CN110292359A - 一种无标记全光学神经调控与成像的方法与装置 - Google Patents

一种无标记全光学神经调控与成像的方法与装置 Download PDF

Info

Publication number
CN110292359A
CN110292359A CN201910614449.XA CN201910614449A CN110292359A CN 110292359 A CN110292359 A CN 110292359A CN 201910614449 A CN201910614449 A CN 201910614449A CN 110292359 A CN110292359 A CN 110292359A
Authority
CN
China
Prior art keywords
oct
signal
imaging
laser
stimulation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201910614449.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN110292359B (zh
Inventor
李鹏
姚霖
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhejiang University ZJU
Original Assignee
Zhejiang University ZJU
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhejiang University ZJU filed Critical Zhejiang University ZJU
Priority to CN201910614449.XA priority Critical patent/CN110292359B/zh
Priority to JP2021571978A priority patent/JP7290360B2/ja
Priority to US17/771,457 priority patent/US20220400955A1/en
Priority to PCT/CN2019/098679 priority patent/WO2021003782A1/zh
Publication of CN110292359A publication Critical patent/CN110292359A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110292359B publication Critical patent/CN110292359B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/0059—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence
    • A61B5/0062—Arrangements for scanning
    • A61B5/0066—Optical coherence imaging
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B3/00—Apparatus for testing the eyes; Instruments for examining the eyes
    • A61B3/10—Objective types, i.e. instruments for examining the eyes independent of the patients' perceptions or reactions
    • A61B3/102—Objective types, i.e. instruments for examining the eyes independent of the patients' perceptions or reactions for optical coherence tomography [OCT]
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/0059—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence
    • A61B5/0075—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence by spectroscopy, i.e. measuring spectra, e.g. Raman spectroscopy, infrared absorption spectroscopy
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/02—Detecting, measuring or recording pulse, heart rate, blood pressure or blood flow; Combined pulse/heart-rate/blood pressure determination; Evaluating a cardiovascular condition not otherwise provided for, e.g. using combinations of techniques provided for in this group with electrocardiography or electroauscultation; Heart catheters for measuring blood pressure
    • A61B5/026—Measuring blood flow
    • A61B5/0261—Measuring blood flow using optical means, e.g. infrared light
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/40—Detecting, measuring or recording for evaluating the nervous system
    • A61B5/4058—Detecting, measuring or recording for evaluating the nervous system for evaluating the central nervous system
    • A61B5/4064—Evaluating the brain
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N5/00—Radiation therapy
    • A61N5/06—Radiation therapy using light
    • A61N5/0613—Apparatus adapted for a specific treatment
    • A61N5/0622—Optical stimulation for exciting neural tissue
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N5/00—Radiation therapy
    • A61N5/06—Radiation therapy using light
    • A61N5/067—Radiation therapy using light using laser light
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02—Interferometers
    • G01B9/0209—Low-coherence interferometers
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N5/00—Radiation therapy
    • A61N5/06—Radiation therapy using light
    • A61N2005/0626—Monitoring, verifying, controlling systems and methods
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N5/00—Radiation therapy
    • A61N5/06—Radiation therapy using light
    • A61N2005/0658—Radiation therapy using light characterised by the wavelength of light used
    • A61N2005/0659—Radiation therapy using light characterised by the wavelength of light used infrared
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Neurology (AREA)
  • Physiology (AREA)
  • Neurosurgery (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Psychology (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Ophthalmology & Optometry (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Cardiology (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明公开了一种无标记全光学神经调控与成像的方法与装置。利用红外激光脉冲激发神经活动，利用OCT采集神经活动引发的光学散射信号，实现无标记全光学神经调控与成像，具体包括：将红外激光瞄准脑部目标区域，射入一定时间序列的激光脉冲，利用OCT对目标区域进行同步扫描成像，分析OCT散射信号相比于激光刺激前的相对变化，得到基于OCT的脑功能信号，同步实现神经调控与成像。本发明可以同步开展神经调控和成像，不存在调控/成像通道的串扰现象，无需注射造影剂和病毒转染，近红外波段可实现组织深部区域的调控与成像。

