CN103156620B - 一种多通道并行近红外光谱成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种多通道并行近红外光谱成像系统，采用多波长LED完成近红外光的发射，雪崩光电二极管进行微弱光信号的检测，采用模拟锁定放大器技术实现信号放大，并可以采用中国专利申请CN200520002784.8中公开的近红外光谱脑功能成像头盔来改善自适应头部部分设计的不合理。本发明的多通道并行近红外光谱成像系统可实现对大脑血氧信号持续快速准确的检测和采集，解决了现有功能近红外系统的不足，真正发挥了功能近红外光谱成像技术相对于其他脑功能成像技术的优势。
Description
技术领域
本发明涉及医学影像领域，且具体涉及一种基于相敏检波技术的多通道脑功能近红外光谱成像系统。
背景技术
作为脑功能成像技术的代表，功能核磁共振成像(fMRI)、正电子发射断层成像(PET)和脑电(EEG)等技术在脑功能研究领域和脑疾病诊断治疗方面发挥着重要的作用，但是高昂的成本、较低的时间分辨率、对被试或病患本身的限制要求以及可能带来的副作用等缺点使这些技术的应用都有一定的局限。近红外光谱成像技术(NIRS)以低成本、时间分辨率高、无副作用伤害、对被试或病患无限制要求等优点成为脑功能成像技术的重要组成部分。国外近红外光谱成像技术发展较早，已有比较成熟的产品，例如日本日立公司的ETG系列、岛津的FOIRE系列、美国TechEn公司的CW系列。国内相关技术则比较落后，还没有比较成熟的产品。现有中国专利申请CN201110286531.8、中国专利申请CN200410096007.X和其他已有的NIRS系统尽管能够完成血氧信息检测，但是在具体模块的设计和系统整体的集成上都存在不足。
首先，中国专利申请CN201110286531.8和中国专利申请CN200410096007.X中的光源均采用激光源，这不仅提高了系统的成本，而且由于激光本身的局限性限制了光源波长的选择。另外由于每个光源仅对应一个波长，而每个通道至少需要两种以上不同波长的光，所以每个通道至少需要两个光源并且通过耦合器将不同光源的两束光耦合在一起。这又一次提高了制造成本并且使系统更为复杂，实际使用中也更加不便。
其次，中国专利申请CN201110286531.8和中国专利申请CN200410096007.X的探测器模块分别选用了光电倍增管和普通硅光电二极管作为光电转换核心器件。其中，光电倍增管存在造价高、体积大、抗机械冲击能力差等缺点，而且光阴极表面灵敏度不均匀以及“疲乏”现象会导致采集数据不可信。而普通光电二极管则会因为灵敏度低而无法完成微弱光信号，特别是在NIRS系统中经过颅脑散射出的光信号的检测。
另外，中国专利申请CN201110286531.8、中国专利申请CN200410096007.X对于其所述的自适应探头部分，即通道排布方面的设计不合理或考虑欠缺。由于以上等问题以及所使用的数据采集技术的限制，使得整个近红外光谱成像系统无论是在制造成本上，还是在实际使用中都无法满足近红外数据采集的要求，也就不能发挥近红外光谱成像技术的优势。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种真正可用于临床应用和科学研究的多通道的近红外光谱成像系统。
为实现上述目的，本发明采用光功率稳定发射技术、微弱光信号检测技术以及移相解调技术等核心技术设计了一套新型多通道并行近红外光谱成像系统，该技术方案主要包括系统控制部分、光纤连接部分、近红外光发射部分、采集头盔、雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode，APD)探测器部分、多通道移相解调部分和数据处理部分。其中，
