CN111743515A - 一种用于人脑功能测量的八通道漫射相关谱系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于人脑功能测量的八通道漫射相关谱系统，包括第一近红外激光器、第二近红外激光器、第一光纤准直器、第二光纤准直器、第一四维光学调整架、第二四维光学调整架、第一固定头套、第二固定头套、第一光子探测器、第二光子探测器、数字相关器以及控制系统；所述第一光纤准直器安装在第一四维光学调整架上，所述第一近红外激光器与第一光纤准直器连接，所述第一光纤准直器通过一根多模光纤与第一固定头套连接，所述第一固定头套上设有四个弹性探测光纤接头的放置区域，实验时所述第一固定头套上放置的四个弹性探测光纤接头通过四根单模光纤连接到第一光子探测器的输入通道；通过本发明的系统可以同时测量左右半球的脑血流参数。

Description

一种用于人脑功能测量的八通道漫射相关谱系统

技术领域

本发明属于光学脑功能成像的技术领域，具体涉及一种用于人脑功能测量的八通道漫射相关谱系统。

背景技术

目前，光学脑功能成像技术被广泛地应用于人脑功能研究领域，包括正常的脑功能以及异常的脑功能，如缺血性脑卒中、自闭症患儿的诊断、早产儿及神经重症患者的临床监测等医学领域，具有安全无创、动态测量、对运动不敏感、时间分辨率高、操作方便、价格便宜等优点。市场上广泛使用的是基于测量脑血氧的功能近红外光谱成像技术(functional near-infrared spectroscopy，fNIRS)，该技术采用多个波长的近红外光照射人脑头皮，光透过头皮头骨进入皮层，经组织吸收散射后，一部分光返回头皮，通过测量头皮出射光的光强度变化来获取与脑皮层神经活动密切相关的脑血氧代谢水平变化，如含氧血红蛋白(oxygenated hemoglobin，HbO2)和去氧血红蛋自(deoxygenated hemoglobin，Hb)的浓度变化。但是血氧参数仅是描述人脑皮层组织氧含量的一个指标，如果结合脑血流信息则能更全面地反映大脑功能神经活动的特征。

随着光学技术的快速发展，使用漫射相关谱技术(diffuse correlationspectroscopy，DCS)进行脑血流测量成为研究热点。DCS系统主要由发射长相干光的激光器、光子探测器、数字相关器以及数据采集软件组成，系统的体积小、方便移动，因此应用场合广泛；其中，激光器发出的单个波长相干近红外光照射到人脑头皮，进入人脑的光子经过运动粒子(主要是红细胞)的散射在同侧头皮表面处相遇，发生干涉，形成快速明暗波动的斑点。光子探测器收集从斑点出射的光子并转换成TTL(transistor-transistor logic)脉冲信号，数字相关器接收脉冲信号并计算归一化光强度自相关函数g₂(τ)，数据采集软件接收g₂(τ)并对g₂(τ)进行近似指数衰减函数的拟合获得g₂(τ)的衰减速率R，R越大表示组织中运动粒子的速度越快，从而获得脑血流参数变化的动力学信息。

fNIRS只能测量脑血氧(如HbO2和Hb)代谢水平的变化，不能获得动态的脑血流的变化，而脑血流是反映人脑皮层活动的一个重要参量，增加对脑血流的测量，可以更全面地了解人脑功能的神经活动。目前DCS的使用多停留在实验室阶段，且是单个皮层位置处的测量，缺乏实用的、可以对双侧多个皮层位置处脑血流测量的系统。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供了一种用于人脑功能测量的八通道漫射相关谱系统，可同时测量左右半球脑血流参数。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供的一种用于人脑功能测量的八通道漫射相关谱系统，包括第一近红外激光器、第二近红外激光器、第一光纤准直器、第二光纤准直器、第一四维光学调整架、第二四维光学调整架、第一固定头套、第二固定头套、第一光子探测器、第二光子探测器、数字相关器以及控制系统；所述第一光纤准直器安装在第一四维光学调整架上，所述第一近红外激光器与第一光纤准直器连接，所述第一光纤准直器通过多模光纤与第一固定头套连接，所述第一固定头套上设有四个弹性探测光纤接头的放置区域，实验时所述第一固定头套上放置的四个弹性探测光纤接头通过四根单模光纤连接到第一光子探测器的输入通道；所述第二光纤准直器安装在第二四维光学调整架上，所述第二近红外激光器与第二光纤准直器连接，所述第二光纤准直器通过多模光纤与第二固定头套连接，所述第二固定头套上设有四个弹性探测光纤接头的放置区域，实验时所述第二固定头套上放置的四个弹性探测光纤接头通过四根单模光纤连接到第二光子探测器的输入通道；所述第一光子探测器和第二光子探测器与数字相关器连接，所述数字相关器与控制系统连接。

