一种智能分频调制的多通道近红外光谱脑功能成像方法技术

本发明专利技术公开了一种智能分频调制的多通道近红外光谱脑功能成像方法，涉及医学成像技术领域。所述方法包括频率段划分、初始频率生成、分空间频率调制和其他波长光源频率调制的步骤，成像时，所有光源按照调制频率同时点亮，可以显著提高并行探测效率，并提高时间分辨率；本发明专利技术根据空间距离和通道连接等参数进行分空间频率调制，考虑了光子信号强度随探测距离的增加呈指数衰减的特点，降低了光源之间频谱泄露的干扰，可以提高信噪比；本发明专利技术提出的成像方法，由于进行分空间频率调制，实现了同时多个光源的频率并行调制，并且各个频率分量之间无泄露，在多通道fNIRS成像中有无可比拟的应用优势。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及医学成像
，具体涉及一种智能分频调制的多通道近红外光谱脑功能成像方法。
技术介绍
近年来，在脑功能成像方法中，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范围的近红外光谱，检测大脑代谢引起的光学吸收特性的改变，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。相较于其他脑功能成像方法，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。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，相邻的光源和探测器可组成一个探测通道，从探测点检测的信息便可反映对应探测通道的信息。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对应的大脑信号。目前，多通道fNIRS成像系统中，等间距探头拓扑排布被广泛应用。在等间距拓扑结构的fNIRS成像中，主要有两种方式实现多通道光谱信号的检测。第一种是分时方法，在每个特定时间只点亮一个光源，通过轮询实现信号探测。在多通道多光源的系统中，完成一次轮询需要顺序遍历所有的光源，所需的时间较长，系统的时间分辨率的提高受到限制。第二种方法为频率并行调制，给不同探头(不同排布位置)的、不同波长的光源设定不同的调制频率(通常6-12KHz之间，方波调制)，所有光源同时点亮。由于同一时刻，探测器接收到的来自不同光源的光信号频率不相同，因而可以通过频谱提取(例如快速傅里叶变换或带通滤波器)把来自不同光源的信号区分开来，实现同时采集多个探测通道的信号。频率调制还可显著提高信噪比，大幅度降低来自电子电路固有的低频率1/f噪声以及环境光干扰。例如，美国Techon公司的CW6产品将32个光源在6.4到12.8KHz范围均匀分配了调制频率(激光调制频率的间隔是200Hz的整数倍)。然而，已有方法中，同时被调制的光源不宜过多，否则各个频率分量之间会有泄露，造成探测通道间的串扰。而对于可覆盖全脑的fNIRS成像系统，其光源数目较多，受限于噪声、数模转换器(AD)性能和成本等因素，同时频率调制时，不同光源间的频率间隔较小，频率泄露使得相邻探测通道之间存在串扰，降低信号采集的准确度和信噪比。
技术实现思路
针对上述不足，本专利技术提出了一种智能频率调制方案。注意到，光子信号强度随探测距离的增加呈指数衰减，大约探测距离每增加1厘米，信号强度就降低一个数量级。如果空间距离较远的光源同时以相同的频率点亮，由于空间距离较远，彼此之间的干扰可以忽略，因而可以分空间调制频率，实现并行探测信号。为进一步降低彼此间频谱泄露干扰，不同空间的调制频率略有差异，距离越近偏移越大。本专利技术提供一种智能分频调制的多通道近红外光谱脑功能成像方法，主要包括如下步骤：第一步，频率段划分。根据所采用光源波长个数(2个或3个)和频率范围，将频率范围均匀划分为与波长个数相等的频率段，使得一个波长对应一个频率段，并计算频率段之间的频率间隔；第二步，初始频率生成。选择其中一个波长对应的频率段，根据光源入射点总个数，将该频率段范围内的频率均匀划分，作为初始频率；所选波长对应的光源的频率只能从生成的初始频率中选取；第三步，分空间频率调制。在选中的波长中，依次遍历本波长所有光源，完成该波长下，所有光源的频率调制；第四步，其他波长光源频率调制。对于相同光源入射点处其他波长的光源，由于第三步中已经调制其中一个波长下的光源频率，其他波长光源只需加上或减去第一步中计算的频率间隔即可得出其对应频率，从而完成所有光源的频率调制。第五步，所有光源同时点亮，其发光频率为第四步计算出的调制频率，随后进行成像。本专利技术的优点是：(1)本专利技术提出的智能分频调制的多通道近红外光谱脑功能成像方法，根据空间距离和通道连接等参数进行分空间频率调制，考虑了光子信号强度随探测距离的增加呈指数衰减的特点，降低了光源之间频谱泄露的干扰，可以提高信噪比；(2)本专利技术提出的成像方法中，所有波长下的所有光源同时点亮，可以显著提高并行探测效率，并提高时间分辨率；(3)本专利技术提出的成像方法，由于进行分空间频率调制，实现了同时多个光源的频率并行调制，并且各个频率分量之间无泄露，在多通道fNIRS成像中有无可比拟的应用优势。