CN112294260A - 一种磁兼容的光学脑功能成像方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁兼容的光学脑功能成像方法与装置。经中继光路将光学相干断层成像系统的输出扫描光束传递至磁共振成像装置;基于光学相干技术进行脑组织三维空间光学散射信号探测,同时通过磁共振成像装置进行磁共振成像探测获得脑组织磁共振信号;进行事件刺激,基于快速动态特性提取血流信号;然后基于事件刺激的动态特性提取非血流区域的神经组织响应信号。本发明能在核磁共振成像条件下同步开展光学相干成像,实现高分辨的神经组织和血流动力学的响应信号获取,将OCT扫描光束传递至MRI机器区样品位置,不存在成像的窜扰现象,能实现无标记、高分辨率的三维结构成像和血流成像。
Description
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)和核磁共振成像技术(Magnetic Resonance Imaging,MRI),尤其是涉及一种基于低相干干涉原理的磁兼容光学脑功能成像方法与装置,可用于脑皮层功能性研究中,研究事件刺激下生物皮质神经血流的激活情况。
背景技术
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。因此如果能够准确分析脑功能信号--神经信号变化和血流信号变化,对人类疾病病理研究具有重大意义。
在脑功能成像方面,目前已有许多成像方式可以获取脑功能信号,各有优缺点。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。
MRI也是研究脑功能信号常用的方法,在脑功能成像方面有着巨大优势,在医学诊断领域占有重要位置。在MRI装置中,由磁体产生稳定的主磁场,梯度线圈产生梯度磁场。MRI技术的物理基础是核磁共振现象,以不同的射频脉冲序列对生物组织进行激励使其共振产生核磁共振信号,可根据磁共振信号重建产生磁共振图像。MRI可以进行全脑大规模成像,但是其分辨率只有mm量级,这对分析脑皮层中神经信号和毛细血管血流信号变化造成困难。而OCT是利用低相干干涉原理成像,具备非接触式(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)、高分辨率(μm量级),并且易于应用于大型动物模型等特征。因此如果能够将OCT和MRI结合使用,能够弥补MRI的不足,有助于开展脑功能成像研究。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足,提出了一种磁兼容的脑功能成像方法与装置,基于中继光路将扫描光束传递至磁共振成像装置,结合了MRI和OCT技术。
本发明是磁兼容的脑功能成像方法,用于在大脑皮层中以无接触,大规模,深度可分辨的方式映射脑神经血流功能信号,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、一种磁兼容的光学脑功能成像方法:
一种光学照明方法:经中继光路将OCT的输出扫描光束传递至磁共振成像装置;
一种光学信号探测方法:基于光学相干技术(OCT)进行脑组织三维空间光学散射信号探测,同时在不干扰磁共振下通过磁共振成像(MRI)装置进行磁共振成像探测获得脑组织磁共振信号;
一种信号分析方法:将脑组织三维空间光学散射信号分为血流信号和非血流区域的神经组织信号;进行事件刺激,基于快速动态特性提取血流信号;然后基于事件刺激的动态特性提取非血流区域的神经组织响应信号。
一种光学照明方法中,所述的中继光路包含有多个透镜组,单个透镜组是由两个透镜以焦点重合同光轴组成,相邻透镜组之间也以焦点重合布置。
所述中继光路中的透镜组的镜架外壳采用非磁性材料,如塑料或者铜材料。
一种光学信号探测方法,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,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。
进行事件刺激,基于快速动态特性,提取血流信号,包括通过行间、帧间、体扫描之间的动态特性分析,提取血流信号。提取血流信号时,所用于计算的信号包括幅度、相位、同时包含幅度和相位的复数信号。提取方法包括去相关、方差、差分等运算。
基于事件刺激的动态特性,提取非血流区域的神经组织响应信号,包括:
1)利用提取的血流信号生成一个血流区域的掩膜;具体是将提取的血流信号进行二值化处理后获得掩膜;
2)利用血流区域的掩膜剔除血管区域,得到神经组织信号;
3)按照步骤2)方式处理获得事件刺激发生前、后的神经组织信号,计算事件刺激发生前、后的神经组织信号之间的相对变化信号;
4)选取神经组织信号显著变化范围;
5)由神经组织信号显著变化范围构建相对变化掩膜,用相对变化掩膜对相对变化信号做处理,最后得到神经组织功能响应信号。
选取神经组织信号显著变化范围,具体包括:利用自适应算法提高神经组织信号变化的信噪比,挑选像素点强度值连续N帧变化范围超过基线段信号点平均值±M倍标准偏差的范围为显著变化信号范围。
二、磁兼容的光学脑功能成像装置,包括:
一套OCT光学相干探测装置,基于中继光路将扫描光束传递至磁共振成像装置,用于对二维或者三维空间内的光学散射信号进行OCT采集;
一个或多个处理器,用于分析处理探测得到脑组织三维空间光学散射信号。
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:提取动态血流信号和非血管区域的神经组织响应信号。
本发明在核磁共振成像(MRI)条件下同步开展光学相干成像,实现高分辨的神经组织和血流动力学的响应信号获取,OCT和MRI的光路之间的连接依靠中继光路连接实现,将OCT扫描光束传递至MRI机器区样品位置。