作为优选的技术方案，所述第一光子探测器通过四根BNC连接线连接到数字相关器，所述第二光子探测器通过四根BNC连接线连接到数字相关器。

作为优选的技术方案，所述数字相关器通过USB打印线连接到控制系统。

作为优选的技术方案，所述第一近红外激光器、第二近红外激光器、第一四维光学调整架、第二四维光学调整架均固定在亚克力板上。

作为优选的技术方案，所述第一近红外激光器、第二近红外激光器用于发射长相干近红外光，即相干长度大于5m，波长为785nm，激光功率145mW。

作为优选的技术方案，所述单模光纤的输出端采用FC/APC接头且插芯的端面倾斜角为8度；单模光纤的输入端采用弹性探测光线接头且仍然采用8度端面倾斜角的插芯，其中带尾柄的插芯与套管连接在一起固定单模光纤，外筒与内筒粘合在一起给套管提供支撑并通过韧性强的弹簧给套管一个沿轴向的力，设计出来的弹性探测光纤接头具有一个可伸缩的弹性插芯。

作为优选的技术方案，所述光子探测器包括单光子计数模块、电源转换板以及开关电源，所述电源转换板的作用是将开关电源提供的稳定直流电压转换成三种不同的直流电压并将这三种直流电压供给单光子计数模块工作时使用；所述单光子计数模块是一个四通道单光子计数卡，每个通道使用一个独特的硅雪崩光电二极管，有一个180μm的圆形有效区域，能够探测400nm至1060nm波长范围内的光子且每个通道彼此独立。

作为优选的技术方案，所述数字相关器执行以下五个基本步骤：

(1)采样：以t₀＝200ns为采样间隔记录光子探测器发送的TTL脉冲信号并保存为光强度时间序列n(t_i)；

(2)移位：将光强度时间序列n(t_i)移位后得到光强度时间序列n(t_i+τ)，其中τ＝kt₀，k为正整数；

(3)相乘：将光强度时间序列n(t_i)与n(t_i+τ)两两相乘并得到参与计算的光子序列长度L；

(4)相加求和：将两个光强度时间序列两两相乘的结果相加求和并除以光子序列长度L，得到非归一化光强度自相关函数G₂(τ)；

(5)除以<I(0)>²：计算平均光强度<I(0)>并将第(4)步得到的非归一化光强度自相关函数G₂(τ)除以平均光强度的平方<I(0)>²得到归一化的光强度自相关函数g₂(τ)。

作为优选的技术方案，所述控制系统使用LabVIEW程序开发环境设计了一种虚拟仪器VI；设置的基本参数包括：

积分时间，计算归一化光强度自相关函数曲线g₂(τ)所需的光子计数时间，由用户自行设置，设置范围为105ms～3436s；

积分次数，多次计算g₂(τ)的次数，在选择保存数据的情况下，积分次数与积分时间的乘积为所有保存数据的实验记录时间；

保存路径，将光强度时间序列n(t_i)、归一化光强度自相关函数曲线g₂(τ)及其衰减速率R保存在指定文件路径下。

作为优选的技术方案，该系统使用时包括下述步骤：

第一近红外激光器和第二近红外激光器发射的近红外光通过固定在第一四维光学调整架和第二四维光学调整架上的光纤准直器耦合进两根多模光纤上，两根多模光纤传输近红外光并分别照射到左右半球脑头皮表面；

在左右脑半球各使用四根单模光纤收集与照射点同侧距离为2.7cm位置处的出射光子并将光子传输给两个四通道的第一光子探测器和第二光子探测器，第一光子探测器和第二光子探测器将收集到的单个光子转换成一个TTL脉冲信号，然后将脉冲信号通过八根BNC连接线输入到一个八通道数字相关器，该数字相关器同时独立计算八个通道的归一化光强度自相关函数曲线g₂(τ)与光强度时间序列n(t_i)。