所述的系统控制部分主要是通过上位机实现整系统正常工作的控制。具体控制内容包括：检测系统各个通道使能、通道载波光频率设置、被测个体适应性调整和各个通道数据接收。
所述的光纤连接部分主要是将近红外光从光源传送的人体头部，再将从头部出射的近红外光传输到光电转换模块。在光纤连接部分主要包括光纤连接头、光纤。
所述的近红外光发射部分包括多个发射单元，每个发射单元又包括发射控制模块、多波长发光二极管(Light Emitting Diode，LED)模块、恒流反馈模块和连接光纤。由发射控制模块输出控制信号决定LED的发射功率并调制发射信号，多波长LED根据控制信号发射双波长或多波长的近红外光，再由连接光纤将近红外光高效的传送至探测头盔。另有恒流反馈模块保证了发射的近红外光功率恒定。
所述多通道解调部分包括多个解调通道，每个解调通道由移相模块、锁相放大模块和滤波电路组成。移相模块将输入信号和对应的参考信号作移相处理以保证其相位相同，锁相放大模块再将信号锁定放大，最终经过滤波得到对应通道的血氧信号。
所述数据处理部分主要是进行数据预处理，包括进行数据放大、滤波和归一化处理。
通过采取以上技术方案，本发明采用了更为精确且性价比高的模块，如多波长LED，而不需要使用耦合器；采用了雪崩二极管进行微弱光信号放大；采用模拟锁定放大器技术等完成了一套新型的多通道并行的近红外光谱成像系统，由此具有以下优点：
1、制造和使用成本更低。激光光源的造价成本较高，并且波长范围有限，至少两个才能完成一个通道的采集要求，所以另外需要耦合器将两处激光光源耦合在一起，而选用LED光源的成本远低于激光光源，并且一个多波长LED就可以满足至少一个通道的数据采集要求，这不仅减少了实际光源的数目更是完全省去了后续的光源耦合器；探测器模块采用APD取代价格较高的光电倍增管，并且其使用周期也更长；采用移相检波用以解调通道取代成本较高的数字解调方式。
2、结构布局更为合理有效。改进后的技术不仅降低了成本，更为重要的是改进后整个系统的通道使用率提高，结构也更加简洁高效。多波长LED的使用减少了实际所需的光源数目，并且省去了不必要的耦合器；APD器件较光电倍增管更为小巧并且有更容易与光纤接合的封装形式；光源、探测器和其他模块的改进又使总体的布局以及通道的排布等变得更加合理有效。
3、系统更为灵活稳定。与激光光源相比，LED光源的波长范围要广，而APD比光电倍增管的波长相应范围也更宽，所以本发明的系统在通道波长的选择上可以更加灵活；相比光电倍增管的不稳定性以及抗机械冲击能力差等缺点，采用APD也使系统更加稳定；由于不存在光电倍增管的“疲乏”现象，本发明的系统可以更加持续稳定的工作。
4、数据采集更加高效可信。采用多通道并行采集技术，各通道之间不存在时间误差且区分度更好；探测器模块中的APD器件可以高效完成微弱光的信号转化，不存在中国专利申请CN201110286531.8中光电倍增管“疲乏”等因素导致的错误信息；此外，相比于中国专利申请CN201110286531.8中自适应头部部分设计的不合理，通过采用发明人自己的专利申请——近红外光谱脑功能成像头盔(CN200520002784.8)，通道的排布可以更加合理简洁，数据采集也更加高效可信。
5、实际使用更加简易方便。由于本发明的系统简化了光源，省去了不必要的耦合器，其他模块的器件更加实用，通道排布更加合理并且采用更加实用的数据采集头盔，整个系统不仅在功能上更加突出，外观上也更加美观和人性化，所以在实际的实用中也更加简易方便。
附图说明
图1是新型NIRS并行采集系统的总体框图；
图2是红外光发射模块的框图；
图3是信号采集头盔的示意图；
图4是光电转换模块的框图；
图5是通道解调模块的框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
