光声脑功能成像的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种光声脑功能成像的方法，是通过对脑皮层血管的光声层析图像，实现脑血管结构分布观察及功能监测的成像。通过血管的形态分布，管径大小的变化及血管光声信号的强弱变化，可以监测脑损伤、脑出血的变化程度和反映脑血流量，脑氧消耗量及脑氧饱和度等参数的改变；实现所述方法的装置中激光发生组件、声信号采集组件、计算机依次电气连接；旋转扫描机构与计算机电气连接；样品固定组件与声耦合组件依次序连接；本发明专利技术操作方便，性能灵敏，快捷，能够无损伤的情况下对脑血管进行成像分析，进而对脑功能进行监测，可为医生提供脑功能判断的影像依据。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及医学和医疗器械。更详细地是一种光声脑功能成像的方法。本专利技术还涉及实现上述方法所用的装置。
技术介绍
脑功能成像是使用脑局部成像技术，是在完全无损伤的情况下对脑的高级功能活动进行观察分析，进而对脑功能进行评价的一种新的医学影像。脑科学研究首要的是实验研究，特别需要在无创伤条件下对活体脑进行动态过程的研究。目前常用于脑功能成像的方法包括单光子发射计算机断层成像技术(SPECTSingle Photon Emission Computed Tomography)、正电子发射断层扫描技术(PETPositron Emission Tomography)和核磁共振功能成像技术(fMRIFunctional Magnetic Resonance Imaging)。SPECT和PET均属于放射性核素显像方法，可利用放射性核素的示踪作用探测出体内核素发出的γ射线，测量数据经适当方法处理后，得到待测部位的放射性核素密度分布图像，可以提供血流、功能、代谢方面的信息，显示脑功能的活动。PET是将示踪核素标记的化合物注入人体内部，利用不同组织中示踪核素浓度的差异进行显像，应用生物物理学的示踪动力学模型，计算出人体各部位组织的局部血流量、物质转运速率、代谢速率和受体结合率等功能图像。空间分辨率和时间分辨率差是SPECT的致命缺陷，因此SPECT成像难以细致地区分脑内复杂的神经结构，也无法捕捉较短时间内的脑功能动态改变。PET的空间分辨率较SPECT有所提高，但时间分辨率仍较低。而fMRI是通过血氧水平依赖(blood oxygenation level dependent，BOLD)原理反映血流动力血变化，不涉及放射性元素，具有较好的空间及时间分辨率，但fMRI和PET的一个重要缺点是价格昂贵。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的缺点和不足，提供一种完全无损伤的光声脑功能成像的方法，由于血红蛋白与周围组织的光吸收差异特性，可以产生高对比度高分辨率的光声层析成像，从而可反映外界生理调控后脑部的活动情况，同时根据血管管径大小的改变及血管光声信号的强度分布可反映局部的脑血流量、流速，氧消耗及氧饱和度的改变，可为各类研究提供脑功能判断的影像依据，其操作安全、便捷、准确。本专利技术可用于脑部活动的监测和脑功能的研究；例如脑部进化研究，不同动物脑部区别研究，脑部病变研究等。还可以利用多波长光激发实现脑氧检测，观测新生儿脑的发育过程和脑肿瘤增生过程等。本专利技术的另一目的在于提供一种实现上述方法采用的装置。本专利技术光声脑功能成像的方法包括脉冲激光穿透头皮和头盖骨照射到脑皮层上，实现对脑皮层血管的光声层析图像。通过观察图像血管的形态分布，可监测脑损伤，脑出血的程度，根据血管管径大小的变化及血管光声信号强弱的变化来评价脑血流量，脑氧消耗量和脑氧饱和度的改变等脑高级活动情况。本专利技术的光声脑功能成像的方法，包括如下步骤1、一种光声脑功能成像的方法，其特征在于将脉冲激光穿过头皮和头盖骨照射到生物体脑皮层上，实现对脑皮层血管的光声层析图像；包括下述步骤(1)信号诱发使脉冲激光透过生物体头皮和头盖骨照射到脑皮层上，产生光声信号；所选用激光波长为500nm-1064nm；(2)信号采集利用超声探测器旋转扫描接收步骤(1)得到的光声信号，将其采集、保存到计算机中；(3)光声成像对采集的光声信号可用matlab软件等进行滤波、积分后，通过背向反投影算法得到脑皮层血管层析成像。为了进行脑部活动变化研究，本专利技术还可以包括步骤(4)，对同一脑皮层依时间次序多次成像，根据得到的脑皮层血管层析成像中，根据血管管径大小的变化及血管光声信号强弱的变化来评价脑血流量，脑氧消耗量和脑氧饱和度的改变。