通过一根USB信号线将数字相关器计算的g₂(τ)以及n(t_i)传输给控制系统，控制系统对g₂(τ)进行近似指数衰减函数拟合得到指数衰减速率R，保存并实时显示g₂(τ)、R以及n(t_i)，其中R的大小反映血液流动的快慢。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、耦合功率可调：本发明采用了四维光学调整架，因此耦合出射功率可调(耦合效率0～83％)并稳定工作，可根据实验需要调整到合适的功率(注：现有的fNIRS采用固定出射功率的激光器)。

2、测量位置及源-探测器光纤距离可自定制：固定头套使用3D打印机实现，容易根据实验需要重新自制不同测量脑区位置与源-探测器光纤距离的固定头套(注：现有fNIRS的头套都是特殊结构的，其测量位置与源-探测器光纤距离的改动都需要与厂家联系另行定制)。

3、灵活的积分时间参数设置：本发明中积分时间是计算g₂(τ)所需的光子计数时间，由用户根据实验条件自行设置，设置范围为105ms～3436s，积分时间越长，信噪比越高，但是测量的时间分辨率越低。通过设置一个可调范围，供用户根据实际的测量做相应调整。

4、VI工作界面显示n(t_i)、g₂(τ)与其衰减速率R，可直观了解血液流动的快慢，实现对脑皮层血流的实时监测。

附图说明

图1是本发明用于人脑功能测量的八通道漫射相关谱系统的结构示意图。

图2是本发明采用的SPCM的光子探测效率示意图。

附图标号说明：1-1、第一近红外激光器；1-2、第二近红外激光器；2-1、第一光纤准直器；2-2、第二光纤准直器；3-1、第一四维光学调整架；3-2、第二四维光学调整架；4、多模光纤；5-1、第一固定头套；5-2、第二固定头套；6-弹性探测光纤接头；7、单模光纤；8-1、第一光子探测器；8-2、第二光子探测器；9、BNC连接线；10、数字相关器；11、USB打印线；12、控制系统。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1所示，本实施例提供了一种用于人脑功能测量的八通道漫射相关谱系统，包括第一近红外激光器1-1、第二近红外激光器1-2、第一光纤准直器2-1、第二光纤准直器2-2、第一四维光学调整架3-1、第二四维光学调整架3-2、第一固定头套5-1、第二固定头套5-2、第一光子探测器8-1、第二光子探测器8～2、数字相关器10以及控制系统12；所述第一光纤准直器安装在第一四维光学调整架上，所述第一近红外激光器与第一光纤准直器连接，所述第一光纤准直器通过多模光纤4与第一固定头套连接，所述第一固定头套上设有四个弹性探测光纤接头6的放置区域，实验时所述第一固定头套上放置的四个弹性探测光纤接头通过四根单模光纤7连接到第一光子探测器的输入通道；所述第二光纤准直器安装在第二四维光学调整架上，所述第二近红外激光器与第二光纤准直器连接，所述第二光纤准直器通过多模光纤4与第二固定头套连接，所述第二固定头套上设有四个弹性探测光纤接头6的放置区域，实验时所述第二固定头套上放置的四个弹性探测光纤接头通过四根单模光纤7连接到第二光子探测器的输入通道；所述第一光子探测器和第二光子探测器与数字相关器连接，所述数字相关器与控制系统连接。所述第一光子探测器8-1通过四根BNC连接线9连接到数字相关器10，所述第二光子探测器8-2通过四根BNC连接线9连接到数字相关器10；所述数字相关器10通过USB打印线11连接到控制系统12。

