[发明专利]一种组织体局部血氧饱和度变化量拓扑成像装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于近红外组织光学时域拓扑成像领域，具体涉及一种基于最小二乘拟合算法和动态水吸收修正算法的三波长时域光学拓扑成像装置和方法。

背景技术

近红外光谱学(NIRS)利用组织体在“治疗窗口(600-9000nm)”的光学特性对在体组织的血氧饱和度进行探测。选择“治疗窗口(600-900nm)”范围内的波长，可以获得光在组织体中更大的穿透深度^[1]。与传统的医学诊断和成像设备(如X射线、脑电图、核磁共振)相比，近红外光成像不仅可以实现对活体组织的无损伤及实时的探测和成像，还可以直接获取组织体的生理信息^[2]。目前已有很多基于NIRS的系统被开发并应用于神经系统科学，神经心理学以及脑机接口领域。

目前脑功能成像主要采用的方法是功能磁共振成像(functional MRI,fMRI)，但该方法只能间接测量总的血红蛋白浓度(Total Haemoglobin,c_HbT)，对于更能有效反映组织体生理状态的血氧饱和度却无能为力(oxygen saturation,)。近红外光学成像方法不仅能够分别测量氧合血红蛋白浓度(Oxyhaemoglobin,c_HbO)和还原血红蛋白浓度(Deoxyhaemoglobin,c_HbR)，而且还能进一步导出血氧饱和度(SaO₂)。近年来，光学拓扑成像(Optical Topography，OT)在研究大脑皮层各调控区的应激反应过程中得到了广泛应用。光学拓扑成像即是在待测组织体表面利用反射测量(光在组织体中的漫反射路径如图1所示，其中，d表示源点和探测点之间的距离，I_O表示初始光流量，I_K表示出射光流量，scalp表示头皮组织，skull表示头骨，CSF表示脑脊液，brain表示脑髓)给出组织体表面下浅层的光学参数二维变化。例如，研究人的思维活动以及肢体运动引起的大脑皮层内血氧饱和度的变化^[2]。与其他成像方式相比，拓扑成像方法具有源探测器排布简单可变；单一源探测器对测得的数据只与其中间点处的采样点相关联，各采样点数据之间互不影响，信噪比较高；对成像目标运动的稳定性等优点^[3]。

光学拓扑成像可采用三种测量模式：连续光(Continuous Wave,CW)、频域(Frequency Domain,FD)和时域(Time Domain,TD)。CW测量方法利用光在组织中的传输的衰减来确定c_HbO和c_HbR，单一距离下无法有效区分吸收系数和散射系数的影响，测量误差较大。FD测量技术通过测量反射光相对于入射光的幅度衰减和相位延迟得到组织体吸收系数和散射系数的信息。FD测量主要是通过高频调制实现的，信噪比较低。TD测量模式用短脉冲激光作为光源，采用时间分辨测量系统对反射光进行采集，测定时间扩展函数(temporal point spread function，TPSF)，不但能够获得出射光强相对于入射光强的衰减信息，而且还可以获得光在组织体中传输的路径信息，从而实现吸收效应和散射效应的分离^[4]。TD模式在信息完整性、数据灵活性、系统稳定性、以及随之体现的成像质量、稳健性、多参数和多组分重建等诸多关键性能上具有其它测量模式不可比拟的综合优势，已经成为当前扩散光学成像和荧光分子成像技术的主要研究趋势^[5]。

TD测量模式主要采用同步条纹扫描相机(Streak camera)和时间相关单光子计数(Time-Correlated Single Photon Counting,TCSPC)^[6]两种技术来检测组织表面出射光的时间分布，利用光子飞行信息进行光学参数的测量和成像研究。前者时间分辨率很高，但体积大，成本高，动态范围有限；后者结合了光子计数和超快电子技术的综合优势，具有成本低、灵敏度高、动态范围宽以及时间分辨合理等一系列突出优点。本专利将TCSPC技术应用到光学拓扑成像系统中以实现具有纳秒持续时间量级的超微弱瞬态光信号的检测。