图1所示是系统总体框图，本发明包括精确控制部分、多路不同波长LED光源发射部分、高效光电转化部分、高分辨通道解调部分及后期处理部分。首先，由控制部分发出信号决定光源发射的功率和频率，同时对相应通道的电信号完成调制，生成所需频率的方波信号。发射功率和频率都是灵活可调的。光源发射部分则根据控制部分的信号以恒定的功率和频率发射近红外光，保证数据的可靠性。发射的近红外载波光信号将通过特定的光纤传到探测头盔部分，头盔部分可与头皮很好的贴合。当近红外光经过颅脑的散射和吸收后便携带了大脑的血氧信息，再由探测头盔上的特定光纤传送至光电转化部分。光电转化部分则将传来的包含了大脑血氧信息的光信号高效转化为电信号输出给后面的通道解调部分。通道解调部分通过移相、放大、滤波等技术将不同通道的信号解调出来，得到不同通道对应的脑区血氧信号，最后可由数据处理部分做进一步的处理和分析。
其中，多波长LED光源部分由多组相同单元模块组成，每个单元以一个多波长LED为核心，可发射两种或两种以上波长的近红外光，一个光源控制模块用以调节LED的光功率并对光信号进行调制。光源反馈模块则保证光源的稳定。发射的近红外光由特定光纤传至探测头盔。探测头盔可以是传统的探测头盔，也可以是基于已有的专利近红外光谱脑功能成像头盔(200520002784.8)并进行改进。雪崩光电二极管APD光电转化部分由多组相同单元组成，每个单元以一个APD为核心，可以把微弱的光信号高效快速的转化为电信号，另有一个探测器控制模块可以调节APD的偏置电压，进而控制APD的增益。反馈控制模块则包括了热敏电阻在内的温度电压反馈机制，使APD的光电转化增益维持稳定。输入光信号经过光纤从探测头盔引入，输出信号经过光电转换后交由解调部分进行通道解调。通道解调部分可以对每个通道进行信号解调。解调方案采用锁定放大器技术。在该技术中，通过将每个通道的参考信号与输入信号进行相敏检波，从而把输入信号中本通道的信息解调出来，保证各通道信息的准确提取。
图2所示为光源发射部分示意图，其核心是多波长LED恒流模块，另外包括光源控制模块和光源反馈模块以及用于输出光信号的特定光纤。多波长的LED可发射两波长或三波长的具有合理跨度的近红外光，不同的LED对应不同的波长和组合，可以灵活替换和选择。光源控制模块和反馈模块保证了近红外光信号的稳定性。
图3所示是本发明发明人申请的专利申请号为CN200520002784.8的探测头盔示意图，是直接与被试或病患接触的部分，该专利申请公开的部分并入本申请中作为本发明的一部分。
具体地说，该近红外光谱脑功能成像头盔由九个边长为3.2～3.4cm的正五边形和二十三个边长为3.2～3.4cm的正六边形拼接形成立体形状；每个正五边形覆盖区域内设计了二十个探头位置及近红外光源探头、近红外接收探头排列方式；每个正六边形覆盖区域内设计了十九个探头位置及近红外光源探头、近红外光接收探头排列方式。
所述的近红外光谱脑功能成像头盔，其所述拼接形成立体形状，为包覆头部的立体形状，是在一个正五边形的底边上顺序连接五个正六边形：C2、C3、C4、C5、C6，构成一字形中线，于该中线右侧，在正五边形的右上侧边固接一正六边形R1，在该正六边形右侧边固接一正五边形；
在正六边形C2的右上侧边固接一正六边形；
正六边形C4的右下侧边和正六边形C5的右上侧边，分别与一正六边形的左上侧边和左下侧边固接，该正六边形的上侧边和一正五边形的底边固接，该正五边形的右下侧边固接一正六边形R8；
正六边形R8的上侧边、右上侧边和底边分别固接一正六边形，其右下侧边固接一正五边形；
该正五边形的右上侧边固接一正六边形R6；
正六边形C5的右下侧边固接一正五边形，该正五边形的底边固接一正六边形R13；
位于中线左侧的正五边形和正六边形，以中线为准与右侧对称排列。
所述的近红外光谱脑功能成像头盔，其所述正六边形R1、R6、R13，以及按中线与它们对称的正六边形，为被切割了一部分的正六边形。