进一步的，考虑到在实验中的使用条件，本实施例对第一近红外激光器和第二近红外激光器的选择需要满足以下几点：

激光器的波长处于生物组织光学窗口(650-950nm)范围内；

激光器的出射激光经过耦合光纤的出射功率要足够大，保证有足够量的光子从组织表面逸出，提高信噪比；

激光器的相干长度必须远大于组织中的平均光子路径长度(约1m)；

激光器在长时间工作的条件下，仍能保持高度稳定。理想情况下，激光器在24小时内的振荡幅度必须小于1％。

因此，为了满足上述各点要求，本实施例选择了波长785nm，激光功率145mW，相干长度大于5m的连续波长激光器(DL785-150-SO，CrystaLaser.com))。由于该激光器没有自带耦合的出射光纤，设计搭建了一种耦合效率可调的四维光学耦合架。该耦合架采用光纤准直器将激光器的出射激光耦合进多模光纤(数值孔径numerical aperture，NA＝0.22，纤芯直径为50μm)，通过适当调整耦合架可以将多模光纤的出射功率稳定在最高120mW，且该激光器含有内置光隔离器，使得来自组织和光纤耦合的背向反射光不会干扰谐振腔的工作模式。

进一步的，本实施例的八通道漫射相关谱系统使用两根发射近红外激光的多模光纤与八根收集光子的单模光纤(NA＝0.14，纤芯直径为4.2μm)。为实现该系统对大脑两侧的同时测量，将这些光纤分为两组，每一组包含一根多模光纤与四根单模光纤(用于一个脑半球的测量)，其中单模光纤输出端采用FC/APC接头且插芯的端面倾斜角为8度，输入端采用弹性探测光纤接头且仍然采用8度端面倾斜角的插芯。在实验测量中，多模光纤的出射激光功率较大，如果将多模光纤的插芯与头皮表面直接接触会因为出射激光的照射面太小(功率密度过高)而烫伤头皮组织。故在实验中，多模光纤的插芯不与头皮直接接触而是距离头皮表面大约5mm左右，这个距离能够确保多模光纤的出射激光都能照射到头皮且其接受照射的功率密度低于安全极限4毫瓦/平方毫米。

经过组织内漫射传播的出射光在离开组织时强度很低，故在实验中，单模光纤的插芯要与头皮表面直接接触从而更好地收集出射光子。同时为尽可能地减小被试头部移动对单模光纤收集光子造成干扰，对每根单模光纤输入端的探测接头进行改动，使用SolidWorks 3D软件设计零部件模型并通过3D打印机(Ender-1，创想三维)打印实现了一种能够与头皮表面保持良好接触的弹性探测光纤接头。弹性探测光纤接头采用8度端面倾斜角的插芯，其中带尾柄的插芯与套管连接在一起固定单模光纤，外筒与内筒粘合在一起给套管提供支撑并通过韧性强的弹簧给套管一个沿轴向的力，因此设计出来的弹性探测光纤接头具有一个可伸缩的弹性插芯，这也减轻了被试在长时间连续测量时被测位置的不适感。此外，套管、外筒与内筒使用的材料均为黑色PLA(polylacticacid，聚乳酸)耗材，这种材料经过3D打印机热熔堆积固化成型后，具有高硬度特性的同时避免了外界光线的干扰。通过实验发现，使用线径为0.4mm的压簧弹簧具有良好的弹性接触效果。

考虑到在实验过程中，光纤接头需要固定在头皮表面以及人类大脑外形结构具有一定的弧度，接着使用3D打印机制作了一种具有良好柔韧性的头套，一个头套能够将一组光纤接头固定在测量脑区(对应测量一个脑半球)。

本实施例中的固体头套由套筒和固定基板组合而成，且均使用黑色柔性TPU(thermoplastic polyurethane，热塑性聚氨酯弹性体橡胶)耗材，因而具有很好地柔韧性。在使用过程中头套因外部拉力弯曲形变从而友好地贴合头皮，再将弹性探测光纤接头放置在头套上的套筒中(套筒内壁与光纤接头外表面之间具有足够大的摩擦力)，能够保证在实验过程中弹性探测光纤接头的插芯始终与头皮表面保持良好的接触，从而减小被试在实验过程中因头部移动而对单模光纤收集光子造成的影响，此外，给插芯戴上了能够增大插芯与被试头皮接触面积的胶套并在套筒的底部添加了两层柔性垫圈。需要注意的是，本系统使用了两个头套用以在大脑两侧各固定一组光纤从而实现对大脑左右半球的同时测量。

进一步的，该八通道漫射相关谱系统使用了两个光子探测器，每个光子探测器由三部分组成，即单光子计数模块(single photon counting modules，SPCM，SPCM-AQ4C，PerkinElmer)、电源转换板以及开关电源，其中，电源转换板的作用是将开关电源提供的30V稳定直流电压转换成三种不同的直流电压(即2V、5V和30V)并将这三种直流电压供给SPCM工作时使用。

