当前位置: 首页 > 专利查询>天津大学专利>正文

基于全并行锁相光子计数检测模式的NIRS脑功能成像系统技术方案

技术编号:16391832 阅读:385 留言:0更新日期:2017-10-17 15:28
本发明专利技术公开了一种基于全并行锁相光子计数检测模式的NIRS脑功能成像系统,包括可调制LED光源单元、源‑探光纤布配阵列单元,探测单元、FPGA以及计算机控制和数据处理单元;可调制LED光源单元包括LED光源模块、多通道方波信号发生器模块和20束源光纤,所述LED光源模块包括60个三种波长的LED和LED光源驱动电路;多通道方波信号发生器模块输出60路不同频率的方波信号;源‑探光纤布配阵列单元包括用于配置20个光源点和12个探测点的源‑探光纤布配贴片、多根源光纤和探测光纤,探测单元包括12根探测光纤、12个PMT光子计数器和12通道×60路可变选通锁相光子计数检测模块。本发明专利技术所提出的成像系统集高灵敏度、大动态范围与高时间分辨率等诸多优势于一身。

NIRS brain functional imaging system based on full parallel phase locked photon counting detection mode

The invention discloses a NIRS brain imaging system parallel photon counting lock-in detection model based on LED, including the modulation of light source unit, probe fiber distribution array unit, detection unit, FPGA, computer control and data processing unit; the modulation of the LED light source unit comprises a LED light source module, multi-channel square wave the signal generator module and a 20 optical fiber beam source, the LED light source module includes 60 three wavelength LED and LED light source driving circuit; multi-channel square wave signal generator module can output 60 different frequency square wave signal source; probe fiber distribution array unit includes a configuration of 20 light and 12 probe the source on fiber cloth with patch and multi source fiber and optical fiber probe, detection unit comprises 12 detection fiber and 12 PMT photon counter and 12 x 60 channel path variable gated photon counting lock-in Detection module. The imaging system proposed in this paper has many advantages, such as high sensitivity, large dynamic range and high time resolution.