Description

一种无标记全光学神经调控与成像的方法与装置
技术领域
本发明属于生物医学成像领域，涉及光学相干层析成像技术(Optical CoherenceTomography,OCT)和神经调控技术，尤其涉及一种基于低相干干涉原理的无标记全光学神经调控与成像的方法与装置，可用于基础与应用神经科学研究中，研究近红外脉冲刺激下生物皮质神经元的响应和映射情况。
技术背景
大脑是生物体生命运动的核心，也是科学家研究的焦点。大脑在经受外部刺激时，会产生功能信号变化，这种变化与生物机能密切相关。因此，能够实现神经调控与成像，准确分析神经功能信号变化，对人类疾病病理研究具有重大意义。
对于许多旨在神经调控和功能区追踪的脑功能研究，需要给予脑部神经刺激，研究其功能响应。其中，电刺激是神经刺激的常用工具，但它受到电流的扩散作用影响，经常导致激活额外的脑电路，容易产生副作用。此外，刺激伪影使得同时进行电生理刺激和信号记录存在困难。与此相比，光学刺激技术的发展有明显的优势。其中，光遗传学是一种特异性细胞刺激技术，其与麻醉和清醒行为动物中的电记录相容。然而，在诸如灵长类动物中，它需要注射病毒，病毒表达的时间较长，通常为4-6周，刺激位点仅限于病毒表达的位点。其他更大规模的神经刺激方法也有(如经颅磁刺激、超声等)，但空间分辨率低。
对于神经信号记录，单位生理学记录是监测神经功能的常用方法。然而，其取样受到电极记录部位几何形状的限制，并且需要将电极插入脑中。神经信号成像方面，目前已有许多成像方式可以实现神经成像，各有其优缺点。其中，双光子成像可以在x，y和z轴方向进行密集采样，而且能够达到细胞级分辨率，但受采样视场的限制，并且需要通过注射病毒或基因转染来标记细胞。多光子成像深度可以达到1mm或更大，但对于较大的动物模型不实用。为了监测种群水平的神经活动，利用电压敏感染料(Voltage Sensitive Dye,VSD)染色的光学成像方法可实现大规模、高时间分辨率(1～10ms)成像，但是在大型动物中，VSD组织染色和光动力学损伤的相关性限制了其推广。基于血液动力学信号的内源信号光成像(Optical Intrinsic Signal Imaging,OISI)常用于更大规模成像，可以无需向脑中加入外源性物质。OISI信号与神经元群体响应相关性高，可用于绘制皮质柱，但是OISI无法实现深度信号探测。
以上技术已有不同的组合，实现了神经刺激和信号记录。然而，目前的方法无法同时具有非接触式(无需插入或应用任何材料)、大规模(mm到cm的比例)、深度可分辨(可以区分不同的深度)，并且易于应用于大型动物模型等特征。所以目前迫切需要一种全光学手段同时进行神经调控与成像的方法与装置，可以同时进行无接触精准刺激和信号检测。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提出了一种无标记全光学神经调控与成像的方法与装置，结合了近红外激光脉冲刺激和OCT技术。
本发明是无标记的全光学方法，用于在大脑皮层中以无接触，大规模，深度可分辨的方式调控和映射脑神经功能，深度可达到1mm。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
一、一种无标记全光学神经调控与成像的方法，包括：
S1、利用红外激光脉冲激发神经活动；
S2、利用OCT同步采集神经活动引发的光学散射信号；
S3、利用OCT散射信号提取脑功能信号。
所述的利用红外激光脉冲激发神经活动，包括：单次刺激过程由3个阶段组成：基线段t0没有激光能量，刺激段t1有激光能量，恢复段t2没有激光能量；刺激段t1采用1870nm近红外波段的脉冲激光；激光的脉冲参数采用250us脉冲宽度，200Hz脉冲频率，总计100个脉冲序列；上述激光刺激过程(t0+t1+t2)重复试验多次，提高信号稳定性。
所述的利用红外激光脉冲激发神经活动，包括：采用斩波器方式、或者电流、电压触发控制的方式实现特定的激光脉冲宽度和频率。
所述的利用光学相干层析成像OCT同步采集生物组织神经活动引发的光学散射信号，包括：采用外部触发控制、时钟信号等方式实现红外激光脉冲刺激与OCT记录两个过程的同步采集。
所述的利用OCT同步采集神经活动引发的光学散射信号，包括：利用OCT对生物组织的散射信号样本进行二维或三维空间的重复扫描成像，在同一空间位置重复扫描成像包含完整激光刺激过程时间t0+t1+t2，并且OCT成像采用以下方式之一：通过扫描改变参考臂光程的时间域OCT成像方法；或者利用光谱仪记录光谱干涉信号的光谱域OCT成像方法；利用扫频光源记录光谱干涉信号的扫频OCT成像方法。
所述的生物组织可以为大脑皮层等。
所述的利用OCT散射信号提取脑功能信号，具体包括：利用OCT散射信号，提取非血管区域的神经响应信号，其步骤包括：用OCT散射信号处理获得OCT血流造影图，OCT血流造影图中剔除采集位置所在空间中血管的位置；对比基线段(t0)的散射信号，计算OCT散射信号的相对变化；利用基线段(t0)的散射信号，筛选出OCT散射信号连续的显著变化信号点；以筛选出的显著变化信号点作为掩模，用掩模对OCT散射信号的相对变化处理得到功能OCT(fOCT)信号；对所有试验过程的功能OCT(fOCT)信号进行平均，减小噪声。
所述的利用OCT散射信号提取脑功能信号，具体包括：利用OCT血流造影(OCTA)技术，提取刺激过程中血管区域的血流信号变化。
近红外激光刺激的工作波长和OCT系统中心波长存在一定的差异，保证刺激与成像两个光学通道互不干扰，包括：近红外激光刺激采用1870nm波段，OCT成像采用1300nm波段。
二、无标记全光学神经调控与成像装置：
一套近红外激光刺激装置，用于激发目标脑部组织的神经活动；
一套OCT光学相干探测装置，用于对二维或者三维空间内的光学散射信号进行OCT采集；
一套同步控制单元，分别连接近红外激光刺激装置和OCT光学相干探测装置，用于同步实现激光刺激与OCT记录两个过程；
一个或多个处理器，分别连接近红外激光刺激装置和OCT光学相干探测装置，用于分析处理探测得到OCT散射信号。
所述的近红外激光刺激装置，其工作波长和OCT系统中心波长存在一定的差异，近红外激光刺激装置产生的近红外激光采用1870nm波段，OCT光学相干探测装置的成像探测采用1300nm波段。
所述的一OCT光学相干探测装置是采用以下的一种：
包括低相干光源、干涉仪和探测器；
或者包括低相干光源、干涉仪和光谱仪；
或者包括扫频宽光谱光源、干涉仪和探测器。
所述的一个或多个处理器包括：计算在激光刺激前后，非血管区域的神经散射信号变化和血管区域的血流信号变化，得到脑功能信息。
本发明相比现有技术具有以下有益效果和优势：
结合近红外激光脉冲刺激和OCT技术，利用红外激光脉冲激发神经活动，并利用OCT同时采集神经活动引发的光学散射信号，利用OCT散射信号提取脑功能信号。