为了进行不同脑部活动的区别研究，本专利技术的步骤(4)也可以如下对不同脑皮层同时成像，根据得到的脑皮层血管层析成像中，血管管径大小的区别及血管光声信号强弱的区别来评价脑血流量，脑氧消耗量和脑氧饱和度的区别。步骤(2)中所述超声探测器是单一探测元的探测器或者多元线性阵列的探测器。步骤(2)中所述旋转扫描是360度范围内的旋转扫描。例如所述旋转扫描是在LABIEW采集程序控制下，由步进电机带动超声探测器在360度范围内旋转扫描。实现所述方法采用的装置，包括激光发生装置，用以产生脉冲激光，并将脉冲激光经光路调整系统调整后照射到待测生物体脑部；旋转扫描机，用以实现360度范围内旋转扫描，包括继电控制器、步进电机、环形扫描支架，步进电机分别连接继电控制器和环形扫描支架；声信号采集器，包括超声探测器、信号放大器、数字示波器；超声探测器、信号放大器、数字示波器依次电气连接；计算机，用于采集、存储、处理信号，所述计算机含有数字I/O卡、数据传输卡、Labview软件、Matlab软件；生物体固定器，包括三维可调平台和脑立体固定仪，用于固定待测生物体脑部；用于声速匹配的声耦合池，由内部充满声耦合液、含有控制声耦合液温度在37℃的温控系统的长方体盒构成。其中所述激光发生装置连接声信号采集器；所述计算机分别连接声信号采集器、旋转扫描机；所述生物体固定器连接声耦合池。所述光路调整系统由镀膜反射镜、凹透镜、毛玻璃，镀膜反射镜、凹透镜、毛玻璃依次光路连接构成。本专利技术的工作原理是血红蛋白和周围组织的光吸收差异很大，如在532nm波长下，血红蛋白有很强的吸收特性，吸收系数为235cm-1，而其它组织吸收系数相对很小，如脑灰质的吸收系数为0.56cm-1。因此利用光声成像可得到高对比度的血管形态分布图像，从而可用于监测脑血管损伤，脑血管出血等脑部活动情况。而脑又是中枢神经系统的主要部分，它反映并控制着生物体的生理和心理活动。脑的高级活动，如主动思考或药物刺激等，都会使脑部供血和供氧情况发生变化。光声信号的强度依赖于激发波长、血氧浓度及氧饱和度，因此可以根据血管光声信号的强度来反映脑氧消耗、脑氧饱和度及血流量等参数的变化从而实现无损可靠的脑功能成像。本专利技术与现有技术相比具有如下的优点及效果(1)本专利技术方法利用组织的吸收差异特性，并结合了超声对机体具有较强的穿透能力及光学成像具有高分辨的优点，与传统功能成像方法相比具有高分辨率高对比度的优点。(2)本专利技术利用光声层析成像技术观察血管形态分布、脑血管活动情况，是一种无损伤的监测技术。(3)本专利技术方法可利用多元线性阵列探头作为光声探测器，能够实现快速无损的脑功能成像。(4)本专利技术中可选用不同波长的脉冲激光，实现对应不同问题的功能成像，为临床研究提供了一种更便捷的方法。(5)本专利技术的装置的各组件的造价较低，所以整体装置的造价亦相对较低，易于应用推广。附图说明图1是本专利技术光声脑功能成像装置的结构示意图，图中激光发生装置1、旋转扫描机2、声信号采集器3、计算机4、生物体固定器5、声耦合池6。图2(a)是实施例1中的小鼠脑皮层血管光声层析图像，图2(b)是实施例1中小鼠脑部的解剖照片。图3(a)是实施例2中的脑损伤模型小鼠脑皮层血管光声层析图像，图3(b)是实施例2中脑损伤模型的小鼠脑解剖照片。图4(a)是实施例3中正常状态的小鼠脑皮层光声层析图像，图4(b)是实施例3中经药物刺激后小鼠的脑皮层光声层析图像，图4(c)是对应图4(a)和(b)中虚线和实线位置处的一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光声脑功能成像的方法，其特征在于将脉冲激光穿过头皮和头盖骨照射到生物体脑皮层上，实现对脑皮层血管的光声层析图像；包括下述步骤：（１）信号诱发：使脉冲激光透过生物体头皮和头盖骨照射到脑皮层上，产生光声信号；所选用激光波长为５００ｎｍ－１０６４ｎｍ；（２）信号采集：利用超声探测器旋转扫描接收步骤（１）得到的光声信号，将其采集、保存到计算机中；（３）光声成像：对采集的光声信号进行滤波、积分后，通过背向反投影算法得到脑皮层血管层析成像。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：邢达，杨思华，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]