【技术实现步骤摘要】
基于全并行锁相光子计数检测模式的NIRS脑功能成像系统
本专利技术属于近红外脑功能成像
,具体涉及基于不同频率方波调制LED编码激励的多通道、多波长锁相光子计数全并行检测模式以及基于此模式建立的NIRS脑功能成像系统,同时提出了面向脑枕部视觉功能区探测的源-探布配方案。
技术介绍
后脑枕叶部(简称枕部)作为主要的视觉区是视觉刺激脑功能(简称视觉脑功能)研究的重点区域之一[1]。对脑枕部视觉功能区的在体成像研究具有非常重要的意义:在科学研究领域,视觉脑功能成像是研究大脑认知机制的重要一环,有助于探索视觉注意和信息表达等众多未知神经机制的奥秘[1];临床医学领域,视觉脑功能成像可更有效地用于对诸如多动症、自闭症、阿尔兹海默症、癫痫等神经系统的疾病的病因诊断和疗效分析等[2,3];应用
,基于视觉脑功能探测的脑机接口技术具有较其他激励方式更高的可靠性(通信精度和分辨精度)[4,5]。近红外光谱(NIRS)成像方法使用两个以上波长的近红外光(650-900nm),将源点和探测点在预定脑功能区内成阵列布配,由于生物组织在近红外波段的弱吸收、强散射特征,入射光可穿透头皮、头骨而达到脑皮层,并获得经颅吸收和散射共同作用后的扩散光(或漫反射光)。由于大脑的神经活动会导致周围区域氧合血红蛋白(HbO)和脱氧血红蛋白(HbR)浓度发生变化,而在近红外光测量和治疗的光学窗口,由于反映脑组织代谢和血流动力学特征的HbO和HbR正是近红外光波段内的主要吸收体,因此由应激前后漫反射光强度变化的空间分辨测量可还原出脑皮层HbO和HbR浓度变化(△CHbO和△CHbR)的空间分布,从而为脑科学基础研究和脑疾病诊断提供大脑皮层(负责高级的思维过程)应激响应的血氧代谢功能信息[6-10]。NIRS成像方法因其无创、深度探测、高动态性等诸多优点,是目前可用于脑功能在体测量的首选光学方法,同时它也是目前唯一可用于床边婴儿脑功能成像的方法[6]。以NIRS为代表的脑功能测量技术将逐步发展成熟并进入临床测试应用阶段,成为现有脑成像模态(fMRI、EEG、MEG等)[11]的一个极为有益的补充。现有的NIRS系统有时域(Time-Domain,TD)[12]、频域(Frequency-Domain,FD)[13]和连续光(Continuous-Wave,CW)[14]三种主要的测量模式。其中TD-NIRS测量系统虽然具有测量信息相对完整的优势,但是其系统价格昂贵、测量时间长,难以在小型实验室中进行普及和测量神经快变信号。FD-NIRS系统一般需要200MHz以上的高频调制以实现相移测量所需的合理信噪比,实现难度较大,单频测量提供的信息有限,而多频测量系统性价比与时域测量相比不占优势。因此,CW系统是脑功能光学成像的主流技术。目前,国内外的科学工作者在CW-DOT技术系统和基础研究领域做了大量的工作,也取得了诸多成果。NIRS方法当前普遍采用的模拟测量方式,更适合于头骨较薄的前额和头侧部的检测。头骨较厚的成人脑枕部检测对系统的灵敏度提出了更高的要求。即便采用高灵敏度的光电倍增管(PMT)和雪崩光电二极管(APD)仍无法可靠地实现成人脑枕部测量所要求的高灵敏度和大动态范围,也无法获取具有较高信噪比的测量数据。[参考文献][1]唐孝威等,《脑科学导论》,浙江大学出版社,2006.[2]Ann-ChristineEhlisetal,“Applicationoffunctionalnear-infraredspectroscopyinpsychiatry,”NeuroImage85,478-88,2014.[3]G.Stothartetal,“EarlyVisualEvokedPotentialsandMismatchNegativityinAlzheimer'sDiseaseandMildCognitiveImpairment,”J.Alzhem.Disease44,397,2015.[4]S.-K.Gaoetal,“Visualandauditorybrain-computerinterfaces”,IEEETrans.Biomed.Eng.61,1436,2014.[5]Y.Tomitaetal,“BiomodalBCIusingsimultaneouslyNIRSandEEG”IEEETrans.Biomed.Eng.61,1274,2014.[6]S.Lloyd-Foxetal,"Illuminatingthedevelopingbrain:Thepast,presentandfutureoffunctionalnearinfraredspectroscopy,"Neurosci.Biobehav.Rev.34,269-284,2010.[7]F.Scholkmannetal,"Areviewoncontinuouswavefunctionalnear-infraredspectroscopyandimaginginstrumentationandmethodology,"NeuroImage85,6-27,2014.[8]M.FerrariandV.Quaresima,"Abriefreviewonthehistoryofhumanfunctionalnear-infraredspctroscopy(fNIRS)developmentandfieldsofapplication,"NeuroImage63,921-35,2012.[9]Y.Hoshi,"Towardsthenextgenerationofnear-infraredspectroscopy,"Phil.Trans.R.Soc.A369,4425-39,2011.[10]D.A.Boasetal,"Twentyyearsoffunctionalnear-infraredspectroscopy:introductionforthespecialissue,"NeuroImage85,1-5,2014.[11]HiroshiKawaguchi,TatsuyaKoyama,EijiOkada,VirtualHeadPhantomforEvaluationofNearInfraredTopography,LasersandElectro-OpticsSociety,2006;[12]HideakiKoizumi,AtsushiMaki,TsuyoshiYamamoto,HirokiSato,YukariYamamoto,HideoKawaguchi,Non-invasivebrain-functionimagingbyopticaltopography,TrendsinAnalyticalChemistry,Vol.24,No.2,2005;[13]M.S.Patterson,B.ChanceandB.C.Wilson,Timeresolvedreflectanceandtransmittanceforthenoninvasivemeasurementoftissueopticalproperties,Appl.Opt.1989,28:2331–2336;[14本文档来自技高网...
基于全并行锁相光子计数检测模式的NIRS脑功能成像系统