相比于已有的光遗传学和光学钙成像的组合，其由于光遗传探针和钙指示剂光谱重叠，导致刺激和成像通道之间存在串扰。本发明近红外激光刺激的工作波长和OCT系统中心波长存在一定的差异，保证刺激与成像两个光学通道互不干扰，其中刺激采用1870nm波段，成像采用1300nm波段。
相比于已有的光遗传学和光学钙成像的组合，其由于组织内强烈可见光散射，导致刺激和成像深度有限。本发明刺激和成像通道皆工作在红外波段，相比于可见光，穿透深度更深，可达到1mm。
相比于已有的光遗传学和光学钙成像的组合，其需要对实验动物进行病毒转染，不适合用于非人类灵长类动物研究。本发明不需要注射造影剂或进行病毒转染，使其与非人类灵长类动物研究兼容，并且可能与临床环境中的人体研究相容。
附图说明
图1为本发明方法的示意图；
图2为本发明装置的示意图；
图3为本发明实施例的示意图；
图4为本发明示例性实施例的近红外激光刺激时序图；
图5为本发明示例性实施例的OCT结构图；
图6为本发明示例性实施例的OCT血流造影图；
图7为本发明示例性实施例的电生理信号结果图；
图8为本发明示例性实施例的fOCT信号空间分布结果图；
图9为本发明示例性实施例的fOCT信号时间分布结果图；
图10为本发明示例性实施例的fOCT信号刺激强度相关性结果图；
图11为本发明示例性实施例的血流速度变化结果图。
其中：1-红外激光脉冲激发神经活动；2-OCT采集神经活动引发的光学散射信号；3-OCT散射信号的相对变化计算；11-光源；12-分束器；13-参考臂准直镜；14-平面高反射镜；15-样品臂准直镜；16-扫描振镜；17-物镜；18-待测样品；19-干涉信号探测装置；20-信号处理器；21-偏振控制器；31-低相干宽带光源；32-光环形器；33-光纤耦合器；34-第一光纤准直器件；35-聚焦透镜；36-平面高反射镜；37-第二光纤准直器件；38-扫描振镜；39-聚焦透镜；40-样品分散装置；41-第三光纤准直器件；42-光栅；43-傅里叶变换透镜；44-高速线阵相机；45-信号处理器模块与计算单元；46-第一偏振控制器；47-第二偏振控制器；48：色散补偿器；49：聚焦透镜；50：二向色镜；51：扫描透镜；52：信号控制器；53：激光器；54：激光刺激光纤。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，附图形成本文的一部分。需要注意的是，这些说明及示例仅仅为示例性的，不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。
为了便于理解本发明的实施例，将各操作描述成多个离散的操作，但是，描述的顺序不代表实施操作的顺序。
本描述中针对样品测量空间采用基于空间方向的x-y-z三维坐标表示。这种描述仅仅用于促进讨论，而不意欲限制本发明的实施例的应用。其中：深度z方向为沿入射光轴的方向；x-y平面为垂直于光轴的平面，其中x与y正交，且x表示OCT横向快扫描方向，y表示慢扫描方向。
上述i，I，t等表示变量，仅仅用于促进讨论，而不意欲限制本发明的实施例的应用，可以是1,2,3等任一数值。
本发明方法如图1所示，首先利用近红外脉冲刺激，激发目标脑部神经活动，然后利用OCT系统采集神经活动引起的散射信号变化，最后利用OCT散射信号提取脑功能信号。
利用近红外脉冲刺激，刺激过程包括3个时间段：基线段t0没有激光能量，刺激段t1有激光能量，恢复段t2没有激光能量；刺激段t1采用1870nm近红外波段的激光，250us的脉冲宽度，200Hz的脉冲频率，总计100个脉冲序列；上述激光刺激过程(t0+t1+t2)可以重复试验多次以提高信号稳定性。
利用OCT系统采集神经活动引起的散射信号变化，对散射信号样本进行二维或三维空间的OCT扫描成像，在同一空间位置重复扫描成像一定时间(总时间t0+t1+t2)，利用光谱仪记录光谱干涉信号的光谱域OCT成像方法(或者通过扫描改变参考臂光程的时间域OCT成像方法和利用扫频光源记录光谱干涉信号的扫频OCT成像方法)。
利用OCT散射信号提取脑功能信号，计算在激光刺激前后，非血管区域的神经散射信号变化和血管区域的血流信号变化，得到脑功能信息。首先结合OCT血流造影图，剔除空间中血管位置，消除血流的影响。数据处理部分，先对比刺激前(t0)的散射信号，计算OCT散射信号在激光刺激中(t1)的相对变化，其具体步骤是：确定OCT散射信号基值，I(z,x,t)表示OCT强度信号，OCT强度信号为OCT散射信号的绝对值，z为深度方向，x为横向方向，t为时间维度。
刺激之前的空白时间为t0段，将此段时间的OCT散射信号平均得到刺激之前的OCT散射信号基值IBaseline：
其中，N为对应t0时间段采集的帧数。
用dR/R表示实时采集的OCT散射信号相比于OCT散射信号基值的相对变化：
为了提高计算效率，并不是所有时刻的信号点都用于计算，需要按照一定原则筛选。基本步骤如下：如果(z,x,ti)位置像素点起始的连续5帧的OCT强度信号强度值小于IBaseline减去3σ(z,x)之后的值，则此像素点定义为负有效信号像素，表示为：
I(z,x,ti:ti+4)<IBaseline-3σ(z,x) (3)
其中，3σ(z,x)表示(z,x)位置上所有像素点的标准差；
类似地，如果(z,x,ti)位置像素点连续5帧的信号强度值小于IBaseline加上3σ(z,x)之后的值，则此像素点定义为正有效信号像素：
I(z,x,ti:ti+4)>IBaseline+3σ(z,x) (4)
由此筛选出正有效信号像素和负有效信号像素，生成掩模，得到fOCT信号。在OCT散射信号中，将负有效信号像素的响应值取反，然后和正有效信号像素的响应值一起，通过平均处理产生最终的fOCT信号，以此来减小噪声，提高信噪比。
剔除的血管区域利用OCT血流造影(OCTA)技术，提取刺激过程中血液动力学的响应信号，综合神经响应得到脑功能信号。
图2示出的是本发明的无标记全光学神经调控与成像装置示意图。该装置的低相干干涉测量部分的主体结构为一干涉仪，由11～17、19和21构成，其中光源11发出的光被分束器12分成两部分光束：其中的一束光进入到干涉仪的参考臂，通过参考臂准直镜13照射于平面高反射镜14上；另一束光进入到样品臂，经过准直15和光路反射后聚焦到待测样品上；样品18置于样品臂物镜17的焦平面处。而后参考臂和样品臂各自反射回的光发生干涉后由干涉信号探测装置19接收。对于光纤型光路，采用偏振控制器21调整光束的偏振态，最大化信号干涉效果。
依据低相干干涉探测信号的不同方式，图2所示的无标记全光学神经调控与成像装置具体包括：
