CN105266791A - 一种快速测量生物组织血流量的近红外扩散相关谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于全新软件相关器的近红外扩散相关谱仪，时间分辨率可以灵活设置，实现低至1ms的时间分辨；延迟时间以及延迟时间的个数也可以灵活设置。当延迟时间的个数较少时，采用W.？B.？Baker等提出的用于血流量测量的修正比尔-朗伯定律^{[ 8]}。当延迟时间的个数较多时，采用理论拟合的方法获得生物组织血流量；采用多个计数器，很容易扩展为多通道近红外扩散相关谱仪。因此本发明提供了一种快速，便宜以及灵活的近红外扩散相关谱仪。

Description

一种快速测量生物组织血流量的近红外扩散相关谱仪

技术领域

本发明涉及生物医学设备领域，具体涉及一种快速测量生物组织血流量的近红外扩散相关谱仪。

背景技术

近红外光是600nm-1000nm的光谱段，这段光谱在生物组织中有非常强的穿透性，称为生物组织的光学窗口。目前，基于这段光谱发展起来的近红外扩散光学谱技术(DiffuseOpticalSpectroscopy(DOS)，Near-infraredSpectroscopy(NIRS)，FunctionalNear-infraredSpectroscopy(fNIRS))和近红外扩散相关光谱技术(DiffuseCorrelationSpectroscopy,DCS)已经广泛应用于卒中、脑创伤、脑功能成像、癌症的诊断以及肌肉疾病的医学研究。

近红外扩散相关谱仪提供了一种用于深层生物组织的局部血流量测量的新技术，通过近红外光在生物组织中多次散射后光强的起伏来获得血流量。在近红外扩散相关谱仪中，最重要的部分是计算归一化的光强互相关。传统的近红外扩散相关谱仪采用商用的硬件相关器来计算计算归一化光强^[1-4]，例如ALV(德国)和Correlators.com(美国)。传统的硬件相关器价格较贵，且时间分辨率低，大约在1s左右。为了克服硬件相关器时间分辨率低的问题，Dietsche等^[5]利用32个雪崩光电二极管(APD)和32通道的商用硬件相关器来观测血流量中的心跳信号。

由于商用的硬件相关器价格较贵，且不灵活，一些研究者试图利用软件相关器来替代硬件相关器。2001年，D.Magatti等^[6]开发用于测量微粒运动的软件相关器，软件相关器的原理基于模仿硬件相关器，但是时间分辨率只有5-10s。2012年，JDong等^[7]开发了用于测量生物组织血流量的软件相关器，软件相关器的原理基于快速傅里叶变换，时间分辨率为1s。但是基于傅里叶变换的特性，延迟时间是均匀分布的，很难覆盖大范围的时间尺度。另外延迟时间也不能够灵活设置。由此可见，现有的基于软件的相关器时间分辨率在s量级以上；硬件相关器虽然能够实现ms量级测量，但是仪器复杂。另外现有的相关器的延迟时间以及时间分辨率均不能灵活设置。

【1】.T.Durduran,G.Yu,M.G.Burnett,J.A.Detre,J.H.Greenberg,J.Wang,C.Zhou,andA.G.Yodh,"Diffuseopticalmeasurementofbloodflow,bloodoxygenation,andmetabolisminahumanbrainduringsensorimotorcortexactivation,"OpticsLetters29,1766-1768(2004).

【2】.T.Durduran,C.Zhou,B.L.Edlow,G.Yu,R.Choe,M.N.Kim,B.L.Cucchiara,M.E.Putt,Q.Shah,S.E.Kasner,J.H.Greenberg,A.G.Yodh,andJ.A.Detre,"Transcranialopticalmonitoringofcerebrovascularhemodynamicsinacutestrokepatients,"OpticsExpress17,3884-3902(2009).

【3】.J.P.Culver,T.Durduran,D.Furuya,C.Cheung,J.H.Greenberg,andA.G.Yodh,"Diffuseopticaltomographyofcerebralbloodflow,oxygenation,andmetabolisminratduringfocalischemia,"Journalofcerebralbloodflowandmetabolism:officialjournaloftheInternationalSocietyofCerebralBloodFlowandMetabolism23,911-924(2003).

【4】.梁佳明,王晶,梅建生,张镇西.基于扩散相关光谱的血流检测方法研究.光谱学与光谱分析,32(10):2749-2752,2012.

【5】.G.Dietsche,M.Ninck,C.Ortolf,J.Li,F.Jaillon,andT.Gisler,"Fiber-basedmultispeckledetectionfortime-resolveddiffusing-wavespectroscopy:characterizationandapplicationtobloodflowdetectionindeeptissue,"AppliedOptics46,8506-8514(2007).

