CN101926644A

CN101926644A - 脑皮层功能多模式成像系统

Info

Publication number: CN101926644A
Application number: CN 201010289061
Authority: CN
Inventors: 李鹏程; 骆清铭; 孙小丽; 刘睿; 尹翠
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2010-09-21
Filing date: 2010-09-21
Publication date: 2010-12-29
Anticipated expiration: 2030-09-21
Also published as: CN101926644B

Abstract

本发明公开了一种脑皮层功能多模式成像系统。包括宽光谱光源，激光二极管和红色发光二极管分散置于大脑皮层上方，宽光谱光源，红色发光二极管前分别置有共轴滤光片，由大脑皮层出来的后向散射光经分光棱镜分为两路，一路通过液晶可调谐滤光片与第一电荷耦合器相连，另一路通过滤光片与第二电荷耦合器相连，两个电荷耦合器分别与两台计算机相连。本装置通过引入液晶可调谐滤光片解决了长期以来荧光成像，内源信号光学成像技术整合难题，并通过与激光散斑成像的联合，能够同时得到胞内pH值，脑血容，脱氧血红蛋白以及脑血流的变化情况，为更详尽全面的大脑功能和疾病机制的研究提供了有效的手段。

Description

脑皮层功能多模式成像系统

技术领域

本发明专利属于生物医学成像领域，具体涉及一种脑皮层功能多模式成像系统，能同时对大脑皮层的pH值变化，脑血容变化，脱氧血红蛋白浓度变化及血流速度变化进行监测。它适用于生物医学中对脑皮层的功能研究。

背景技术

传统的pH检测主要采用pH敏感的电极，但这种方法只能对单点进行检测，而且是侵入式的。采用pH敏感的染料进行荧光成像便可获得胞内pH的变化信息；内源信号光学成像是一种探测皮层的后向反射光的一种技术，它主要反应血红蛋白浓度变化；激光散斑成像在反应血流变化方面已有了很大的应用；以往的多模式，由于技术上实现的难度，很少采用三种成像方式结合的方式，往往是将其中的两种方式结合如内源成像和激光散斑成像，而且在之前已有的三种成像模式结合中，采用的是控制各个光源轮流点亮和电荷耦合器采集的方式，激光散斑成像与内源信号光学成像是通过同一个电荷耦合器来采集的，降低了血流图像的成像质量，并且实现起来较为复杂。

发明内容

本发明专利提供了一种可同时对大脑皮层胞内pH值，脑血容，脱氧血红蛋白以及脑血流的变化情况进行监测的成像装置，解决了长期以来多种成像模式耦合上的问题。

本发明专利装置其特征在于：该装置包括分光棱镜，第一及第二电荷耦合器件液晶可调谐滤光片及其控制器，第一、第二计算机，第一第二及第三滤光片，宽光谱光源，激光二极管，红色发光二极管及其控制电路。

宽光谱光源，激光二极管和红色发光二极管分散置于大脑皮层上方，宽光谱光源，红色发光二极管前分别置有第二、第三滤光片，第二滤光片与宽光谱光源共轴，红色发光二极管与第三滤光片共轴。红色发光二极管通过一个控制电路与第一计算机相连，

由大脑皮层出来的后向散射光经分光棱镜分为两路，一路通过液晶可调谐滤光片与第一电荷耦合器相连，另一路通过第一滤光片与第二电荷耦合器相连，第一电荷耦合器、第二电荷耦合器分与第一计算机、第二计算机相联，液晶可调谐滤光片通过其控制器与第一计算机相连。

本发明专利的有益效果是，可同时监测大脑皮层胞内pH值，脑血容，脱氧血红蛋白以及脑血流的变化情况，而且实现起来较为简单，只需要控制红光发光二极管的点亮，而汞灯和激光二极管是一直亮着的，不需要控制电路。宽光谱光源通过特定的滤光片激发出来的荧光，及宽光谱光源的反射光，和红色发光二极管的反射光通过液晶可调谐滤光片以分时复用的方式被第一电荷耦合器件检测。同时，第二电荷耦合器件配上第一滤光片可探测到激光经皮层反射后的携带速度信息的原始散斑图。本装置通过引入液晶可调谐滤光片将荧光成像，内源信号光学成像整合，解决了长期以来技术整合上的难题。并通过与激光散斑成像的联合，能够同时得到胞内pH值，脑血容，脱氧血红蛋白以及脑血流的变化情况，为更详尽，更全面的大脑功能和疾病机制的研究提供了一种有效的手段。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。

