CN106073716B - 一种智能分频调制的多通道近红外光谱脑功能成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能分频调制的多通道近红外光谱脑功能成像方法，涉及医学成像技术领域。所述方法包括频率段划分、初始频率生成、分空间频率调制和其他波长光源频率调制的步骤，成像时，所有光源按照调制频率同时点亮，可以显著提高并行探测效率，并提高时间分辨率；本发明根据空间距离和通道连接等参数进行分空间频率调制，考虑了光子信号强度随探测距离的增加呈指数衰减的特点，降低了光源之间频谱泄露的干扰，可以提高信噪比；本发明提出的成像方法，由于进行分空间频率调制，实现了同时多个光源的频率并行调制，并且各个频率分量之间无泄露，在多通道fNIRS成像中有无可比拟的应用优势。

Description

一种智能分频调制的多通道近红外光谱脑功能成像方法

技术领域

本发明涉及医学成像技术领域，具体涉及一种智能分频调制的多通道近红外光谱脑功能成像方法。

背景技术

近年来，在脑功能成像方法中，近红外光谱(Functional near-infraredspectroscopy,fNIRS)已发展为脑功能研究和临床诊断中不可或缺的新一代成像模态。fNIRS利用波长在650-1000nm范围的近红外光谱，检测大脑代谢引起的光学吸收特性的改变，计算出该区域脱氧血红蛋白(HbR)、携氧血红蛋白(HbO₂)的浓度相对变化量。相较于其他脑功能成像方法，如脑电图、功能核磁共振成像等，fNIRS具有性价比高、时间分辨率高、空间分辨率适中、功能参数丰富、对运动不敏感等优势。

fNIRS成像系统中，在头部相应部位放置光源探头，并在距光源探头一定距离处放置探测器。光源发射的光(通常为双波长或三波长)经波分复用后，由光纤传输到达置于头部的光源探头，随后穿透头皮层、颅骨等入射到脑组织，在历经一系列吸收、散射后，仍会有一部分光子到达头皮层表面，这些光信号可以被探测器接收到，然后根据Beer-Lambert定律，计算出HbO₂、HbR的浓度相对变化量。光源探头放置处为光源入射点，但一个光源入射点处入射的光包含不同波长(通常为双波长或三波长)，因此一个光源入射点处实际有2个(双波长)或3个(三波长)重合的光源，为进行区分，称重合的多波长光源为光源组，而单波长光源即简称为光源，探测器放置处为探测点，相邻的光源和探测器可组成一个探测通道，从探测点检测的信息便可反映对应探测通道的信息。不同的光源探测器(source-detector)排布，可组成不同的探测通道。多个光源和多个探测器的排列，可以形成多通道系统，从而获得更多探测通道对应的大脑信号。

目前，多通道fNIRS成像系统中，等间距探头拓扑排布被广泛应用。在等间距拓扑结构的fNIRS成像中，主要有两种方式实现多通道光谱信号的检测。

第一种是分时方法，在每个特定时间只点亮一个光源，通过轮询实现信号探测。在多通道多光源的系统中，完成一次轮询需要顺序遍历所有的光源，所需的时间较长，系统的时间分辨率的提高受到限制。

第二种方法为频率并行调制，给不同探头(不同排布位置)的、不同波长的光源设定不同的调制频率(通常6-12KHz之间，方波调制)，所有光源同时点亮。由于同一时刻，探测器接收到的来自不同光源的光信号频率不相同，因而可以通过频谱提取(例如快速傅里叶变换或带通滤波器)把来自不同光源的信号区分开来，实现同时采集多个探测通道的信号。频率调制还可显著提高信噪比，大幅度降低来自电子电路固有的低频率1/f噪声以及环境光干扰。例如，美国Techon公司的CW6产品将32个光源在6.4到12.8KHz范围均匀分配了调制频率(激光调制频率的间隔是200Hz的整数倍)。然而，已有方法中，同时被调制的光源不宜过多，否则各个频率分量之间会有泄露，造成探测通道间的串扰。而对于可覆盖全脑的fNIRS成像系统，其光源数目较多，受限于噪声、数模转换器(AD)性能和成本等因素，同时频率调制时，不同光源间的频率间隔较小，频率泄露使得相邻探测通道之间存在串扰，降低信号采集的准确度和信噪比。

发明内容

针对上述不足，本发明提出了一种智能频率调制方案。注意到，光子信号强度随探测距离的增加呈指数衰减，大约探测距离每增加1厘米，信号强度就降低一个数量级。如果空间距离较远的光源同时以相同的频率点亮，由于空间距离较远，彼此之间的干扰可以忽略，因而可以分空间调制频率，实现并行探测信号。为进一步降低彼此间频谱泄露干扰，不同空间的调制频率略有差异，距离越近偏移越大。

