CN106955089B - 一种脑功能成像和脑组织成分检测的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脑功能成像和脑组织成分检测的方法及装置，方法包括：构建存储光量子状态与组织成分、组织热活动、组织生物电活动关系知识的知识库；调制产生纠缠态光量子对；分离纠缠态量子对，一个光量子发射到被检测脑组织，另一个光量子发射到光量子状态检测单元；光量子状态检测单元检测接收的光量子状态，按照时间序列记录检测的光量子状态和计数；利用知识库知识和检测得到的光量子状态信息计算得脑组织的成分、热活动、生物电活动数据，并将其转为成像数据；利用成像数据重建图像，并显示。本发明利用知识逼近方法有效的提高了测量数据的可靠度和准确度。

Description

一种脑功能成像和脑组织成分检测的方法及装置

技术领域

本发明涉及医学检测领域，具体涉及一种脑功能成像和脑组织成分检测的方法及装置。

背景技术

在医学检测领域医学成像是医疗工作者做出诊断的重要辅助工具，医学成像大致经历了结构成像、功能成像、分子成像三个阶段。解剖结构成像一般通过X-Ray、CT、MRI、USI获得，不能通过形态学观察的生理信息(如代谢信息)，则通过SPECT、PET、fMRI、fNIRS利用计算机重建技术(计算成像技术)成像得到。而计算成像技术是光学分子影像学的实现的基础，计算成像技术为了优化测量效率和最大化每个数据所携带的信息，光的空间调制和统计模型通常包含在计算成像和重构过程中。

不同生物组织对不同波段光谱的吸收和散射作用存在差异，不同目标物发射或透射出的光子数量不同，人们已经掌握了组织和分子细胞等吸收和散射的参数，这样通过检测目标物发射或透射出的一定数量的光子就能使得人们提取出对应的有效的生物学信息，这就是分子光学成像技术可视化结果赋予的科学含义。进一步发展起来的生物组织光子学为光学分子影像提供了即科学又实用的光在生物组织中传播的物理学模型。分子成像探测生物体内特定报告光子引发的反应生命特征的微弱电磁信号或机械信号，经过信号放大及医学图像处理与分析借助人机交互最终实现分子水平的生命过程的可视化，比如，生理信息通常不能被直接观察，但是通过包括X-Ray、CT、MRI数据重建解剖结构，生理信息包括热活动、生物电活动通过一种可以理解的方式展现出来，方便医护人员观察。光学分子成像技术已经得到广泛应用，如脑部血氧分布、神经细胞活性、肿瘤早期诊断、药物标靶确认，还用在基因测序和细胞学检测方面。

但是在实际应用中，并不是所有脑组织成分、脑功能活动与光量子的状态信息呈线性关系，如脑组织水分含量测定、淋巴细胞计数，这样就无法保证这些脑组织成分和脑功能活动信息的测量数据的可靠度和准确度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是在实际应用中，并不是所有脑组织成分、脑功能活动与光量子的状态信息呈线性关系，以至于无法保证这些脑组织成分和脑功能活动信息的测量数据的可靠度和准确度的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种功能成像和脑组织成分检测的装置，包括：

光量子调制单元，用于对光量子进行调制和编码；

纠缠态光量子制备单元，对调制所述光量子调制单元输出的光量子，产生一个或多个频率的纠缠态光量子对，并对光量子计数；

发射单元，将处于纠缠态量子对进行分离，并发射，其中一个光量子发射到被检测脑组织；

光量子状态检测单元，接收所述发射单元发射的另一个光量子，检测该光量子状态和计数，并以时间序列方式保存光量子的状态和计数；

知识库，建立和存储光量子状态与组织成分、组织热活动、组织生物电活动关系知识的数据结构；

知识库训练单元，打开所述知识库的训练接口，并利用所述光量子状态检测单元记录的以时间序列保存的光量子状态数据训练知识库；

计算单元，利用所述知识库的知识和所述光量子状态检测单元的状态信息计算得到相应的脑组织的成分、热活动、生物电活动状态数据，并进一步将数据转变为可以用于重建成像的成像数据；