【6】.D.Magatti,andF.Ferri,"Fastmulti-taureal-timesoftwarecorrelatorfordynamiclightscattering,"AppliedOptics40,4011-4021(2001).

【7】.J.Dong,R.Bi,J.H.Ho,P.S.P.Thong,K.-C.Soo,andK.Lee,"DiffusecorrelationspectroscopywithafastFouriertransform-basedsoftwareautocorrelator,"JournalofBiomedicalOptics17,0970041-0970049(2012).

【8】.W.B.Baker,A.B.Parthasarathy,D.R.Busch,R.C.Mesquita,J.H.Greenberg,andA.G.Yodh,"ModifiedBeer-Lambertlawforbloodflow,"Biomedicalopticsexpress5,4053-4075(2014).

【9】.T.Durduran,R.Choe,W.B.Baker,andA.G.Yodh,"Diffuseopticsfortissuemonitoringandtomography,"ReportsonProgressinPhysics73,076701(2010)。

发明内容

本发明的目的是提供的一种基于全新软件相关器的近红外扩散相关谱仪，时间分辨率可以灵活设置，实现低至1ms的时间分辨；延迟时间以及延迟时间的个数也可以灵活设置。当延迟时间的个数较少时，采用W.B.Baker等提出的用于血流量测量的修正比尔-朗伯定律^[8]。当延迟时间的个数较多时，采用理论拟合的方法获得生物组织血流量^[9]；采用多个计数器，扩展为多通道近红外扩散相关谱仪。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一个激光器，通过发射光纤和与发射探头相连，

光电探测器，通过接收光纤连接到接收探头上，

光电探测器的输出通过电缆连接到相关器上，

所述相关器包括采样时钟，计数器和计算机；

所述发射探头和接收探头接触到生物组织，光电探测器探测到生物组织中断续的随机光子流，并把断续的随机光子流转换为随机的电脉冲流，计数器对单位时间内的光子总数进行采样，光子总数即为单位时间内的光强，并进行光强的归一化相关计算获得光强归一化相关测量，并通过计算获得血流量。

在上述技术方案中，包括若干个光电探测器，每一个光电探测器通过一个计数器连接到计算机。

在上述技术方案中，所述若干个光电探测器共用一个采用时钟。

在上述技术方案中，所述光强的归一化相关计算公式为：

$g_2(i,\mathrm{\&tau;})=\frac{<n\left(i\right)\&CenterDot;n(i+\mathrm{\&tau;})>}{<n\left(i\right)>\&CenterDot;<n(i+\mathrm{\&tau;})>}$

其中：n(i)表示第i·△t时刻的光子数，n(i+τ)表示(i+τ)·△t时刻的光子数，<>表示时间平均。

在上述技术方案中，相关运算取K个光子数作为一个数组进行相关运算，平均时间为K·△t，即测量生物组织血流量的时间分辨率为K·△t。

在上述技术方案中，从△t到(K-1)·△t中的时间过程中选取一个或者几个延迟时间。

在上述技术方案中，光强在单个时间点的归一化相关计算步骤为：

提取K个累计光子数作为一个数组，血流量测量的时间分辨率是K·△t，

由于计数器输出的光子数为累计光子数，通过差分运算，获得单位时间内的光子数，

通过删除数组中前η个光子数以及最后η个光子数，即实现η·△t的延迟时间，

对两个数组进行运算，实现延迟时间为η·△t的光强归一化运算，

改变删除的光子数个数，即改变η，就可以实现不同延迟时间光强归一化相关测量。

在上述技术方案中，所述两个数组的计算公式如下：

$g_2(\mathrm{\&tau;}=\mathrm{\&eta;}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}t)=\frac{{\&Sigma;}_{i=\mathrm{\&eta;}+1}^{K-1}n\left(i\right)\&CenterDot;n(i-\mathrm{\&eta;})}{{\&Sigma;}_{i=\mathrm{\&eta;}+1}^{K-1}n\left(i\right)\&CenterDot;{\&Sigma;}_{i=\mathrm{\&eta;}+1}^{K-1}n(i-\mathrm{\&eta;})}\&CenterDot;(K-1-\mathrm{\&eta;})$

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明通过放置在生物组织的光探头测量血流量，软件相关器基于单个延迟时间的光强相关运算原理，通过简单叠加多个延迟时间实现多个延迟时间的光强相关运算。相关计算利用了计算机大存储的特点，采用数组形式实现计算。近红外扩散相关谱仪的时间分辨率可以灵活设置，实现低至1ms的时间分辨，因此能够快速的测量生物组织血流量。近红外扩散相关谱仪的延迟时间以及延迟时间的个数也可以灵活设置；采用多个计数器，很容易扩展为多通道多延迟时间的近红外扩散相关谱仪。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是两通道的近红外扩散相关谱仪结构图；