【技术保护点】
一种基于全并行锁相光子计数检测模式的NIRS脑功能成像系统,其特征在于,包括源‑探光纤布配阵列单元、可调制LED光源单元、探测单元、现场可编程门阵列(FPGA)和计算机控制及数据处理单元;所述源‑探光纤布配阵列单元包括源‑探光纤布配贴片、源光纤和探测光纤,源‑探光纤布配贴片采用源‑探点空间交叉布置的方式,源‑探光纤布配贴片与20个光源点和12个探测点的位置对应,用于布配源光纤和探测光纤的位置,以实现光源从不同光源点入射和探测器从不同的探测点接收出射光;所述可调制LED光源单元包括LED光源模块、多通道方波信号发生器模块和20束源光纤,所述LED光源模块包括60个LED和LED光源驱动电路,所述60个LED包括20个波长为660nm的LED、20个波长为780nm的LED和20个波长为830nm的LED;所述多通道方波信号发生器模块由FPGA实现,用以输出频率为从6.2kHz到18kHz、且以0.2kHz等间隔分布的60路方波调制信号对60个LED分别进行调制;每一束源光纤由分别接通到660nm,780nm和830nm波长LED的三根单模光纤通过共用一个塑料护套耦合而成;共有20束这样的源光纤将60路光源分成20束传导到20个光源点;所述探测单元包括12根探测光纤,12个PMT光子计数器和12通道×60路可变选通锁相光子计数检测模块,其中,12根探测光纤用于将所述12个探测点位置处的扩散光分别传导到所述12个PMT光子计数器;所述12个PMT光子计数器用于将接收到的光信号转化为电脉冲信号;所述12通道×60路可变选通锁相光子计数检测模块由FPGA实现,其中,每通道对应所述12个探测点中的一个,每路对应所述60个LED的调制光源中的一个,从而使所述FPGA同时获取12个探测点处分别对应60路光源的出射光强信息,实行全并行快速测量;所述计算机控制及数据处理单元向多通道方波信号发生器模块发送频率控制字控制其产生选定频率的方波调制信号;同时,向12通道×60路可变选通锁相光子计数检测模块发送门宽控制字控制单次测量时间;等到测量过程结束后通过串口读取12个探测点处分别对应60路光源的出射光强信息,最后,利用扩散光学层析重建算法构建反映脑皮层光学参数变化量的空间分布图。...

【技术特征摘要】
1.一种基于全并行锁相光子计数检测模式的NIRS脑功能成像系统,其特征在于,包括源-探光纤布配阵列单元、可调制LED光源单元、探测单元、现场可编程门阵列(FPGA)和计算机控制及数据处理单元;所述源-探光纤布配阵列单元包括源-探光纤布配贴片、源光纤和探测光纤,源-探光纤布配贴片采用源-探点空间交叉布置的方式,源-探光纤布配贴片与20个光源点和12个探测点的位置对应,用于布配源光纤和探测光纤的位置,以实现光源从不同光源点入射和探测器从不同的探测点接收出射光;所述可调制LED光源单元包括LED光源模块、多通道方波信号发生器模块和20束源光纤,所述LED光源模块包括60个LED和LED光源驱动电路,所述60个LED包括20个波长为660nm的LED、20个波长为780nm的LED和20个波长为830nm的LED;所述多通道方波信号发生器模块由FPGA实现,用以输出频率为从6.2kHz到18kHz、且以0.2kHz等间隔分布的60路方波调制信号对60个LED分别进行调制;每一束源光纤由分别接通到660nm,780nm和830nm波长LED的三根单模光纤通过共用一个塑料护套耦合而成;共有20束这样的源光纤将60路光源分成20束传导到20个光源点;所述探测单元包括12根探测光纤,12个PMT光子计数器和12通道×60路可变选通锁相光子计数检测模块,其中,12根探测光纤用于将所述12个探测点位置处的扩散光分别传导到所述12个PMT光子计数器;所述...

【专利技术属性】
技术研发人员:高峰贺捷丁雪梅丁号赵会娟
申请(专利权)人:天津大学
类型:发明
国别省市:天津,12

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1