所述的近红外光谱脑功能成像头盔，其所述包覆头部的立体形状，其开口周缘设有粘扣，粘扣宽度≤1.5cm。
所述的近红外光谱脑功能成像头盔，其所述被切割一部分的正六边形，其中，正六边形R1以及按中线与它对称的正六边形，被切去一三角形，成为五边形；正六边形R6、R13，以及按中线与它们对称的正六边形，被切去一半，成为四边形。
所述的近红外光谱脑功能成像头盔，其所述每个正五边形覆盖区域内二十个探头位置，为正五边形上设有的二十个孔，孔径为≤2mm，与激光光源探头、激光接收探头外径相适配；
二十个孔分布在顶点、边线的中点、对角线的交点、五条中线上与顶点直线距离为0.92cm的点上。
所述的近红外光谱脑功能成像头盔，其所述每个正五边形覆盖区域内的两种激光光源探头、激光接收探头排列方式，
所述的近红外光谱脑功能成像头盔，其所述每个正六边形覆盖区域内十九个探头位置，为正六边形上设有的十九个孔，孔径为≤2mm，与近红外光源探头、近红外光接收探头外径相适配；
十九个孔分布在顶点、边线的中点、正六边形中心点、顶点与正六边形中心点连线的中点。
所述的近红外光谱脑功能成像头盔，其所述每个正六边形覆盖区域内的近红外光源探头、近红外光接收探头排列方式，
其一种为：在正六边形顶点和边线的中点孔内，插置激光光源探头，其余的孔内插置激光接收探头；
其二种为：在正六边形顶点和边线的中点孔内，顺时针由上左顶点开始，插置激光接收探头、激光光源探头、激光光源探头、激光光源探头、激光接收探头、激光光源探头、激光光源探头、激光光源探头、激光接收探头、激光光源探头、激光光源探头、激光光源探头；
在正六边形中心点孔内，插置激光光源探头；
在顶点与正六边形中心点连线的中点孔内，插置激光接收探头。
所述的近红外光谱脑功能成像头盔，其所述每个正五边形和每个正六边形，在固接时，所有相互重合边及重合顶点上的孔都重合。
专利申请号为CN200520002784.8的探测头盔的技术方案主要由三部分构成：
1、在正五边形覆盖区域内，设计了20个激光探头插入位置，设计了两种近红外光源探头(S)-近红外光接收探头(D)排列方式，它们在正五边形覆盖的15.5cm2区域内分别可得到30个和26个检测通道；
2、在正六边形覆盖区域内，设计了19个激光探头插入位置，设计了两种近红外光源探头(S)-近红外光接收探头(D)排列方式，它们在正六边形覆盖的23.4cm2区域内分别可得到21个和18个检测通道；
3、设计了9个正五边形和23个正六边形，它们通过拼接形成了完整的头盔形状。
该头盔基本组成部分为正五边形和正六边形，在单个多边形覆盖区域内检测通道比较密集；多个多边形经过拼接形成完整的头盔形状，可以覆盖绝大部分大脑皮层区域，用于大面积大脑皮层功能活动检测。就目前所掌握的资料，该设计优于其它近红外光谱脑功能成像头盔。
这样设计的有益效果是：提高了近红外光谱脑功能成像头盔局部覆盖区域内检测通道密集程度；使近红外光谱脑功能成像头盔能够覆盖绝大部分大脑皮层区域。
图4所示是光电转换部分示意图，APD探测模块集成了一个高效的光电转化器件——雪崩光电二极管(APD)，APD通过“雪崩”效应将传来的携带血氧信息的光信号转化为电信号，然后将电信号交由通道解调模块进行解调。其中探测器控制模块通过调节APD的偏置电压精确调节光电转化的增益大小，并通过探测器反馈模块使光电转化的增益保持稳定，并使不同通道的增益值维持在同一水平。
图5是通道解调部分示意图，由多路解调通道组成，分别对应不同通道。多路不同载波频率的输入信号以对应的调制信号作为参考信号，同时接入到一个信号通道的正交矢量模拟锁相放大器中，输出端就可得到微弱血氧变化信号的实际幅值和相位，输出信号经由AD转换再进行后期的数字信号处理和分析。
另有数据处理部分完成模数转换、数字滤波和血氧信息计算。其中模数转换模块完成模拟信号到数字信号的转换过程，数字滤波滤除信号中的毛刺信号，然后输出到一个数字信号处理器中进行血氧浓度信息计算。