SPCM是一个四通道单光子计数卡，每个通道使用一个独特的硅雪崩光电二极管，有一个180μm的圆形有效区域，能够探测400nm至1060nm波长范围内的光子且每个通道彼此独立。其中每个光电二极管都是热电冷却和温度控制的，确保在室温下光电二极管能够维持稳定的性能。

每个光子到达后，雪崩光电二极管立即发出一个TTL脉冲(4.5V高电平，匹配阻抗50欧姆)，脉冲之间的“死区时间”约为50ns，其峰值计数率大于4Mc/s，可在所有4个通道上实现短时突发，而计数率为1.5Mc/s，这仍远高于在实验测量中记录的最大光子计数率(约500Kc/s)，因而该雪崩光电二极管可以实现长时间连续稳定地工作。该SPCM的最大光子暗计数为500c/s，在700nm附近处的光子探测效率超过60％，如图2所示为SPCM的光子探测效率。本实施例采用的激光器的工作波长为785nm，此时SPCM的光子探测效率约50％。

为使SPCM能够正常工作，必须提供三种电压不同且性能稳定的直流电源，如表1所示为SPCM正常工作时所需要提供的三种直流电源。表2为电源转换板在开关电源(直流电压30V，额定功率150W)正常供电情况下提供的三种直流电压工作范围。

表1

表2

从表1和表2中得知，在30V开关电源供电情况下，电源转换板能够提供三种直流电压(2V、5V和30V)并且这三种直流电压的波动都在SPCM能够正常工作的安全范围内。此外，需要注意的是5V和30V电源的所有接地端应连接在一起，而2V电压的接地端应与其他电源的接地端分开并隔离。

进一步的，本实施例用于人脑功能测量的八通道漫射相关谱系统在设计时使用了一个采样速率为5M/s(对应采样时间为200ns)的数字相关器(Correlator.com)，最大耗电功率为4W，可通过笔记本电脑的一个USB2.0端口驱动，该数字相关器具有八个TTL脉冲(每个TTL脉冲对应一个光子)输入通道，每个通道彼此独立，能够同时接收光子探测器的八个输出通道的TTL脉冲信号，并对接收的脉冲信号进行处理，包括计算归一化光强度自相关函数曲线g₂(τ)与光强度时间序列n(t_i)。

该数字相关器采用多延迟时间模式，能够同时计算每个通道的多个延迟时间归一化光强度自相关函数g₂(τ)，每个通道都具有256个依次延迟的channel(此处采用数据表中的channel表示)，根据延迟时间τ前后共分为31节，即：

第1节：16个channel，τ＝2⁰*200ns；

第2节：8个channel，τ＝2¹*200ns；

第3节：8个channel，τ＝2²*200ns；

...

第31节：8个channel，τ＝2³⁰*200ns；

在数字相关器中，非归一化光强度自相关函数G₂(τ)的计算公式为：

n(t_i)与n(t_i+τ)为记录的光强度时间序列的值，τ为n(t_i)与n(t_i+τ)之间的延迟时间，L为参与计算的光强度时间序列长度；

归一化光强度自相关函数的计算公式为：

其中I(0)为平均光强度；根据公式可知，要计算某个通道的第一个延迟时间(τ＝200ns)的归一化光强度自相关函数g₂(τ)，所述数字相关器需执行以下五个基本步骤：

(1)采样：以t₀＝200ns为采样间隔记录光子探测器发送的TTL脉冲信号并保存为光强度时间序列n(t_i)；

(2)移位：将光强度时间序列n(t_i)移位后得到光强度时间序列n(t_i+τ)，其中τ＝kt₀，k为正整数；

(3)相乘：将光强度时间序列n(t_i)与n(t_i+τ)两两相乘并得到参与计算的光子序列长度L；

(4)相加求和：将两个光强度时间序列两两相乘的结果相加求和并除以光子序列长度L，得到非归一化光强度自相关函数G₂(τ)；

(5)除以<I(0)>²：计算平均光强度<I(0)>并将第(4)步得到的非归一化光强度自相关函数G₂(τ)除以平均光强度的平方<I(0)>²得到归一化的光强度自相关函数g₂(τ)。