1)时间域测量装置。光源11采用宽带低相干光，平面反射镜14可沿光轴方向移动，干涉信号探测装置19为一点探测器。通过移动平面反射镜14改变参考臂光程，两臂的干涉信号由点探测器19探测到，对某一空间深度的z方向的散射信号的低相干干涉探测，从而得到深度空间维度的采样体。
2)光谱域测量装置。光源11采用宽带低相干光，平面反射镜14固定不动，干涉信号探测装置19采用光谱仪。干涉信号经过光谱仪中的线阵相机同时记录干涉光谱。采用傅里叶分析方法分析干涉光谱信号，并行获取深度z方向的散射信息，从而得到深度维度空间的采样体。
3)扫频测量装置。光源11采用扫频光源，平面反射镜14固定不动，干涉信号探测装置19采用点探测器。点探测器分时记录扫频光源的低相干干涉光谱。采样傅里叶分析干涉光谱信号，并行获取深度z方向的散射信息，从而得到深度维度空间的采样体。
对于上述不同的测量装置，可分别结合图1叙述中所涉及的OCT扫描成像方式，分析血流与周围组织的相对运动生成OCTA血流运动造影，并增强空间对应性。
图3示出的是本文所公开的利用本发明的一个示例性实施例。标记全光学神经调控与成像装置，包括宽带低相干光源31、光环形器32、分光比为50:50的光纤耦合器33、第一偏振控制器46、第一光纤准直器件34、聚焦透镜35、平面高反射镜36、第二偏振控制器47、第二光纤准直器件37、扫描振镜38、物镜39、样品分散装置40、第三光纤准直器件41、光栅42、傅里叶变换透镜43、高速线阵相机44、信号处理器模块与计算单元45、色散补偿器48、聚焦透镜49、二向色镜50、扫描透镜51、信号控制器52、激光器53、激光刺激光纤54。其中信号控制器52采用Cygnus Technology，PG4000A数字控制器；其中激光器53采用工作波段为1870nm的光纤耦合半导体激光器；其中宽带低相干光源31采用中心波长为1325nm、带宽为100nm的超发光二极管光源，高速线阵相机44采用由2048像素单元组成的线阵扫描相机，样品臂中扫描透镜51选用焦距为36mm的透镜。
激光器53发出近红外激光经激光刺激光纤54照射到被测样品上。其中由本发明装置所使用的低相干宽带光源31发出的光，经过光环行器32后进入到分光比为50:50的光纤耦合器33，从光纤耦合器33出射的光被分成两部分子光束：其中一束光通过光纤经过第一偏振控制器46连接至参考臂中的第一光纤准直器件34，经过准直、色散补偿器48色散补偿和聚焦透镜35聚焦后照射到平面高反射镜36；另一束光通过光纤经过第二偏振控制器47连接至样品臂部分的第二光纤准直器件37，经过准直、扫描振镜38光路反射和聚焦透镜39、聚焦透镜49聚焦后照射到被测样品上。在扫描透镜51之前，采用二向色镜50将聚焦透镜49出射的光线实现OCT探测光路的90°转折。样品臂中的扫描振镜38固定不动，使得低相干干涉仪能够并行探测得到样品空间同一位置在不同时刻的深度方向的散射信号。同时样品臂中的光路通过单模光纤传导光束，对待测样品散射回的光起到空间滤波的作用，即有效地减小散射信号中的多次散射成分。由参考臂中平面高反射镜36反射的光与样品臂中被测样品背向散射的光在光纤耦合器33处干涉，干涉光经过光谱仪(包括器件41～44)探测并被记录，而后由信号控制器52与计算单元45采集并作信号分析处理。光刺激单元和OCT信号采集单元通过采用外部触发控制、时钟信号等方式实现同步。
本发明根据fOCT信号可以得到刺激前后神经响应和血流动力学响应及其特征。近红外激光刺激时序如图4所示，t0时间段无激光能量，t1时间段激光能量开始作用，t2时间段为无激光能量的恢复时期，其中输出的激光脉冲序列中每个脉冲的脉宽可调，脉冲周期可调。这里具体实施中，每个脉冲的固定脉宽为250μs，脉冲周期5ms。近红外激光刺激是由100个这样的脉冲构成0.5s的脉冲链。激光通过特制的光纤输出，照射到大鼠光学观察窗口目标区域。
图5示出的是OCT采集的结构图，OCT可实现三维结构成像，图5A为OCT结构投影图，图5B为图5A中虚线位置的截面图。
图6示出的是OCT血流造影(OCTA)图，利用OCTA技术对OCT采集的三维结构信号进行处理，可以得到三维血流信号。图6A为OCTA投影图，图6B为图6A中虚线位置的截面图。
图7示出的是不同刺激强度下(0.3J,0.5J,0.7J,1.0J/cm2/pulse)电生理信号结果图，随着近红外激光刺激强度增加导致锋电位发放率增加，该结果说明了针对大鼠躯干运动感觉脑皮质的近红外激光刺激，会引起神经元的兴奋活动。因此后续观察到的fOCT响应信号变化，可能与神经元受外界刺激所引起的活动之间存在潜在的关联性。
图8-11示出的是利用本实施例中得到的大鼠脑皮层fOCT功能信号变化结果图。为了表征近红外激光刺激诱发的fOCT信号，本发明验证了非血管区域神经响应的时间和空间分布，以及它与刺激强度的关系，还有血管区域的血流动力学响应。
如图8A所示，在不移动激光刺激光纤并使用相同的刺激参数情况下，OCT系统对近红外激光刺激区域中心及周围区域进行信号采集，观察fOCT功能响应(ROI1：中心，ROI2：边缘，ROI3：外部)。结果图中可观察到，近红外激光刺激引起大鼠脑皮质中OCT散射信号发生相对变化(在图8B中定量分析图8A中的信号变化)。ROI1包含的有效像素数量最大(～449像素)；ROI2包含的有效像素数量减小(～354像素)；ROI3在散射中没有表现出显著变化。综上，fOCT信号反映了神经信号的空间定位如图8A所示，所有有效像素的平均幅度以及诱发的fOCT信号随时间变化过程如图8B所示。此外，如深度分辨序列图8C所示，fOCT变化的时间对应性可以保持至皮层600um的深度范围。
fOCT信号时间上也与近红外激光刺激时间紧密相关。如图9A-9B所示，OCT散射信号的变化与近红外激光刺激同步。试验中所有具有显著变化的像素均针对群体响应进行了平均。在图9A中的散射变化中也有类似的时间重合性。如果刺激开始时间不同，则响应开始时间延迟和响应峰值时间延迟，在图9B中量化。结果显示fOCT响应在时间上与激光刺激同步，时间延迟约为30ms。
图10A-10B显示了不同刺激强度下(0.3,0.5,0.7,1.0J/cm2/pulse)的功能响应。近红外激光刺激强度增加导致fOCT信号变化幅度增加，结果如图10A所示，fOCT信号变化峰值与刺激强度存在线性关系，结果如图10B所示。由于干涉检测的高灵敏度，fOCT信号变化的幅度较大(线性拟合的斜率：2.1)。
图11显示了提高OCT采集频率，不同刺激强度下(0.5,0.7,1.0J/cm2/pulse)的血流动力学响应，近红外激光刺激强度增加也导致血管区域流速变化幅度增加，流速变化时间延迟约为1s。
上述实验结果充分说明：本发明可以同步开展神经调控和成像，不存在调控/成像通道的串扰现象，无需注射造影剂和病毒转染，近红外波段可实现组织深部区域的调控与成像。用本发明可以实现无标记全光学神经调控与成像，可以对目标区域同时进行无接触精准刺激和脑功能信号检测。