作为本发明的具体实施例，本发明的系统主要包括以上位机为主的控制调节部分、以多波长LED为主的光源发射部分、以雪崩光电二极管为主的光电转换部分、以锁相器为主的通道解调部分以及数据处理部分。近红外光谱脑功能成像头盔可以采用本领域中传统的成像头盔，但优选采用中国专利申请CN200520002784.8中的近红外光谱脑功能成像头盔作为本系统与被试直接接触的部分。其中，多波长LED完成近红外光的发射，APD进行微弱光信号的检测，通道解调部分负责解调不同通道的血氧信号。
通过实践检测，本发明的多通道并行近红外光谱成像系统可实现对大脑血氧信号持续快速准确的检测和采集，解决了现有功能近红外(NIRS)系统的不足，真正发挥了功能近红外光谱成像技术相对于其他脑功能成像技术的优势。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，由于本发明对多通道并行近红外光谱成像系统的各个组成部分都做出了改进，本领域技术人员可以对其中某一个或多个改进的组合形成一个新的技术方案，这样的技术方案均在本发明的保护范围之内，在此不再一一列举。
Claims (15)
1.一种多通道并行近红外光谱成像系统，除了控制调节部分和数据处理部分之外，还包括：
多波长发光二极管光源部分，由多组相同单元模块组成，每个单元以一个多波长发光二极管为核心，该多波长发光二极管的波长和频率可调，内部集成了多种波长的发射模块，因此可通过一个该多波长发光二极管发射多种波长的红外光；
探测头盔部分，所述多波长发光二极管发射的红外光通过光路传至该探测头盔部分；
雪崩光电二极管光电转化部分，由多组相同单元组成，每个单元以一个雪崩光电二极管为核心，将光信号转化为电信号；雪崩光电二极管光电转化部分的输入信号通过光纤从探测头盔部分引入，输出信号交由多通道解调部分进行通道解调，所述雪崩光电二极管具有温度反馈机制和偏置电压调节机制；
多通道解调部分，由多路解调通道组成，分别对应不同通道，以对每个通道进行信号解调，多路不同载波频率的输入信号以对应的调制信号作为参考信号，同时接入到一个信号通道的正交矢量模拟锁相放大器中。
2.如权利要求1所述的多通道并行近红外光谱成像系统，其特征在于所述的探测头盔部分根据大脑结构进行通道排布，通道选择准确方便。
3.如权利要求1所述的多通道并行近红外光谱成像系统，其特征在于可以对多个模块参数进行调节。
4.如权利要求1所述的多通道并行近红外光谱成像系统，其特征在于所述的多波长发光二极管在600nm至900nm波长范围之间进行选择和组合。
5.如权利要求1所述的多通道并行近红外光谱成像系统，其特征在于所述的探测头盔部分为一种近红外光谱脑功能成像头盔，由九个边长为3.2～3.4cm的正五边形和二十三个边长为3.2～3.4cm的正六边形拼接形成立体形状；每个正五边形覆盖区域内设计了二十个探头位置及近红外光源探头、近红外光接收探头排布方式；每个正六边形覆盖区域内设计了十九个探头位置及近红外光源探头、近红外光接收探头排布方式。
6.如权利要求5所述的多通道并行近红外光谱成像系统，其特征在于所述的探测头盔部分中，所述拼接形成立体形状，为包覆头部的立体形状，是在一个正五边形的底边上顺序连接五个正六边形(C2、C3、C4、C5、C6)，构成一字形中线，于该中线右侧，在正五边形的右上侧边固接一正六边形(R1)，在该正六边形右侧边固接一正五边形；
在正六边形(C2)的右上侧边固接一正六边形；
正六边形(C4)的右下侧边和正六边形(C5)的右上侧边，分别与一正六边形的左上侧边和左下侧边固接，该正六边形的上侧边和一正五边形的底边固接，该正五边形的右下侧边固接一正六边形(R8)；
正六边形(R8)的上侧边、右上侧边和底边分别固接一正六边形，其右下侧边固接一正五边形；