之后计算通道的其他延迟时间的归一化光强度自相关函数，需要注意的是，第n个延迟时间对应的光强度时间序列是第n-1个延迟时间对应的光强度时间序列的两两顺序相加组成的新的光强度时间序列。

进一步的，为了控制数字相关器并将来自数字相关器的数据(光强度时间序列与归一化光强度自相关函数曲线)进行实时显示、存储与更新，在笔记本电脑(联想ThinkPad，32位win7操作系统)上使用LabVIEW(NationalInstruments Inc.com)程序开发环境设计了一种虚拟仪器VI。该数字相关器设置的基本参数包括：

积分时间，计算归一化光强度自相关函数曲线g₂(τ)所需的光子计数时间，由用户自行设置，设置范围为105ms～3436s；

积分次数，多次计算g₂(τ)的次数，在选择保存数据的情况下，积分次数与积分时间的乘积为所有保存数据的实验记录时间；

保存路径，将光强度时间序列n(t_i)、归一化光强度自相关函数曲线g₂(τ)及其衰减速率R保存在指定文件路径下。

该VI实现的基本功能是计算、实时显示并保存光强度时间序列n(t_i)、归一化光强度自相关函数曲线g₂(τ)及其指数衰减速率R。

本实施例提供的用于人脑功能测量的八通道漫射相关谱系统，使用时包括下述步骤：

S1、第一近红外激光器和第二近红外激光器发射的近红外光通过固定在第一四维光学调整架和第二四维光学调整架上的光纤准直器耦合进两根多模光纤上，两根多模光纤传输近红外光并分别照射到左右半球脑头皮表面；

S2、在左右脑半球各使用四根单模光纤收集与照射点同侧距离为2.7cm位置处的出射光子并将光子传输给两个四通道的第一光子探测器和第二光子探测器，第一光子探测器和第二光子探测器将收集到的单个光子转换成一个TTL脉冲信号，然后将脉冲信号通过八根BNC连接线输入到一个八通道数字相关器，该数字相关器同时独立计算八个通道的归一化光强度自相关函数曲线g₂(τ)与光强度时间序列n(t_i)。

S3、通过一根USB信号线将数字相关器计算的g₂(τ)以及n(t_i)传输给控制系统，控制系统对g₂(τ)进行拟合得到指数衰减速率R并实时显示g₂(τ)、R以及n(t_i)，其中R的大小反映血液流动的快慢。

在本申请中，除非另有明确的规定或限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通，也可以是仅为表面接触。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不驱使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于人脑功能测量的八通道漫射相关谱系统，其特征在于，包括第一近红外激光器、第二近红外激光器、第一光纤准直器、第二光纤准直器、第一四维光学调整架、第二四维光学调整架、第一固定头套、第二固定头套、第一光子探测器、第二光子探测器、数字相关器以及控制系统；所述第一光纤准直器安装在第一四维光学调整架上，所述第一近红外激光器与第一光纤准直器连接，所述第一光纤准直器通过一根多模光纤与第一固定头套连接，所述第一固定头套上设有四个弹性探测光纤接头的放置区域，实验时所述第一固定头套上放置的四个弹性探测光纤接头通过四根单模光纤连接到第一光子探测器的输入通道；所述第二光纤准直器安装在第二四维光学调整架上，所述第二近红外激光器与第二光纤准直器连接，所述第二光纤准直器通过一根多模光纤与第二固定头套连接，所述第二固定头套上设有四个弹性探测光纤接头的放置区域，实验时所述第二固定头套上放置的四个弹性探测光纤接头通过四根单模光纤连接到第二光子探测器的输入通道；所述第一光子探测器和第二光子探测器与数字相关器连接，所述数字相关器与控制系统连接。

2.根据权利要求1所述用于人脑功能测量的八通道漫射相关谱系统，其特征在于，所述第一光子探测器通过四根BNC连接线连接到数字相关器，所述第二光子探测器通过四根BNC连接线连接到数字相关器。

3.根据权利要求2所述用于人脑功能测量的八通道漫射相关谱系统，其特征在于，所述数字相关器通过USB打印线连接到控制系统。

4.根据权利要求1所述用于人脑功能测量的八通道漫射相关谱系统，其特征在于，所述第一近红外激光器、第二近红外激光器、第一四维光学调整架、第二四维光学调整架均固定在亚克力板上。