成像单元，利用所述成像数据重建关于组织成分、组织热活动、生物电活动数据的图像，并显示。

在上述装置中，对光量子的频率和编码进行调制的调制方式包括频率步进方式和固定频率方式。

在上述装置中，一个光量子发射到被检测脑组织进入脑组织后受到包括反射、折射、散射、吸收、光化作用，该光量子的状态被组织连续改变；所述光量子状态检测单元检测另一个光量子的状态，从而获取进入脑组织被脑组织连续改变、被脑组织吸收或者与发射到所述光量子状态检测单元的光量子消相干的光量子状态信息。

在上述装置中，所述知识库的所述知识的数据架构通过包括但不限于神经网络或者支持向量机方式组织构建。

本发明还提供了一种脑功能成像和脑组织成分检测的方法，包括以下步骤：

步骤S10、建立知识库，构建和存储光量子状态与组织成分、组织热活动、组织生物电活动关系知识；

步骤S20、对光量子进行调制，产生一个或多个频率的纠缠态光量子对，并对光量子计数；

步骤S30、将处于纠缠态量子对进行分离，并发射一个光量子发射到被检测脑组织，另一个光量子发射到光量子状态检测单元；

步骤S40、光量子状态检测单元检测接收的另一个光量子状态，按照时间序列记录检测的光量子状态和计数，并利用保存的光量子状态数据训练知识库；

步骤S50、利用知识库的知识和以时间序列方式保存的光量子状态信息计算得到相应的脑组织的成分、热活动、生物电活动状态数据，并将数据转变为成像数据；

步骤S60、利用成像数据重建组织成分、组织热活动、生物电活动的医学图像，并显示。

本发明引入基于知识判断组织成分的非线性分析计算方法，通过机器学习算法如神经网络、支持向量机方法逼近准确值，基于知识的逼近方法优势在于即使不存在直接作用的因素之间也存在相关性，训练样本集合越大，本发明分析能力越来越强大准确，有效的提高了测量数据的可靠度和准确度。

附图说明

图1为本发明提供的一种脑功能成像和脑组织成分检测的装置结构框图；

图2为本发明提供的一种脑功能成像和脑组织成分检测的方法的流程图。

具体实施方式

本发明采用多波长纠缠态光量子作为探测光源，检测脑组织的成分和脑组织的热活动、生物电活动。量子纠缠是粒子在由两个或两个以上粒子组成系统中相互影响的现象，它描述了两个或两个以上粒子互相纠缠，即使相距遥远距离，一个粒子的行为将会影响另一个粒子的状态，如当其中一个被操作状态发生变化，另一个也会即刻发生相应的状态变化。量子纠缠的特性可以被用于信息传递，而时间相关单光子计数技术(Time-CorrelatedSingle Photon Counting Techn.TCSPC)和时间序列(Time series)记录技术的应用为连续观测和记录光量子状态提供了可能。

与非纠缠态的光子成像即传统的光学成像相比，纠缠态光量子成像有以下技术特点：

(1)采用多波长纠缠态光量子作为探测光源；

(2)通过间接计算吸收波谱、散射波谱获取组织成分信息和生理信息；

(3)光量子发射到组织内，经过组织成分的反射、折射、散射、吸收和光化作用，改变光量子的状态，捕获该光量子或者检查与该光量子纠缠的光量子的状态，得到组织内部的数据，进一步分析计算重建成像；与传统成像基于生物组织对光量子的吸收不同，本发明基于对光量子状态的统计，通过记录光量子的多个状态，最终展现组织成分信息和组织热活动信息，跟光量子本身无关，仅光量子充当了信使；

(4)光学成像是光场的一阶关联信息在平面的投影，双光量子成像是光场的二阶关联信息在平面的投影,光学成像和双光量子反应的图形几何关系保持不变；本发明是分析计算被检测量子的状态信息得到组织的成分数据、热活动、生物电活动数据，根据计算得到的数据计算机重建成像；记录状态的数据没有空间结构信息，重建成像时图形的空间几何关系需要通过计算得到；

(5)传统光学成像由光场强度进行描述和可以使用胶片或数字化记录，可以直接观察；本发明由光量子状态构成的时间序列描述必须使用计算机重建图像才能被观察和理解；

(6)目前常用的CT、MRI、PET等医学影像设备产生二维断层图像，利用一些列二维切片图像重建三维图像模型，进行定量分析，本发明不产生二维断层图像，不能获取生物组及解剖结构，图像重建依赖于包括CT、MRI建立起来的数字人模型，生理活动信息(如脑功能活动信息)以可以观察并理解的方式在数字人模型上重建。