附图说明图1.光源探测器排布图。图2.干扰距离的定义和计算。图3A.光子信号强度随距离的增加呈指数衰减曲线。图3B.表示光源Sn对其他光源的干扰强度随干扰距离呈指数衰减曲线。图4.确定光源频率。图5.本专利技术提供的成像方法流程图。图6.fNIRS成像系统硬件控制示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术提出的智能分频调制的多通道近红外光谱脑功能成像方法做进一步的说明。以调制频率范围在6-12KHz之间的三波长(例如785nm，808nm，850nm)fNIRS成像仪器为例，包含72个光源，每个光源入射点处有3个不同波长的光源重合，因此有24个可见光源分布在24个不同的光源入射点上，如图1所示，空心四边形为光源探测器，实心黑色圆代表光源入射点，光源入射点和光源探测器之间的连线代表探测通道。为方便叙述，选择785nm波长下的24个光源为例，将光源分别表示为S1，S2，……，S24。采用本专利技术提供的智能分频调制的多通道近红外光谱脑成像方法，如图5所示流程，具体实现步骤如下：第一步，频率段划分。根据光源波长个数(2个或3个)和光源频率范围，将频率均匀划分为R个频率段，R与光源波长个数相等；使得一个波长对应一个频率段，并计算频率段之间的频率间隔。本例的fNIRS成像系统调制频率在6-12KHz之间，且为三波长，则在6-12KHz将频率均匀划分为3个频率段：6-8KHz、8-10KHz、10-12KHz。使得785nm的光源的频率段对应为6-8KHz，808nm的光源的频率段对应为8-10KHz，850nm的光源的频率段对应为10-12KHz，频率段之间的频率间隔为2KHz。因此，在同一个光源入射点处，只需确定785nm光源的频率段，将频率偏移2KHz，得到808nm光源的频率段；偏移4KHz，可得到850nm光源的频率段。第二步，在选定的频率段内，生成初始频率。选择光源中一个波长对应的频率段，根据光源入射点总个数，根据公式 μ = 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种智能分频调制的多通道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，频率段划分；根据所采用光源入射点处的波长个数和频率范围，将频率范围均匀划分为与波长个数相等数量的频率段，使得一个波长对应一个频率段，并计算频率段之间的频率间隔；第二步，初始频率生成；选定其中一个波长对应的频率段，根据光源入射点总个数，将该频率段范围内的频率均匀划分，作为初始频率；所选波长对应的光源的频率只能从生成的初始频率中选取；第三步，分空间频率调制；在选中的波长中，依次遍历本波长下所有光源，为每一个光源选择发光频率，完成所有光源的频率调制；第四步，其他波长光源频率调制；对于相同光源入射点处其他波长的光源，由于第三步中已经调制其中一个波长下的光源频率，其他波长光源只需加上或减去第一步中计算的频率间隔即可得出其对应频率，从而完成所有光源的频率调制；第五步，所有光源按照各自的调制频率同时点亮，进行成像。

【技术特征摘要】
1.一种智能分频调制的多通道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，频率段划分；根据所采用光源入射点处的波长个数和频率范围，将频率范围均匀划分为与波长个数相等数量的频率段，使得一个波长对应一个频率段，并计算频率段之间的频率间隔；第二步，初始频率生成；选定其中一个波长对应的频率段，根据光源入射点总个数，将该频率段范围内的频率均匀划分，作为初始频率；所选波长对应的光源的频率只能从生成的初始频率中选取；第三步，分空间频率调制；在选中的波长中，依次遍历本波长下所有光源，为每一个光源选择发光频率，完成所有光源的频率调制；第四步，其他波长光源频率调制；对于相同光源入射点处其他波长的光源，由于第三步中已经调制其中一个波长下的光源频率，其他波长光源只需加上或减去第一步中计算的频率间隔即可得出其对应频率，从而完成所有光源的频率调制；第五步，所有光源按照各自的调制频率同时点亮，进行成像。2.根据权利要求1所述的一种智能分频调制的多通道近红外光谱脑功能成像方法，其特征在于：所述的最小偏移频率根据干扰距离得到，具体为，Δfn(i)＝...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪恭正，
申请(专利权)人：丹阳慧创医疗设备有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32