本发明提供一种智能分频调制的多通道近红外光谱脑功能成像方法，主要包括如下步骤：

第一步，频率段划分。根据所采用光源波长个数(2个或3个)和频率范围，将频率范围均匀划分为与波长个数相等的频率段，使得一个波长对应一个频率段，并计算频率段之间的频率间隔；

第二步，初始频率生成。选择其中一个波长对应的频率段，根据光源入射点总个数，将该频率段范围内的频率均匀划分，作为初始频率；所选波长对应的光源的频率只能从生成的初始频率中选取；

第三步，分空间频率调制。在选中的波长中，依次遍历本波长所有光源，完成该波长下，所有光源的频率调制；

第四步，其他波长光源频率调制。对于相同光源入射点处其他波长的光源，由于第三步中已经调制其中一个波长下的光源频率，其他波长光源只需加上或减去第一步中计算的频率间隔即可得出其对应频率，从而完成所有光源的频率调制。

第五步，所有光源同时点亮，其发光频率为第四步计算出的调制频率，随后进行成像。

本发明的优点是：

(1)本发明提出的智能分频调制的多通道近红外光谱脑功能成像方法，根据空间距离和通道连接等参数进行分空间频率调制，考虑了光子信号强度随探测距离的增加呈指数衰减的特点，降低了光源之间频谱泄露的干扰，可以提高信噪比；

(2)本发明提出的成像方法中，所有波长下的所有光源同时点亮，可以显著提高并行探测效率，并提高时间分辨率；

(3)本发明提出的成像方法，由于进行分空间频率调制，实现了同时多个光源的频率并行调制，并且各个频率分量之间无泄露，在多通道fNIRS成像中有无可比拟的应用优势。

附图说明

图1.光源探测器排布图。

图2.干扰距离的定义和计算。

图3A.光子信号强度随距离的增加呈指数衰减曲线。

图3B.表示光源S_n对其他光源的干扰强度随干扰距离呈指数衰减曲线。

图4.确定光源频率。

图5.本发明提供的成像方法流程图。

图6.fNIRS成像系统硬件控制示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提出的智能分频调制的多通道近红外光谱脑功能成像方法做进一步的说明。

以调制频率范围在6-12KHz之间的三波长(例如785nm，808nm，850nm)fNIRS成像仪器为例，包含72个光源，每个光源入射点处有3个不同波长的光源重合，因此有24个可见光源分布在24个不同的光源入射点上，如图1所示，空心四边形为光源探测器，实心黑色圆代表光源入射点，光源入射点和光源探测器之间的连线代表探测通道。为方便叙述，选择785nm波长下的24个光源为例，将光源分别表示为S₁，S₂，……，S₂₄。

采用本发明提供的智能分频调制的多通道近红外光谱脑成像方法，如图5所示流程，具体实现步骤如下：

第一步，频率段划分。根据光源波长个数(2个或3个)和光源频率范围，将频率均匀划分为R个频率段，R与光源波长个数相等；使得一个波长对应一个频率段，并计算频率段之间的频率间隔。

本例的fNIRS成像系统调制频率在6-12KHz之间，且为三波长，则在6-12KHz将频率均匀划分为3个频率段：6-8KHz、8-10KHz、10-12KHz。使得785nm的光源的频率段对应为6-8KHz，808nm的光源的频率段对应为8-10KHz，850nm的光源的频率段对应为10-12KHz，频率段之间的频率间隔为2KHz。因此，在同一个光源入射点处，只需确定785nm光源的频率段，将频率偏移2KHz，得到808nm光源的频率段；偏移4KHz，可得到850nm光源的频率段。

第二步，在选定的频率段内，生成初始频率。选择光源中一个波长对应的频率段，根据光源入射点总个数，根据公式

计算得出频率间隔μ，其中ε为正数，N为选定频率段内光源总个数，F₂为选定频率段内的最大频率，F₁为选定频率段内的最小频率，并且N+ε的取值应使μ为整数，将该频率段范围内的频率均匀划分，作为初始频率，所选波长的其他光源的频率只能从生成的初始频率中选取。

本实施例选择785nm波长下的24个光源，将光源分别表示为S₁，S₂，……，S₂₄，如图1所示，其对应的频率段为6-8KHz，光源频率的初始间隔设置为，

其中，N为785nm光源总个数，这里N＝24，ε为正数，为使光源频率易于调节，N+ε的取值应使得μ为整数，这里取ε＝16，得μ＝0.05KHz。因此，6-8KHz的频率段内以μ为间隔生成40个不同的频率，如6KHz，6.05KHz，6.10KHz……,7.95KHz，这40个频率就是初始频率。所有785nm光源的频率只能从生成的40个初始频率中选取。