Claims (10)

1.一种无标记全光学神经调控与成像的方法，包括：
利用红外激光脉冲激发神经活动；
利用OCT同步采集神经活动引发的光学散射信号；
利用OCT散射信号提取脑功能信号。
2.根据权利要求1所述的无标记全光学神经调控与成像的方法，其特征在于：利用红外激光脉冲激发神经活动，包括：
单次刺激过程由3个阶段组成：基线段t0没有激光能量，刺激段t1有激光能量，恢复段t2没有激光能量；
刺激段t1采用1870nm近红外波段的脉冲激光；
激光的脉冲参数采用250us脉冲宽度，200Hz脉冲频率，总计100个脉冲序列；
上述激光刺激过程(t0+t1+t2)重复试验多次。
3.根据权利要求1所述的无标记全光学神经调控与成像的方法，其特征在于：利用红外激光脉冲激发神经活动，包括：采用斩波器方式、或者电流、电压触发控制的方式实现特定的激光脉冲宽度和频率。
4.根据权利要求1所述的无标记全光学神经调控与成像的方法，其特征在于：利用光学相干层析成像OCT同步采集生物组织神经活动引发的光学散射信号，包括：采用外部触发控制、时钟信号等方式实现红外激光脉冲刺激与OCT记录两个过程的同步采集。
5.根据权利要求1所述的无标记全光学神经调控与成像的方法，其特征在于：利用OCT同步采集神经活动引发的光学散射信号，包括：利用OCT对生物组织进行二维或三维空间的重复扫描成像，在同一空间位置重复扫描成像包含完整激光刺激过程时间t0+t1+t2，并且OCT成像采用以下方式之一：通过扫描改变参考臂光程的时间域OCT成像方法；或者利用光谱仪记录光谱干涉信号的光谱域OCT成像方法；利用扫频光源记录光谱干涉信号的扫频OCT成像方法。
6.根据权利要求1所述的无标记全光学神经调控与成像的方法，其特征在于：利用OCT散射信号提取脑功能信号，具体包括：利用OCT散射信号，提取非血管区域的神经响应信号，其步骤包括：
用OCT散射信号处理获得OCT血流造影图，OCT血流造影图中剔除采集位置所在空间中血管的位置；
对比基线段(t0)的散射信号，计算OCT散射信号的相对变化；
利用基线段(t0)的散射信号，筛选出OCT散射信号连续的显著变化信号点；
以筛选出的显著变化信号点作为掩模，用掩模对OCT散射信号的相对变化处理得到功能OCT(fOCT)信号；
对所有试验过程的功能OCT(fOCT)信号进行平均，减小噪声。
7.根据权利要求1所述的无标记全光学神经调控与成像的方法，其特征在于：利用OCT散射信号提取脑功能信号，具体包括：利用OCT血流造影(OCTA)技术，提取刺激过程中血管区域的血流信号变化；近红外激光刺激采用1870nm波段，OCT成像采用1300nm波段。
8.用于实施权利要求1～7中任一所述方法的无标记全光学神经调控与成像装置，其特征在于包括：
一套近红外激光刺激装置，用于激发目标脑部组织的神经活动；
一套OCT光学相干探测装置，用于对二维或者三维空间内的光学散射信号进行OCT采集；
一套同步控制单元，分别连接近红外激光刺激装置和OCT光学相干探测装置，用于同步实现激光刺激与OCT记录两个过程；
一个或多个处理器，分别连接近红外激光刺激装置和OCT光学相干探测装置，用于分析处理探测得到OCT散射信号。
9.根据权利要求8所述的无标记全光学神经调控与成像装置，其特征在于：
所述的近红外激光刺激装置，其工作波长和OCT系统中心波长存在一定的差异，近红外激光刺激装置产生的近红外激光采用1870nm波段，OCT光学相干探测装置的成像探测采用1300nm波段。
10.根据权利要求8所述的无标记全光学神经调控与成像装置，其特征在于：所述的一个或多个处理器包括：计算在激光刺激前后，非血管区域的神经散射信号变化和血管区域的血流信号变化，得到脑功能信息。
CN201910614449.XA 2019-07-09 2019-07-09 一种无标记全光学神经调控与成像的方法与装置 Active CN110292359B (zh)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910614449.XA CN110292359B (zh) 2019-07-09 2019-07-09 一种无标记全光学神经调控与成像的方法与装置
JP2021571978A JP7290360B2 (ja) 2019-07-09 2019-07-31 マーキングレス全光ニューロモデュレーションおよびイメージングの方法および装置
US17/771,457 US20220400955A1 (en) 2019-07-09 2019-07-31 Method and device for label-free all-optical neural regulation and imaging
PCT/CN2019/098679 WO2021003782A1 (zh) 2019-07-09 2019-07-31 一种无标记全光学神经调控与成像的方法与装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910614449.XA CN110292359B (zh) 2019-07-09 2019-07-09 一种无标记全光学神经调控与成像的方法与装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110292359A true CN110292359A (zh) 2019-10-01
CN110292359B CN110292359B (zh) 2021-01-08