图2是对光强采样的结构示意图；

图3是光强采样的原理示意图；

图4是相关运算的总体流程图；

图5是在单个时间点的光强归一化相关计算示意图；

图6是本发明测量小臂肌肉中血流量的使用实例；

图7是利用理论拟合获得的血流量指数；

其中：1是激光器，2是发射光纤，3是发射探头，4是生物组织，5，7是接收探头，6，8是接收光纤，9，10是光电探测器，11是采样时钟，12是电缆，13，14是计数器，15是计算机。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

如图1所示，给出了两通道的近红外扩散相关谱仪结构图，本发明中采用的是全新软件相关器，软件相关器的硬件包括采样时钟，计数器和计算机。通过采样时钟控制的计数器实现光强采样，利用计算机实现光强的相关计算；图2给出光强采样的结构图。由于探测光的强度极其微弱，光电探测器探测的是断续的随机光子流，并把断续的随机光子流转换为随机的电脉冲流。计数器对单位时间内的光子总数进行采样，光子总数即为单位时间内的光强。

图3给出了光强采样的原理图。当光电探测器的电脉冲到达计数器时，计数器对电脉冲进行计数；在每个采样时钟的上升沿或者下降沿的触发下，计数器把计数数值转移到计数器的缓存，采样时间为△t，采样频率为1/△t。最后计算机读出计数器的数据流，并存储到内存中。

光强的归一化相关计算公式，如式(1)所示

$g_2(i,\mathrm{\&tau;})=\frac{<n\left(i\right)\&CenterDot;n(i+\mathrm{\&tau;})>}{<n\left(i\right)>\&CenterDot;<n(i+\mathrm{\&tau;})>}$

其中n(i)表示第i·△t时刻的光子数，n(i+τ)表示(i+τ)·△t时刻的光子数。<>表示时间平均。相关运算的总体流程如图4所示。每次相关运算取K个光子数作为一个数组进行相关运算，因此平均时间为K·△t，即测量生物组织血流量的时间分辨率为K·△t，延迟时间可以是从△t到(K-1)·△t中的一个或者几个。当处理完第一组包含K个光子数的数组后，然后对第二组包含K个光子数的数组进行相同的处理，以此类推，完成整个光子数据流的处理。

光强在单个时间点的归一化相关计算如图5所示。计算包括1)提取K个累计光子数作为一个数组，血流量测量的时间分辨率是K·△t；2)由于计数器输出的光子数为累计光子数，通过差分运算，获得单位时间内的光子数；3)通过删除数组中前η个光子数以及最后η个光子数，即实现η·△t的延迟时间；4)对两个数组进行图5所示的运算，即实现延迟时间为η·△t的光强归一化运算；5)改变删除的光子数个数，即改变η，就可以实现不同延迟时间光强归一化相关测量。

当只采用一个延迟时间时，可以采用文献给出的进行血流量的计算；当有多个延迟时间时，可以采用理论拟合的方法获得血流量。

在近红外扩散相关谱仪中，激光器采用长相干激光器，相干长度大于5m为宜；由于多模光纤和激光器的耦合比单模光纤更为容易，因此发射光线多采用多模光纤；发射探头可以是多模光纤本身或者采用自聚焦透镜等；接收探头采用单模光纤或者自聚焦透镜；这里需要指出，接收光纤不能采用多模光纤，只能采用单模光纤或者少数模光纤；由于近红外扩散相关谱仪进行生物组织实验的探测光强极其微弱，因此光电探测器要具有单光子探测能力，例如Excelitas公司的SPCM-AQRH-13等；采样时钟和计数器通常包含在商用的数据采集卡(DAQ)中，例如NIPCIe-6612，因此可以利用数据采集卡实现采样时钟和光子数的时间采样；最后利用计算机实现光强的归一化计算。

由于NIPCIe-6612具有8个计数器，可以采用1个计数器实现采样时钟的功能，另外7个计数器进行光子数采样，因此利用NIPCIe-6612可以实现7通道的近红外扩散相关光谱仪。

具体的相关计算可以采用多种软件实现，其中Labview是常用的一种。Labview软件一方面控制NIPCIe-6612的光子数采样，另外一方面控制计算机实现光强的归一化运算。NIPCIe-6612采用peripheral–componentinterconnect(PCI)bus和计算机进行数据传输，传输速率可达2MHz。对于生物组织的血流量测量，设置为1MHz是可行的。10ms的时间分辨率对于大多数血流量变化过程的测量都是足够的，因此时间分辨率可以设置为10ms。延迟时间的最小值为采样时钟的采样率，最大值应小于血流量测量的时间分辨率，即从1μs到10ms。对于生物组织中血流量测量，1μs到10ms的延迟时间是足够的。延迟时间可以设置为[[0:1:15][16:2:30][32:4:60][64:8:120][128:16:240]]μs，共计48个延迟时间，这样采用逐步加倍延迟时间增加量的设置方法是为了尽可能的扩大延迟时间的覆盖范围，同时不会降低理论拟合的精度。延迟时间也可以采用其他优化方法。