第三步，分空间频率调制，在选中的波长中，依次遍历本波长所有光源，完成该波长下，所有光源的频率调制，具体为：

计算光源S_n对其它光源的干扰距离。在选中的波长中，首先，对于第一个光源，根据空间距离、探测通道连接等参数，计算该光源与其他光源之间的最小偏移频率，由此可在初始频率中选择第一个光源的发光频率；然后根据该方法，获得第二个光源的发光频率；同样的，依次遍历本波长所有光源，完成该波长下，所有光源的频率调制。

本例中，分空间调制波长为785nm的所有光源，即光源S₁到光源S₂₄，按光源编号从小到大的顺序进行频率调制。现以光源S_n为例，为说明分空间调制频率的计算方法，本发明提出干扰距离的概念，如图2所示。在一个确定的光源探测器排布中，若某一频率段(以785nm波长下的频率段为例)中，光源总数为N，对于任意光源S_n，其中1≤n≤N，光源S_n对其他光源的干扰距离定义为：光源S_n对某一频率已经确定的光源S_i的信号干扰，表现为对光源S_i周围M(通常为四)个探测器检测到的信号的干扰，计算光源S_n与光源S_i周围M个光源探测器之间的距离，M个距离中的最小距离即为光源S_n对光源S_i的干扰距离，记为d_n(i)，干扰距离与空间距离和探测通道连接等有关，需要注意的是，若某一光源还未确定频率，则认为光源S_n对该光源没有干扰，干扰距离为无穷大。光源S_n对光源探测器排布中其他N-1个光源的干扰距离分别记为d_n(1)，d_n(2)，……，d_n(i)，……，d_n(N-1)。

易得，光源S_n对本例中其他23个光源的干扰距离分别为d_n(1)，d_n(2)，……，d_n(i)……，d_n(23)。然后根据干扰距离和最小频率偏移之间的关系:

Δf_n(i)＝-Blg(Ad_n(i))

其中，n＝1,2,……,N，i＝1,2,……,N-1。N为选定频率段下光源总个数，A和B是不为零的常量，d_n(i)表示光源S_n对光源S_i的干扰距离，Δf_n(i)表示光源S_n对光源S_i的最小频率偏移。

如图3A和3B所示，光子信号强度随距离的增加呈指数衰减，光源S_n对其他光源的干扰强度随干扰距离呈指数衰减，干扰距离越小，最小频率偏移越大。计算光源S_n对其他光源的最小频率偏移：Δf_n(1)，Δf_n(2)，……，Δf_n(i)，……Δf_n(23)。

如图4所示，在一个确定的光源探测器排布中，若光源(以785nm波长的光源为例)总数为N，发光频率分别为f₁，f₂，……，f_i，……，f_N，对于任意光源S_n，可根据干扰距离的定义分别计算出光源S_n对光源探测器排布中其他N-1个光源的最小频率偏移Δf_n(1)，Δf_n(2)，……，Δf_n(i)，……Δf_n(N-1).如在6-8kHz(785nm波长对应的频率段)的频率范围内，其频率分布如频率轴所示。由于光源S_n对光源S₁的最小频率偏移为Δf_n(1)，光源S₁的频率记为f₁，则在频率轴上可以形成以f₁为圆心，Δf_n(1)为半径的圆，当光源S_n取该圆外的频率时，对光源S₁的信号基本无干扰。因此，在确定光源S_n的频率时，可以在6-8KHz的频率轴上分别作其他23个以自身光源频率为圆心，Δf_n(1)，Δf_n(2)，……，Δf_n(i)，……Δf_n(23)为半径的圆。意味着所有圆以内的频率不可取，而这些圆之外的频率均符合条件，可选择符合条件的任一初始频率作为光源S_n的发光频率。圆之外的任一频率f_n均满足：

|f_n-f_i|≥Δf_n(i)

可在初始频率中为光源S_n寻找符合要求的发光频率。遍历该波长所有光源，完成光源频率的智能调制。

第四步，其他波长光源频率调制。在相同光源入射点处，785nm的光源频率已经根据第三步确定，将频率偏移2KHz得到808nm光源的频率，偏移4KHz得到850nm光源的频率，遍历所有光源入射点，从而完成所有光源的频率调制，使得距离越近的光源频率偏移越大，降低了彼此间频谱泄露干扰。