综上所述，本发明实现多波段光谱探测分子特征波谱，间接计算脑组织分子的吸收谱、散射谱分析脑组织成分和分析记录脑活动，实现功能成像、成分成像；同时，本发明还基于知识判断组织成分的非线性分析计算方法，结合机器学习算法(包括但不限于神经网络、支持向量机方法)逼近，对数据进行训练，提高测量的可靠度和准确度更高，随着训练样本集合不断变大测量越来越强大准确，且这种基于知识的逼近方法优势在于即使不存在直接作用的因素之间也能建议相关性。

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明做出详细的说明。

如图1所示，本发明提供的一种脑功能成像和脑组织成分检测的装置，用于脑组织成分分析和组织功能分析，包括光量子调制单元、纠缠态光量子制备单元、发射单元、光量子状态检测单元、知识库训练单元、知识库管理单元、计算单元和成像单元。其中，

光量子调制单元，用于对光量子进行调制和编码，调制方式包括频率步进方式和固定频率方式。

纠缠态光量子制备单元，对光量子调制单元输出的光量子进行处理，产生一个或者多个频率的纠缠态光量子对A(a1，a2)，并对光量子计数，由于光量子纠缠并不是百分百纠缠，而概率事件，通过对光量子计数可以实现进行概率统计，从而统计相干概率，或者叫纠缠概率。

发射单元，将处于纠缠态量子对A进行分离，一个光量子a1发射到被检测脑组织，另一个光量子a2发射到光量子状态检测单元。

光量子状态检测单元，检测接收的光量子a2状态和计数，并记录光量子状态和计数，记录的光量子的状态和计数以时间序列方式保存。

在本发明中，光量子a1进入脑组织后受到包括反射、折射、散射、吸收、光化作用，光量子a1的状态被组织连续改变或被脑组织吸收或消相干，光量子状态检测单元检测光量子a2状态获取a1状态信息，a1的状态存在时间相关性，以时间序列的方式记录a1的状态(a1)。

在光量子a2与光量子a1处于纠缠状态时，观测光量子a2状态(a2)可以得到光量子a1的状态信息(a1)，即一个光量子状态改变，另一个状态也随之改变，当光量子a2与光量子a1消相干，成为非纠缠态光量子后，一个光量子状态改变，另一个状态不再随之改变。

知识库，建立和存储光量子状态与组织成分、组织热活动、组织生物电活动关系知识的数据结构，该知识的数据架构通过神经网络或者支持向量机等在内的机器学习引擎训练知识模型方式组织构建；如用近红外吸收波谱分析血氧浓度关系的知识。

知识库训练单元，打开知识库的训练接口，并利用光量子状态检测单元记录的以时间序列保存的光量子状态数据(a2)训练知识库；知识库训练单元是知识库的训练引擎，是与构建知识库的数学模型相匹配的机器学习模型。

计算单元，利用知识库的知识和光量子状态检测单元的状态信息(a2)计算得到相应的脑组织的成分、热活动、生物电活动状态数据，并进一步将数据转变为可以用于重建成像的成像数据。在本发明中，光量子的状态信息(a2)与脑组织的组成成分、热活动、生物电活动状态不是线性关系，而是通过基于经验计算法的知识库建立起的相关性进行的计算，所以通过不断训练，经验计算方法会随着机器学习和训练样本量增加，这样计算结果也会越来越准确，从而满足一般疾病定性诊断和一般精细粒度定量诊断的要求，如脑组织水分含量测定、淋巴细胞计数。

成像单元，利用成像数据重建医学图像，实现组织成分、组织热活动、生物电活动数据通过可理解的方式展现给医护人员。

本发明引入基于知识判断组织成分的非线性分析计算方法，通过机器学习算法(包括但不限于如神经网络、支持向量机方法)逼近准确值，基于知识的逼近方法优势在于即使不存在直接作用的因素之间也存在相关性，训练样本集合越大，本发明分析能力越来越强大准确，有效的提高了测量数据的可靠度和准确度。

