[发明专利]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

说明书

技术领域

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

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(HbO₂)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。

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HbO₂、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。

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。

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1cm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。

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-DOT)，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

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。

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：