图1是本发明专利的系统结构示意图。

图2是是电荷耦合器拍摄图像的流程图。

图3是是血红蛋白摩尔消光系数。

图4是荧光染料中性红的激发和发射谱。

图5是系统实际拍到的多个波长图像。

图6是利用该系统对一次皮层扩散性抑制进行监测所得到的pH值变化，脑血容变化，脱氧血红蛋白浓度变化及血流速度变化曲线。

具体实施方式

如图1所示：该装置包括分光棱镜1，第一电荷耦合器件4，第二电荷耦合器件3，液晶可调谐滤光片12及其控制器14，第一计算机6，第二计算机5，第一滤光片2，第二滤光片8、第三滤光片9，宽光谱光源7，激光二极管11，红色发光二极管10及其控制电路13。

宽光谱光源，激光二极管(660 nm)和红色发光二极管分散置于大脑皮层上方，从大脑皮层出来的后向散射光通过一个分光棱镜1分成两路，其中一路通过第一滤光片2（655-665 nm）后被第二电荷耦合器3检测到。另一路通过液晶可调谐滤光片12后被第一电荷耦合器4检测，在成像系统中引入液晶可调谐滤光片同时进行荧光成像和内源信号光学成像是本发明专利的一个创新点，它保证了多种成像模式下成像视野的完全匹配，又能起到简化光学成像系统的复化性的功能。液晶可调谐滤光片12通过其控制器与第一计算机6连接。第一电荷耦合器3、第二电荷耦合器4分别接第一计算机6、第二计算机5。整个系统的流程图如图2所示，它主要分为两个部分，一个是第一电荷耦合器4在液晶可调谐滤光片12的配合下轮流采集630 nm的反射光，550 nm的反射光和630 nm的荧光；另一部分则是第二电荷耦合器3连续采集激光照射皮层所产生的原始散斑图。下面分别对其进行说明。

中性红是一种常用的pH荧光染料。根据中性红的激发谱17和发射谱18（图3），其激发峰在540nm左右，发射峰630nm左右。因此在宽光谱光源7前加一共轴第二滤光片8（516～556 nm）可以激发中性红的荧光。该荧光通过液晶可调谐滤光片12（设置中心波长为630 nm）后被第一电荷耦合器4检测。

根据图4中的含氧血红蛋白的摩尔消光系数曲线16和脱氧血红蛋白的摩尔消光系数曲线15，在550nm左右处，含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白的吸收相等，因此通过宽光谱光源照射皮层，采集550nm波长反射光强的变化就可以反映总的血红蛋白浓度的变化，即脑血容的变化，该波长的反射光通过液晶可调谐滤光片（设置中心波长为550 nm）后也被第一电荷耦合器4检测。红色发光二极管10前加一共轴第三滤光片9（604-644 nm），由于该波段内脱氧血红蛋白的吸收远大于含氧血红蛋白的吸收，该波长的反射光强变化间接反应了脱氧血红蛋白浓度的变化，该波长的反射光，通过液晶可调谐滤光片12（设置中心波长在630 nm）后亦被第一电荷耦合器4检测，从而得到脱氧血红蛋白浓度的变化。

由于这三个波长的图像都是由第一电荷耦合器4所采集，而荧光的波长与反映脱氧血红蛋白变化的反射光波长是重合的，为了避免在记录荧光信号时，反射光对荧光的干扰，红色发光二极管10是轮流点亮的，即在记录荧光时，红色发光二极管10灭，在记录反射光时，红光二极管10才亮。红光二极管10的亮灭是由第一计算机6并口输出的信号通过一个控制电路13来实现的。

因此在每一个周期内第一电荷耦合器4拍摄三幅图像：630 nm的反射光图像，550 nm的反射光图像及630 nm的荧光图像。由于荧光光强比较弱，曝光时间需要800 ms左右，所以在拍摄反射光630 nm时，虽然宽光谱光源7也有同时照射皮层激发出荧光，但反射光的曝光时间只有100 ms左右，通过我们的实验表明，在这个曝光时间下，荧光光强可以忽略不计。从而实现了胞内pH值，脑血容，脱氧血红蛋白浓度的同时监测又互不影响。

血流速度的监测是由激光二极管11(660 nm)照射皮层，反映速度信息的原始散斑图通过分光棱镜后由第一滤光片2滤波后（655-665 nm）被电荷耦合器3检测，再由第二计算机5进行运算处理得到血流速度图。血流速度图是通过激光散斑时间衬比分析方法获得的。其中衬比的计算公式如下：