如图2所示，本发明提供的一种脑功能成像和脑组织成分检测的方法，包括以下步骤：

步骤S10、建立知识库，建立和存储光量子状态与组织成分、组织热活动、组织生物电活动关系知识。

步骤S20、对光量子进行调制，产生一个或者多个频率的纠缠态光量子对、光量子脉冲，并对光量子计数。

步骤S30、将处于纠缠态量子对和光量子脉冲进行分离，一个光量子a1发射到被检测脑组织，另一个光量子发射到光量子状态检测单元。

步骤S40、光量子状态检测单元检测接收的另一个光量子状态，按照时间序列记录检测的光量子状态和计数，并利用保存的光量子状态数据训练知识库。

步骤S50、利用知识库的知识和光量子状态检测单元的状态信息计算得到相应的脑组织的成分、热活动、生物电活动状态数据，并进一步将数据转变为可以用于重建成像的成像数据。

步骤S60、利用成像数据重建医学图像，实现组织成分、组织热活动、生物电活动数据通过可理解的方式展现给医护人员，例如计算机重建虚拟人，在虚拟人基础上重建组织的成分、组织热活动、生物神经电活动图像。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种脑功能成像和脑组织成分检测的装置，其特征在于，包括：

光量子调制单元，用于对光量子进行调制和编码；

纠缠态光量子制备单元，对调制所述光量子调制单元输出的光量子，产生一个或多个频率的纠缠态光量子对，并对光量子计数；

发射单元，将处于纠缠态量子对进行分离，并发射，其中一个光量子发射到被检测脑组织；

光量子状态检测单元，接收所述发射单元发射的纠缠态量子对的另一个光量子，检测该光量子状态和计数，并以时间序列方式保存光量子的状态和计数，不对发射到被检测脑组织的光量子进行检测；

知识库，建立和存储光量子状态与组织成分、组织热活动、组织生物电活动关系知识的数据结构，其数据架构通过神经网络或者支持向量机的机器学习引擎训练知识模型方式组织构建；

知识库训练单元，打开所述知识库的训练接口，并利用所述光量子状态检测单元记录的以时间序列保存的光量子状态数据训练知识库；

计算单元，利用所述知识库的知识和所述光量子状态检测单元的状态信息计算得到相应的脑组织的成分、热活动、生物电活动状态数据，并进一步将数据转变为可以用于重建成像的成像数据；

成像单元，利用所述成像数据重建关于组织成分、组织热活动、生物电活动数据的图像，并显示。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，对光量子的频率和编码进行调制的调制方式包括频率步进方式和固定频率方式。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，一个光量子发射到被检测脑组织进入脑组织后受到包括反射、折射、散射、吸收、光化作用，该光量子的状态被组织连续改变；所述光量子状态检测单元检测另一个光量子的状态，从而获取进入脑组织被脑组织连续改变、被脑组织吸收或者与发射到所述光量子状态检测单元的光量子消相干的光量子状态信息。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述知识库的所述知识的数据架构通过包括但不限于神经网络或者支持向量机方式组织构建。

5.一种脑功能成像和脑组织成分检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S10、建立知识库，构建和存储光量子状态与组织成分、组织热活动、组织生物电活动关系知识，该知识库的数据架构通过神经网络或者支持向量机的机器学习引擎训练知识模型方式组织构建；

步骤S20、对光量子进行调制，产生一个或多个频率的纠缠态光量子对，并对光量子计数；

步骤S30、将处于纠缠态量子对进行分离，并发射一个光量子发射到被检测脑组织，另一个光量子发射到光量子状态检测单元；

步骤S40、光量子状态检测单元检测接收的纠缠态量子对的另一个光量子状态，按照时间序列记录检测的光量子状态和计数，并利用保存的光量子状态数据训练知识库，不对纠缠态量子对中发射到被检测脑组织的光量子进行检测；

步骤S50、利用知识库的知识和以时间序列方式保存的光量子状态信息计算得到相应的脑组织的成分、热活动、生物电活动状态数据，并将数据转变为成像数据；

步骤S60、利用成像数据重建组织成分、组织热活动、生物电活动的医学图像，并显示。