这里，需要指出时间分辨率影响血流量的信噪比，在满足血流量测量要求时，宜选择较大值为宜。最后，延迟时间数量以及通道的数量越多，对于计算机计算性能和内存要求越高，因此宜选用高性能大内存的计算机。

图6给出了本专利中近红外扩撒相关谱仪和采用商用相关器的近红外扩散相关谱仪测量小臂肌肉中血流量的使用实例。其中，采用商用相关器的近红外相关谱仪时间分辨率设置为1s，这里需要指出，由于商用相关器的软件驱动或者编程问题，实际的时间分辨率只达到2s。本专利中近红外扩散相关谱仪的采样时钟设置为500kHz，时间分辨率设置为0.1s，延迟时间为[[0:2:30][32:4:60][64:8:120][128:16:240]]μs，共40个延迟时间。可以看出本专利中近红外扩散相关谱仪的相关曲线的波动更大。

图7给出了利用理论拟合获得的血流量指数，从图中可以清楚的看出本专利获得了明显的心跳信号导致的血流量变化，而采用商用相关器的近红外扩散相关谱仪由于时间分辨率低，无法获得心跳信号。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (8)

1.一种快速测量生物组织血流量的近红外扩散相关谱仪，其特征在于包括：

一个激光器，通过发射光纤与发射探头相连，

光电探测器，通过接收光纤连接到接收探头上，

光电探测器的输出通过电缆连接到相关器上，

所述相关器包括采样时钟，计数器和计算机；

所述发射探头和接收探头接触到生物组织，光电探测器探测到生物组织中断续的随机光子流，并把断续的随机光子流转换为随机的电脉冲流，计数器对单位时间内的光子总数进行采样，光子总数即为单位时间内的光强，并进行光强的归一化相关计算获得光强归一化相关测量，并通过计算获得血流量。

2.根据权利要求1所述的一种快速测量生物组织血流量的近红外扩散相关谱仪，其特征在于包括若干个光电探测，每一个光电探测器通过一个计数器连接到计算机。

3.根据权利要求2所述的一种快速测量生物组织血流量的近红外扩散相关谱仪，其特征在于所述若干个光电探测器共用一个采用时钟。

4.根据权利要求1所述的一种快速测量生物组织血流量的近红外扩散相关谱仪，其特征在于所述光强的归一化相关计算公式为：

$g_2(i,\mathrm{\&tau;})=\frac{<n\left(i\right)\&CenterDot;n\left(i+\mathrm{\&tau;}\right)>}{<n\left(i\right)>\&CenterDot;<n\left(i+\mathrm{\&tau;}\right)>}$

其中：n(i)表示第i·△t时刻的光子数，n(i+τ)表示(i+τ)·△t时刻的光子数，<>表示时间平均。

5.根据权利要求4所述的一种快速测量生物组织血流量的近红外扩散相关谱仪，其特征在于每次相关运算取K个光子数作为一个数组进行相关运算，平均时间为K·△t，即测量生物组织血流量的时间分辨率为K·△t。

6.根据权利要求5所述的一种快速测量生物组织血流量的近红外扩散相关谱仪，其特征在于从△t到(K-1)·△t中的时间过程中选取一个或者几个延迟时间。

7.根据权利要求4～6所述的任一一种快速测量生物组织血流量的近红外扩散相关谱仪，其特征在于光强在单个时间点的归一化相关计算步骤为：

提取K个累计光子数作为一个数组，血流量测量的时间分辨率是K·△t，

由于计数器输出的光子数为累计光子数，通过差分运算，获得单位时间内的光子数，

通过删除数组中前η个光子数以及最后η个光子数，即实现η·△t的延迟时间，

对两个数组进行运算，实现延迟时间为η·△t的光强归一化运算，

改变删除的光子数个数，即改变η，就可以实现不同延迟时间光强归一化相关测量。

8.根据权利要求7所述的一种快速测量生物组织血流量的近红外扩散相关谱仪，其特征在于所述两个数组的计算公式如下：

$g_2(\mathrm{\&tau;}=\mathrm{\&eta;}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}t)=\frac{{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=\mathrm{\&eta;}+1}^{K-1}n\left(i\right)\&CenterDot;n(i-\mathrm{\&eta;})}{{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=\mathrm{\&eta;}+1}^{K-1}n\left(i\right)\&CenterDot;{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=\mathrm{\&eta;}+1}^{K-1}n(i-\mathrm{\&eta;})}\&CenterDot;(K-1-\mathrm{\&eta;})$

其中：η和K为自然数。