第五步，所有光源同时点亮，其发光频率为第四步计算出的调制频率，随后进行成像。

上述的智能频率调制方法依fNIRS成像系统实现。该fNIRS成像系统主要由以下部分组成：光源、探测器、信号滤波及A/D转换模块、底层信号处理模块、高速传输接口和计算机PC，如图6所示。光源可以采用激光二极管或LED(发光二极管)。探测器可以采用PMT(光电倍增管)、APD(雪崩二极管)或PD(光电二极管)等。探测器采集到的光源发出的信号经信号滤波及A/D转换模块转换后，使用底层信号处理模块进行底层信号处理，包括数据解调等，并使用高速传输接口进行数据传输。所述的高速传输接口可采用千兆网、USB3.0等。所述的底层信号处理模块采用FPGA(现场可编程门阵列)或DSP(数字信号处理技术)芯片。然后利用计算机PC或直接利用底层FPGA、底层DSP等底层信号处理模块对数据进行解调重建，从而得到有效的脑功能血流参数。用户的操作指令也可由计算机发送至高速传输接口，经FPGA、DSP芯片等底层信号处理后驱动光源，实现对光源的实时控制。

本发明提出的智能分频调制的多通道近红外光谱脑功能成像方法，根据空间距离和通道连接等参数进行分空间调制频率，考虑了光子信号强度随探测距离的增加呈指数衰减的特点，降低了光源之间频谱泄露的干扰，提高了系统的信噪比。系统中所有光源可以同时点亮，能显著提高并行探测效率，并提高系统的时间分辨率。由于进行分空间频率调制，实现了同时多个光源的频率并行调制，并且各个频率分量之间无泄露，在多通道fNIRS系统中有无可比拟的应用优势。

Claims (4)

1.一种智能分频调制的多通道近红外光谱脑功能成像方法，其特征在于：包括如下步骤，

第一步，频率段划分；

根据所采用光源入射点处的波长个数和频率范围，将频率范围均匀划分为与波长个数相等数量的频率段，使得一个波长对应一个频率段，并计算频率段之间的频率间隔；

第二步，初始频率生成；

选定其中一个波长对应的频率段，根据光源入射点总个数，将该频率段范围内的频率均匀划分，作为初始频率；所选波长对应的光源的频率只能从生成的初始频率中选取；

第三步，分空间频率调制；

在选中的波长中，依次遍历本波长下所有光源，为每一个光源选择发光频率，完成所有光源的频率调制；具体为：

计算光源S_n对其它光源的干扰距离，在选中的波长中，首先，对于第一个光源，根据空间距离、探测通道连接参数，计算该光源与其他光源之间的最小偏移频率，由此在初始频率中选择第一个光源的发光频率；然后根据该方法，获得第二个光源的发光频率；同样的，依次遍历本波长所有光源，完成该波长下，所有光源的频率调制；

第四步，其他波长光源频率调制；

对于相同光源入射点处其他波长的光源，由于第三步中已经调制其中一个波长下的光源频率，其他波长光源只需加上或减去第一步中计算的频率间隔即可得出其对应频率，从而完成所有光源的频率调制；

第五步，所有光源按照各自的调制频率同时点亮，进行成像。

2.根据权利要求1所述的一种智能分频调制的多通道近红外光谱脑功能成像方法，其特征在于：所述的最小偏移频率根据干扰距离得到，具体为，

Δf_n(i)＝-B lg(Ad_n(i))

其中，n＝1,2,……,N，i＝1,2,……,N-1；N为选定频率段下光源总个数，A和B是不为零的常量，d_n(i)表示光源S_n对光源S_i的干扰距离，Δf_n(i)表示光源S_n对光源S_i的最小频率偏移。

3.一种实现权利要求1所述的智能分频调制的多通道近红外光谱脑功能成像方法的fNIRS成像系统，其特征在于：fNIRS成像系统包括光源、探测器、信号滤波及A/D转换模块、底层信号处理模块、高速传输接口和计算机，探测器采集到的光源发出的信号经信号滤波及A/D转换模块转换后，使用底层信号处理模块进行底层信号处理，并使用高速传输接口进行数据传输给计算机；然后利用计算机或直接利用底层信号处理模块对数据进行解调重建，从而得到脑功能血流参数。

4.根据权利要求3所述的一种实现权利要求1所述的智能分频调制的多通道近红外光谱脑功能成像方法的fNIRS成像系统，其特征在于：光源采用激光二极管或发光二极管；探测器采用光电倍增管、雪崩二极管或光电二极管；所述的底层信号处理模块采用现场可编程门阵列FPGA或数字信号处理技术DSP芯片。