Figure 2010102890616100002DEST_PATH_IMAGE002

其中

Figure 2010102890616100002DEST_PATH_IMAGE004

是在（x,y）象素处的衬比值。是在第n幅图像中（x,y）象素坐标处的光强值,

Figure 2010102890616100002DEST_PATH_IMAGE008

是N幅图像在(x,y)处的平均值。为了得到高质量的血流速度图，我们选取100幅原始散斑图来计算衬比。

而速度正比于

Figure 2010102890616100002DEST_PATH_IMAGE010

,与衬比的关系如下：

其中T是电荷耦合器的曝光时间，

Figure 2010102890616100002DEST_PATH_IMAGE014

是自相关时间。

因此可以通过计算每一个象素处的衬比平方的倒数（）来得到该点的相对血流速度的值。但通常这个计算所需要的时间大概要两秒左右，在时间分辨率上就比较差，而采用图形处理器来进行加速运算，可以提高五十倍左右。所以本系统中采用基于图形处理器的激光散斑时间衬比分析可以实时得到血流速度图。

由于左右两路光是同时采集的，因此就实现了激光散斑成像，荧光成像，内源光学信号成像的同时成像，从而可以同时获得胞内pH的变化，脑血容的变化，脱氧血红蛋白的变化及血流速度的变化。

由上可知，本发明专利通过引入液晶可调谐滤光片将激光散斑成像，荧光成像，内源光学信号成像的整合，同时获得了大脑皮层胞内pH的变化，脑血容的变化，脱氧血红蛋白的变化及血流速度的变化，为更详尽，更全面的了解大脑功能和疾病机制的研究提供了一种有效的手段。

装置实验

实验材料：大鼠200g左右，动物饲养和实验规格按照中华人民共和国《实验动物管理条例》要求进行，将大鼠头皮剪开，暴露额骨和顶骨，在顶骨上用牙科钻开一大小为3*4mm的成像窗，额骨上开一直径为1mm的刺激窗。手术后腹腔注射荧光染料中性红溶液（1ml,浓度35mM）作为胞内pH的指示剂。染料注射三十分钟后开始成像。

激光散斑成像曝光时间为20 ms, 荧光成像曝光时间为800 ms，550 nm内源光成像曝光时间为100 ms，630 nm内源光成像曝光时间为100 ms。

图5是同时拍摄的荧光图像19，550 nm反射光图像20，630 nm反射光图像21及血流速度图22，通过在时间序列上拍摄这样的一系列图像，可以得到这些图像所代表的参数在时间上的变化趋势。

图6是利用该系统对皮层扩散性抑制过程进行监测所得到的血流速度变化曲线23，表明该过程伴随着血流速度的急剧增加；630 nm荧光强度变化的曲线24，表明该过程中胞内pH值降低；反映脱氧血红蛋白浓度变化的630 nm反射光强度变化曲线25，反应出该过程中脱氧血红蛋白浓度降低；反映脑血容变化的550 nm反射光强度变化曲线26，表明该过程中脑血容增加。右侧的标杆表示的是该参数相对于基线状态的百分比变化，右下角的标杆表示的是时间长度。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种脑皮层功能多模式成像系统，其特征在于：该装置包括分光棱镜(1)，第一电荷耦合器件(4)，第二电荷耦合器件(3)，液晶可调谐滤光片(12)及其控制器(14)，第一计算机(6)，第二计算机(5)，第一滤光片(2)，第二滤光片(8)、第三滤光片(9)，宽光谱光源(7)，激光二极管(11)，红色发光二极管(10)及其控制电路(13)；

宽光谱光源(7)，激光二极管(11)和红色发光二极管(10)分散置于大脑皮层上方，宽光谱光源(7)，红色发光二极管(10)前分别置有第二滤光片(8)、第三滤光片(9)，第二滤光片(8)与宽光谱光源(7)共轴，红色发光二极管(10)与第三滤光片(9)共轴；红色发光二极管(10)通过一个控制电路(13)与第一计算机相连(6)；

由大脑皮层出来的后向散射光经分光棱镜(1)分为两路，一路通过液晶可调谐滤光片(12)与第一电荷耦合器(4)相连，另一路通过第一滤光片(2)与第二电荷耦合器相连(3)，第一电荷耦合器(4)与第一计算机(6)相连，第二电荷耦合器(3)与第二计算机(5)相连，液晶可调谐滤光片(12)通过其控制器(14)与第一计算机(6)相联。

2.根据权利要求1所述的脑皮层功能多模式成像系统，其特征是通过液晶可调谐滤光片轮流切换中心波长以分时复用的方式，利用电荷耦合器同时采集荧光图像和多个波长下的反射光图像。

3.根据权利要求2所述的脑皮层功能多模式成像系统，其特征在于，所述液晶可调谐滤光片轮流切换的波长分别为630nm、550nm和630nm，分别对应电荷耦合器采集的反射脱氧血红蛋白的反射光图像、反映脑血容的反射光图像和反映胞内pH值的荧光图像。