5.根据权利要求1所述用于人脑功能测量的八通道漫射相关谱系统，其特征在于，所述第一近红外激光器、第二近红外激光器用于发射长相干近红外光，即相干长度大于5m，波长为785nm，激光功率145mW。

6.根据权利要求1所述用于人脑功能测量的八通道漫射相关谱系统，其特征在于，所述单模光纤的输出端采用FC/APC接头且插芯的端面倾斜角为8度；单模光纤的输入端采用弹性探测光纤接头且仍然采用8度端面倾斜角的插芯，其中带尾柄的插芯与套管连接在一起固定单模光纤，外筒与内筒粘合在一起给套管提供支撑并通过韧性强的弹簧给套管一个沿轴向的力，设计出来的弹性探测光纤接头具有一个可伸缩的弹性插芯。

7.根据权利要求1所述用于人脑功能测量的八通道漫射相关谱系统，其特征在于，所述光子探测器包括单光子计数模块、电源转换板以及开关电源，所述电源转换板用于将开关电源提供的稳定直流电压转换成三种不同的直流电压并将这三种直流电压供给单光子计数模块工作时使用；所述单光子计数模块是一个四通道单光子计数卡，每个通道使用一个独特的硅雪崩光电二极管，有一个180μm的圆形有效区域，能够探测400nm至1060nm波长范围内的光子且每个通道彼此独立。

8.根据权利要求1所述用于人脑功能测量的八通道漫射相关谱系统，其特征在于，所述数字相关器执行以下五个基本步骤：

(1)采样：以t₀＝200ns为采样间隔记录光子探测器发送的TTL脉冲信号并保存为光强度时间序列n(t_i)；

(2)移位：将光强度时间序列n(t_i)移位后得到光强度时间序列n(t_i+τ)，其中τ＝kt₀，k为正整数；

(3)相乘：将光强度时间序列n(t_i)与n(t_i+τ)两两相乘并得到参与计算的光子序列长度L；

(4)相加求和：将两个光强度时间序列两两相乘的结果相加求和并除以光子序列长度L，得到非归一化光强度自相关函数G₂(τ)；

(5)除以＜I(0)＞²：计算平均光强度＜I(0)＞并将第(4)步得到的非归一化光强度自相关函数G₂(τ)除以平均光强度的平方＜I(0)＞²得到归一化的光强度自相关函数g₂(τ)。

9.根据权利要求1所述用于人脑功能测量的八通道漫射相关谱系统，其特征在于，所述控制系统使用LabVIEW程序开发环境设计了一种虚拟仪器VI；设置的基本参数包括：

积分时间，计算归一化光强度自相关函数曲线g₂(τ)所需的光子计数时间，由用户自行设置，设置范围为105ms～3436s；

积分次数，多次计算g₂(τ)的次数，在选择保存数据的情况下，积分次数与积分时间的乘积为所有保存数据的实验记录时间；

保存路径，将光强度时间序列n(t_i)、归一化光强度自相关函数曲线g₂(τ)及其指数衰减速率R保存在指定文件路径下。

10.根据权利要求1所述用于人脑功能测量的八通道漫射相关谱系统，其特征在于，该系统使用时包括下述步骤：

第一近红外激光器和第二近红外激光器发射的近红外光通过固定在第一四维光学调整架和第二四维光学调整架上的光纤准直器耦合进两根多模光纤上，两根多模光纤传输近红外光并分别照射到左右半球脑头皮表面；

在左右脑半球各使用四根单模光纤收集与照射点同侧距离为2.7cm位置处的出射光子并将光子传输给两个四通道的第一光子探测器和第二光子探测器，第一光子探测器和第二光子探测器将收集到的单个光子转换成一个TTL脉冲信号，然后将脉冲信号通过八根BNC连接线输入到一个八通道数字相关器，该数字相关器同时独立计算八个通道的归一化光强度自相关函数曲线g₂(τ)与光强度时间序列n(t_i)；

通过一根USB信号线将数字相关器计算的g₂(τ)以及n(t_i)传输给控制系统，控制系统对g₂(τ)进行近似指数衰减函数拟合得到指数衰减速率R，保存并实时显示g₂(τ)、R以及n(t_i)，其中R的大小反映血液流动的快慢。

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