Family

ID=68030828

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910614449.XA Active CN110292359B (zh) 2019-07-09 2019-07-09 一种无标记全光学神经调控与成像的方法与装置

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20220400955A1 (zh)
JP (1) JP7290360B2 (zh)
CN (1) CN110292359B (zh)
WO (1) WO2021003782A1 (zh)

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110812704A (zh) * 2019-10-31 2020-02-21 中国医学科学院生物医学工程研究所 光纤适配器及用于活体组织光动力治疗的oct成像系统
CN111493853A (zh) * 2020-04-24 2020-08-07 天津恒宇医疗科技有限公司 一种针对血管性皮肤病的血管参数评价方法及系统
CN112022138A (zh) * 2020-09-21 2020-12-04 中国人民解放军空军军医大学 一种同步检测动物痛行为与神经元活动的实验方法
CN112294260A (zh) * 2020-10-10 2021-02-02 浙江大学 一种磁兼容的光学脑功能成像方法与装置
CN114099991A (zh) * 2021-12-06 2022-03-01 上海交通大学 同步进行经颅超声刺激和近红外脑功能成像的系统
CN114441453A (zh) * 2021-12-27 2022-05-06 浙江微翰科技有限公司 基于傅里叶变换光谱仪的异步采集方法及傅里叶变换光谱仪
CN115253090A (zh) * 2022-09-30 2022-11-01 北京心联光电科技有限公司 一种在体细胞水平的光动力治疗设备
CN115316960A (zh) * 2022-10-13 2022-11-11 浙江大学医学中心(余杭) 一种大脑神经活动调控和脑信息同步读取系统
WO2023108348A1 (zh) * 2021-12-13 2023-06-22 深圳先进技术研究院 一种脑膜淋巴管刺激装置
CN116609313A (zh) * 2023-07-18 2023-08-18 北京心联光电科技有限公司 细胞高通量测试方法、系统和设备