本发明的中继光路全部采用非磁性材料,不存在成像的窜扰现象,能支持MRI同步成像,可实现无标记、高分辨率的三维结构成像和血流成像。
本发明相比现有技术具有以下有益效果和优势:
本发明是一种磁兼容的光学脑功能成像方法,结合MRI和OCT技术,利用外部刺激激发脑功能活动,利用OCT同时采集脑功能活动引发的光学散射信号变化,利用OCT散射信号结合OCTA算法提取神经组织信号和动态血流信号。
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。本发明允许MRI采集全脑信息,同时OCT获取脑功能信号,OCT通道工作在红外波段,相比于可见光,穿透深度更深,干涉成像灵敏度高,分辨率在μm量级。
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结构图和OCTA血流造影图;
图6为本发明示例性实施例的脑功能响应结果图。
图中:1-红外激光脉冲激发脑功能活动;2-OCT采集脑功能活动引发的光学散射信号;3-提取脑功能响应信号-非血管区域神经组织强度变化和血管区域流速变化;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;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:多个透镜组组成的中继光路;50:平面高反射镜;51:核磁共振机器区;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,首先利用事件刺激激发目标脑功能活动,示例采用近红外脉冲刺激,然后利用OCT系统采集功能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—神经组织响应信号和动态血流信号。在OCT采集的同时,利用MRI同步采集脑组织磁共振信号,利用获得的脑组织磁共振信号可以提取得到血氧水平依赖(BOLD)信号。BOLD信号可以反映脱氧血红蛋白的变化,这种变化是由大脑血流量和血氧的局部变化所驱动的,它与潜在的神经活动相耦合。
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,250μs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MRI装置采集功能活动引起的磁共振信号变化,对样本进行二维或三维空间扫描成像,在同一空间位置重复扫描成像一定时间(总时间t0+t1+t2)。过程为通过射频发射线圈将射频发射系统传输过来的电信号转换为高频电磁场作用于受检样本,使样本受激产生磁共振信号,利用射频接收线圈接收样本发出的核磁共振信号,最后重建接收到的磁共振信号产生磁共振图像。
利用OCT系统同步采集功能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,血管区域的动态血流信号响应和非血管区域的神经组织信号响应。
血管区域利用OCTA血流造影技术,提取刺激过程中血液动力学的响应信号。
本示例提取血管区域是基于复数互相关算法,利用同时包含幅度和相位的动静态复数信号做相关分析,可以实现高灵敏地将低相关度的动态血流信号从高相关度的静态组织信号中提取出来,能够检测微小血流运动:
其中,x表示横向坐标序号,z表示深度坐标序号,n表示帧数,Cn(z,x)表示第n帧图像(z,x)位置的去相关信号,表示第n+1帧图像(z,x)位置的复数共轭信号,表示第n帧图像(z,x)位置复数信号, In(z,x)表示第n帧图像(z,x)位置强度信号,i表示虚数,对应相位,“*”表示复共轭,P和Q分别表示所选取的信号窗口纵向和横向长度,p和q为对应的窗口序号,这里窗口大小选择为[53]。因为深层静态组织信号容易受到噪声影响,呈现与实际的动态血流信号接近的相关度值。
利用ID-OCTA(iSNR-Decorrelation OCTA,ID-OCTA)算法,该算法利用信噪比的倒数(iSNR)与去相关值(Decorrelation)的线性收敛关系,进一步的分析结合数值模拟给出了计算渐近分布方差的公式,从而根据其渐近分布建立一信噪比适应的ID特征空间线性分类器。该算法可以滤除较深位置的静态区域和噪声信号,保留更多深度血管,对较深位置的血管成更加清晰的像,提高血流对比度。
根据动态血流信号生成的掩膜,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为深度坐标序号,x为横向坐标序号,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,I(z,x,ti)表示ti时间(z,x)位置的强度信号,i表示帧数序号,ti表示时间。
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:
其中,IBaseline表示基线段OCT强度信号平均值,z表示深度坐标序号,x表示横向坐标序号,t表示时间。
利用自适应算法提高神经组织信号变化的信噪比,挑选像素点强度值连续N帧(这里取5帧作为示范)变化范围超过基线段信号点平均值±M倍标准偏差(这里取3倍作为示范)的范围为显著变化信号点。
由自适应算法筛选出的显著变化信号点,生成掩膜,得到显著变化的神经组织信号。在OCT散射信号中,通过平均处理产生最终的神经组织功能信号,以此来减小噪声。
图2示出的是本发明的磁兼容的脑功能成像装置示意图。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所示的磁兼容的脑功能成像装置具体包括:
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。磁兼容的脑功能成像装置,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、聚集透镜39、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、多个透镜组组成的中继光路49、平面高反射镜50、核磁共振机器区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;
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、色散补偿和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、振镜反射和物镜聚焦后,再经过中继光路透镜组49,采用平面高反射镜50实现OCT探测光路的转折,使光束照射到被测样品上。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。中继光路包含有多个透镜组,单个透镜组是由两个透镜以焦点重合同光轴组成,相邻透镜组之间也以焦点重合布置。
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,而后由信号处理器模块与计算单元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OCT信号可以得到刺激前后神经组织响应信号和血流动力学响应。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获得的结构图和血流图,OCT可实现三维成像。图5A为OCT结构投影图,图5B为对应的OCTA血流投影图。图5C为5A中黑色虚线位置的OCT结构断层图,其中灰度点为t=0.5s强度显著变化的信号点叠加在结构上的显示。图5D为5B中黑色虚线位置的OCTA血流断层图,其中灰度点为t=0.5s强度显著变化的信号点叠加在血流上的显示。
图6A显示了近红外激光1.0J/cm2/pulse刺激下,大鼠脑皮层神经组织强度信号相对变化结果,刺激开始时信号发生变化,刺激结束时恰好到达峰值,随后恢复。图6B显示了激光刺激强度为1.0J/cm2/pulse下脑皮层血流动力学响应,近红外激光刺激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:本发明可以开展磁兼容的光学脑功能成像研究,不存在成像通道的串扰现象,无需注射造影剂和病毒转染,深度可分辨,同时具有μm级的分辨率。本发明可同时获取神经组织和血流动力学响应信号,可与MRI同时使用,不影响其成像效果。
Claims (10)
1.一种磁兼容的光学脑功能成像方法,包括:
一种光学照明方法:经中继光路将OCT的输出扫描光束传递至磁共振成像装置;
一种光学信号探测方法:基于光学相干技术进行脑组织三维空间光学散射信号探测,同时通过磁共振成像(MRI)装置进行磁共振成像探测获得脑组织磁共振信号;
一种信号分析方法:进行事件刺激,基于快速动态特性提取血流信号;然后基于事件刺激的动态特性提取非血流区域的神经组织响应信号。
2.根据权利要求1所述的磁兼容的光学脑功能成像方法,其特征在于:一种光学照明方法中,所述的中继光路包含有多个透镜组,单个透镜组是由两个透镜以焦点重合同光轴组成。
3.根据权利要求2所述的磁兼容的光学脑功能成像方法,其特征在于:
所述中继光路中的透镜组的镜架外壳采用非磁性材料。
4.根据权利要求1所述的磁兼容的光学脑功能成像方法,其特征在于:
一种光学信号探测方法,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,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。
5.根据权利要求1所述的磁兼容的光学脑功能成像方法,其特征在于:
进行事件刺激,基于快速动态特性,提取血流信号,包括通过行间、帧间、体扫描之间的动态特性分析,提取血流信号。
6.根据权利要求1所述的磁兼容的光学脑功能成像方法,其特征在于:
基于事件刺激的动态特性,提取非血流区域的神经组织响应信号,包括:
1)利用提取的血流信号生成一个血流区域的掩膜;
2)利用血流区域的掩膜剔除血管区域,得到神经组织信号;
3)按照步骤2)方式处理获得事件刺激发生前、后的神经组织信号,计算事件刺激发生前、后的神经组织信号之间的相对变化信号;
4)选取神经组织信号显著变化范围;
5)由神经组织信号显著变化范围构建相对变化掩膜,用相对变化掩膜对相对变化信号做处理,最后得到神经组织功能响应信号。
7.根据权利要求6所述的磁兼容的光学脑功能成像方法,其特征在于:
选取神经组织信号显著变化范围,具体包括:利用自适应算法提高神经组织信号变化的信噪比,挑选像素点强度值连续N帧变化范围超过基线段信号点平均值±M倍标准偏差的范围为显著变化信号范围。
8.用于实施权利要求1~7中任一所述方法的磁兼容的光学脑功能成像装置,其特征在于包括:一套OCT光学相干探测装置,基于中继光路将扫描光束传递至磁共振成像装置,用于对二维或者三维空间内的光学散射信号进行OCT采集;
一个或多个处理器,用于分析处理探测得到脑组织三维空间光学散射信号。
9.根据权利要求7所述的磁兼容的光学脑功能成像装置,其特征在于:
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。
10.根据权利要求7所述的磁兼容的光学脑功能成像装置,其特征在于:所述的一个或多个处理器,包括:提取动态血流信号和非血管区域的神经组织响应信号。
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French | Biomedical optics |
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