù)為 IRF(t)，實驗所測得的靜息狀態(tài)下時間點擴展函數(shù)為IRF(t)與1^stR(P，t)的卷積即
(4) 對公式（4)運用最小二乘擬合算法，用在步驟一中獲得的rest狀態(tài)下的時間點擴展函 數(shù)得出每個采樣點處組織體在三個波長下的的吸收系數(shù)，進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)時在三個波長下的吸 收系數(shù)，
和
分別表示水在三個波長下的消光系數(shù)，
：表示組織體處于靜息 狀態(tài)時水的濃度，
和
分別表示氧合血紅蛋白在三個波長下的消光系數(shù)，

和
分別表示脫氧血紅蛋白在三個波長下的消光系數(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) 對公式（6)運用最小二乘擬合算法，用在步驟一中獲得的rest狀態(tài)下的時間點擴展函 數(shù)和task狀態(tài)下的時間點擴展函數(shù)得出每個采樣點處組織體在三個波長下相對于rest狀 態(tài)的吸收系數(shù)的變化量，進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)時在三個波長下的吸 收系數(shù)變化量，
和
分別表示水在三個波長下的消光系數(shù)，
表示組織體相 對于靜息狀態(tài)時水的濃度變化量，
和.
分別表示氧合血紅蛋白在三個波長下的 消光系數(shù)，
和
分別表示脫氧血紅蛋白在三個波長下的消光系數(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、求出每個采樣點在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)步驟二獲得的每個采樣點在task狀態(tài)下相比于rest狀態(tài)的血氧飽和度 的變化量，用計算機上的matlab軟件畫出16個采樣點血氧飽和度變化量的二維拓撲成像。
【文檔編號】A61B5/1455GK104146714SQ201410415831
【公開日】2014年11月19日 申請日期: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 申請人:天津大學(xué)