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113405538B (zh) * 2021-06-07 2022-07-26 核工业西南物理研究院 一种激光散射诊断系统空间测量位置标定装置及标定方法

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7016048B2 (en) * 2002-04-09 2006-03-21 The Regents Of The University Of California Phase-resolved functional optical coherence tomography: simultaneous imaging of the stokes vectors, structure, blood flow velocity, standard deviation and birefringence in biological samples
CN102164542A (zh) * 2009-10-12 2011-08-24 科纳医药股份有限公司 神经的能量调节
US20130176565A1 (en) * 2009-10-01 2013-07-11 Tornado Medical Systems, Inc. Optical slicer for improving the spectral resolution of a dispersive spectrograph
US8860948B2 (en) * 2010-01-22 2014-10-14 Ben Gurion University of the Negev Research and Development Authority Ltd.; Bar Ilan University High resolution extended depth of field optical coherence tomography
CN104548390A (zh) * 2014-12-26 2015-04-29 中国科学院深圳先进技术研究院 一种超声深部脑刺激方法及系统
CN104881872A (zh) * 2015-05-27 2015-09-02 浙江大学 一种光学微血管造影图像分割及评价方法
CN205251540U (zh) * 2015-09-14 2016-05-25 燕山大学 一种一体化的超声刺激及脑电信号采集探头
US20180014724A1 (en) * 2016-07-18 2018-01-18 Dariusz Wroblewski Method and System for Analysis of Diagnostic Parameters and Disease Progression
CN108292433A (zh) * 2015-11-23 2018-07-17 光学实验室成像公司 血管内图像中的阴影的检测与验证
CN108765388A (zh) * 2018-05-17 2018-11-06 苏州大学 食道内窥oct图像层次结构的自动分割方法和系统
CN109033949A (zh) * 2018-06-11 2018-12-18 天津海仁医疗技术有限公司 基于光学相干断层扫描的人脸识别方法和系统

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4399666B2 (ja) 2003-09-19 2010-01-20 株式会社日立メディコ 生体信号処理装置
JP2006167046A (ja) 2004-12-14 2006-06-29 Susumu Terakawa 癌治療状況評価方法および装置ならびに癌治療方法および装置
CN101626719B (zh) 2006-09-26 2012-07-18 俄勒冈健康与科学大学 体内结构和流动成像
WO2009089509A1 (en) * 2008-01-09 2009-07-16 The Uab Research Foundation Method for detecting a physiological change in a neuron of a retina
AU2018333124B2 (en) 2017-09-18 2023-11-16 Lew LIM System and method for automated personalized brain modulation with photobiomodulation
JP6968324B2 (ja) 2017-09-29 2021-11-17 株式会社 資生堂 皮膚の血管網を可視化する装置、方法およびプログラム
CN107788950B (zh) * 2017-09-30 2023-08-18 浙江大学 基于自适应阈值分割的血流成像方法与系统
US11154194B2 (en) 2017-11-03 2021-10-26 Nanoscope Technologies, LLC Device and method for optical retinography
CN108670192B (zh) * 2018-04-21 2019-08-16 重庆贝奥新视野医疗设备有限公司 一种动态视觉刺激的多光谱眼底成像系统及方法

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7016048B2 (en) * 2002-04-09 2006-03-21 The Regents Of The University Of California Phase-resolved functional optical coherence tomography: simultaneous imaging of the stokes vectors, structure, blood flow velocity, standard deviation and birefringence in biological samples
US20130176565A1 (en) * 2009-10-01 2013-07-11 Tornado Medical Systems, Inc. Optical slicer for improving the spectral resolution of a dispersive spectrograph
CN102164542A (zh) * 2009-10-12 2011-08-24 科纳医药股份有限公司 神经的能量调节
US8860948B2 (en) * 2010-01-22 2014-10-14 Ben Gurion University of the Negev Research and Development Authority Ltd.; Bar Ilan University High resolution extended depth of field optical coherence tomography
CN104548390A (zh) * 2014-12-26 2015-04-29 中国科学院深圳先进技术研究院 一种超声深部脑刺激方法及系统
CN104881872A (zh) * 2015-05-27 2015-09-02 浙江大学 一种光学微血管造影图像分割及评价方法
CN205251540U (zh) * 2015-09-14 2016-05-25 燕山大学 一种一体化的超声刺激及脑电信号采集探头
CN108292433A (zh) * 2015-11-23 2018-07-17 光学实验室成像公司 血管内图像中的阴影的检测与验证
US20180014724A1 (en) * 2016-07-18 2018-01-18 Dariusz Wroblewski Method and System for Analysis of Diagnostic Parameters and Disease Progression
CN108765388A (zh) * 2018-05-17 2018-11-06 苏州大学 食道内窥oct图像层次结构的自动分割方法和系统
CN109033949A (zh) * 2018-06-11 2018-12-18 天津海仁医疗技术有限公司 基于光学相干断层扫描的人脸识别方法和系统