该正五边形的右上侧边固接一正六边形(R6)；
正六边形(C5)的右下侧边固接一正五边形，该正五边形的底边固接一正六边形(R13)；
位于中线左侧的正五边形和正六边形，以中线为准与右侧对称排列。
7.如权利要求6所述的多通道并行近红外光谱成像系统，其特征在于所述的探测头盔部分中，所述正六边形(R1、R6、R13)，以及按中线与它们对称的正六边形，为被切割了一部分的正六边形。
8.如权利要求6所述的多通道并行近红外光谱成像系统，其特征在于所述的探测头盔部分中，所述包覆头部的立体形状，其开口周缘设有粘扣，粘扣宽度≤1.5cm。
9.如权利要求7所述的多通道并行近红外光谱成像系统，其特征在于所述的探测头盔部分中，所述被切割一部分的正六边形，其中，正六边形(R1)以及按中线与它对称的正六边形，被切去一三角形，成为五边形；正六边形(R6、R13)，以及按中线与它们对称的正六边形，被切去一半，成为四边形。
10.如权利要求5所述的多通道并行近红外光谱成像系统，其特征在于所述的探测头盔部分中，所述每个正五边形覆盖区域内二十个探头位置，为正五边形上设有的二十个孔，孔径为≤2mm，与近红外光源探头、近红外光接收探头外径相适配；
二十个孔分布在顶点、边线的中点、对角线的交点、五条中线上与顶点直线距离为0.92cm的点上。
11.如权利要求10所述的多通道并行近红外光谱成像系统，其特征在于所述的探测头盔部分中，所述每个正五边形覆盖区域内的近红外光源探头、近红外光接收探头排布方式，
其一种为：在正五边形顶点和边线的中点孔内，插置近红外光源探头，其余的孔内插置近红外光接收探头；
其二种为：在正五边形顶点和边线的中点孔内，顺时针由上顶点开始，插置近红外光源探头、近红外光接收探头、近红外光源探头、近红外光接收探头、近红外光接收探头、近红外光源探头、近红外光源探头、近红外光接收探头、近红外光接收探头、近红外光源探头；
在五条中线上与顶点直线距离为0.92cm的点所围成的内正五边形上，顺时针由上顶点孔开始，插置激光光源探头、激光接收探头、激光光源探头、激光接收探头、激光接收探头；
在对角线的交点所围成的内小正五边形上，顺时针由下顶点孔开始，插置激光光源探头、激光光源探头、激光接收探头、激光光源探头、激光接收探头。
12.如权利要求5所述的多通道并行近红外光谱成像系统，其特征在于所述的探测头盔部分中，所述每个正六边形覆盖区域内十九个探头位置，为正六边形上设有的十九个孔，孔径为≤2mm，与近红外光源探头、近红外光接收探头外径相适配；
十九个孔分布在顶点、边线的中点、正六边形中心点、顶点与正六边形中心点连线的中点。
13.如权利要求12所述的多通道并行近红外光谱成像系统，其特征在于所述的探测头盔部分中，所述每个正六边形覆盖区域内的近红外光源探头、近红外光接收探头排列方式，
其一种为：在正六边形顶点和边线的中点孔内，插置近红外光源探头，其余的孔内插置近红外光接收探头；
其二种为：在正六边形顶点和边线的中点孔内，顺时针由上左顶点开始，插置激光接收探头、激光光源探头、激光光源探头、激光光源探头、激光接收探头、激光光源探头、激光光源探头、激光光源探头、激光接收探头、激光光源探头、激光光源探头、激光光源探头；
在正六边形中心点孔内，插置激光光源探头；
在顶点与正六边形中心点连线的中点孔内，插置激光接收探头。
14.如权利要求10、11、12、13中任一项所述的多通道并行近红外光谱成像系统，其特征在于，所述的探测头盔部分中，所述每个正五边形和每个正六边形，在固接时，所有相互重合边及重合顶点上的孔都重合。
15.如权利要求1所述的多通道并行近红外光谱成像系统，其特征在于所述的多通道解调部分还采用了模拟锁定放大器技术。
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