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
GIRARD, MICHAEL J. A.; STROUTHIDIS, NICHOLAS G.; ETHIER, C. ROS: "Shadow Removal and Contrast Enhancement in Optical", 《INVESTIGATIVE OPHTHALMOLOGY & VISUAL SCIENCE》 *
李培: "微血管功能网络的三维光学成像技术及脑科学应用研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库基础科学辑》 *
陈宇恒等: "基于光谱光学相干层析技术的膜系反射光谱测量", 《中国激光》 *

Cited By (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110812704A (zh) * 2019-10-31 2020-02-21 中国医学科学院生物医学工程研究所 光纤适配器及用于活体组织光动力治疗的oct成像系统
CN111493853A (zh) * 2020-04-24 2020-08-07 天津恒宇医疗科技有限公司 一种针对血管性皮肤病的血管参数评价方法及系统
CN112022138A (zh) * 2020-09-21 2020-12-04 中国人民解放军空军军医大学 一种同步检测动物痛行为与神经元活动的实验方法
CN112294260B (zh) * 2020-10-10 2022-04-05 浙江大学 一种磁兼容的光学脑功能成像方法与装置
CN112294260A (zh) * 2020-10-10 2021-02-02 浙江大学 一种磁兼容的光学脑功能成像方法与装置
CN114099991B (zh) * 2021-12-06 2023-01-24 上海交通大学 同步进行经颅超声刺激和近红外脑功能成像的系统
CN114099991A (zh) * 2021-12-06 2022-03-01 上海交通大学 同步进行经颅超声刺激和近红外脑功能成像的系统
WO2023108348A1 (zh) * 2021-12-13 2023-06-22 深圳先进技术研究院 一种脑膜淋巴管刺激装置
CN114441453A (zh) * 2021-12-27 2022-05-06 浙江微翰科技有限公司 基于傅里叶变换光谱仪的异步采集方法及傅里叶变换光谱仪
CN115253090A (zh) * 2022-09-30 2022-11-01 北京心联光电科技有限公司 一种在体细胞水平的光动力治疗设备
CN115316960A (zh) * 2022-10-13 2022-11-11 浙江大学医学中心(余杭) 一种大脑神经活动调控和脑信息同步读取系统
CN115316960B (zh) * 2022-10-13 2023-03-31 浙江大学医学中心(余杭) 一种大脑神经活动调控和脑信息同步读取系统
CN116609313A (zh) * 2023-07-18 2023-08-18 北京心联光电科技有限公司 细胞高通量测试方法、系统和设备
CN116609313B (zh) * 2023-07-18 2023-11-03 北京心联光电科技有限公司 细胞高通量测试方法、系统和设备

Also Published As

Publication number Publication date
US20220400955A1 (en) 2022-12-22
WO2021003782A1 (zh) 2021-01-14
CN110292359B (zh) 2021-01-08
JP7290360B2 (ja) 2023-06-13
JP2022535554A (ja) 2022-08-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110292359A (zh) 一种无标记全光学神经调控与成像的方法与装置
CN112294260B (zh) 一种磁兼容的光学脑功能成像方法与装置
Gratton et al. Fast and localized event-related optical signals (EROS) in the human occipital cortex: comparisons with the visual evoked potential and fMRI
Gratton et al. Shades of gray matter: Noninvasive optical images of human brain reponses during visual stimulation
Girouard et al. Unique properties of cardiac action potentials recorded with voltage‐sensitive dyes
Roberts et al. Non-invasive imaging of skin physiology and percutaneous penetration using fluorescence spectral and lifetime imaging with multiphoton and confocal microscopy
Seidenari et al. Multiphoton laser microscopy and fluorescence lifetime imaging for the evaluation of the skin
Rector et al. Spatio-temporal mapping of rat whisker barrels with fast scattered light signals
CN208837916U (zh) 一种血流成像系统
Tsytsarev et al. Living brain optical imaging: technology, methods and applications
WO2019055982A1 (en) MULTIFREQUENCY ULTRASONIC ULTRASOUND CODING TOMOGRAPHY
CN109124649A (zh) 用于通过拉曼光谱进行无创伤性活体测量的设备
Carter et al. Simultaneous birefringence and scattered light measurements reveal anatomical features in isolated crustacean nerve
JP6147756B2 (ja) 生体組織におけるメラニンなどの内因性蛍光体の特異的３ｄ検出、視覚化、および／または定量化のための非侵襲的方法
Zhang et al. INS-fOCT: a label-free, all-optical method for simultaneously manipulating and mapping brain function
CN111227801B (zh) 一种面向多源激活检测的声电神经成像系统
Tuchin In vivo optical flow cytometry and cell imaging
EP3056141A1 (en) A method of non-invasive measurement of blood glucose and optoelectronic system to non-invasive measurement of blood glucose
CN111543971A (zh) 时空自适应样本系综去相关运算的血流量化方法与系统
Hope et al. Optical coherence tomography imaging of evoked neural activity in sciatic nerve of rat
Sander et al. DC-magnetoencephalography and time-resolved near-infrared spectroscopy combined to study neuronal and vascular brain responses
Gratton et al. Fast optical signals: Principles, methods, and experimental results
Troise et al. In vitro recording of muscle activity induced by high intensity laser optogenetic stimulation using a diamond quantum biosensor
Bowmaster et al. Excitation and detection of action potential-induced fluorescence changes through a single monomode optical fiber
Brown et al. Topography and response timing of intact cerebellum stained with absorbance voltage-sensitive dye

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant