CN114601430B - 一种基于近红外光刺激的皮层功能连接定位装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于近红外光刺激的皮层功能连接定位装置，包括：移动单元，所述移动单元用于进行移动从而修改近红外光刺激和内源性信号采集的目标区域；近红外刺激单元，所述近红外刺激单元用于生成红外刺激信号以使得所述红外刺激信号对所述目标区域进行刺激；内源性信号采集单元，所述内源性信号采集单元用于采集所述目标区域的内源性光学信号并根据所述内源性光学信号生成皮层功能连接图；控制单元，所述控制单元用于控制所述近红外刺激单元生成所述红外刺激信号，设置所述红外刺激信号的参数并控制所述内源性信号光学成像单元进行采集。
Description
技术领域
本申请涉及生物医学工程领域，尤其涉及一种基于近红外光刺激的皮层功能连接定位装置。
背景技术
脑部功能连接定位一直是神经科学研究领域一个重要的问题。在这之前，传统研究脑部功能区域的方法大多采用电刺激的方法进行皮层激活，并且通过电生理记录或者磁共振技术采集对应的神经活动信号，进一步研究功能区域的运作和连接关系。这种分析方法已经在生物实验中得到广泛的应用，并且解决了许多皮层的机理问题，但是由于电刺激所需要的电极存在侵入性和损伤性的特点，在临床上的急性研究还尚未得到广泛应用，也很难符合人体急性研究的运用途径。除此之外，由于传统电刺激存在电流扩散的问题，导致刺激无法集中，空间分辨率低，甚至会对传统的电生理记录产生伪影，导致无法在临床条件下进行有效的研究实验，并且考虑到电刺激存在的安全性、供能等问题，都不能在手术环境中使用。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：
传统的脑部功能连接定位技术包括电生理记录技术、示踪剂追踪技术、功能磁共振技术以及近红外成像技术，电生理记录技术由于电极发展限制，导致非侵入式的电极的空间分辨率不高而无法满足精密的功能区域研究，侵入式电极对皮层造成损伤而不能作为临床下可用的研究手段。示踪剂追踪技术由于需要加入示踪剂和组织成像导致无法在适用于临床病人。功能磁共振技术需要在强磁场环境中工作，而且功能磁共振技术的分辨率大于3平方厘米，大于皮层功能区域和连接大小。近红外成像技术成像范围小，结构复杂，过多的光纤负载导致临床研究中很难移动操作；综上所述，目前还没有人类临床条件下功能区域连接检测定位的有效方法，无法提供皮层功能区域连接的图谱，对于理解大脑功能连接存在巨大困难。
发明内容
本申请实施例的目的是提供一种基于近红外光刺激的皮层功能连接定位装置，以解决相关技术中存在的无法在人类临床条件下进行皮层功能连接定位的技术问题。
根据本申请实施例的第一方面，提供一种基于近红外光刺激的皮层功能连接定位装置，包括：
移动单元，所述移动单元用于进行移动从而修改近红外光刺激和内源性信号采集的目标区域；
近红外刺激单元，所述近红外刺激单元用于生成红外刺激信号以使得所述红外刺激信号对所述目标区域进行刺激；
内源性信号采集单元，所述内源性信号采集单元用于采集所述目标区域的内源性光学信号并根据所述内源性光学信号生成皮层功能连接图；及
控制单元，所述控制单元用于控制所述近红外刺激单元生成所述红外刺激信号，设置所述红外刺激信号的参数并控制所述内源性信号光学成像单元进行采集。
进一步地，所述近红外刺激单元包括：
红外激光发生器，所述红外激光发生器用于接受控制单元的控制信号并根据所述控制信号生成对应的红外刺激信号；
光纤，所述光纤用于传导所述红外刺激信号，从而对所述目标区域进行刺激。
进一步地，所述红外激光发生器产生波长为1850±25纳米，功率范围为0～1J/cm2的红外刺激信号。
进一步地，所述光纤的直径范围为100～400微米，数值孔径小于0.37。
进一步地，所述内源性信号采集单元包括：
内源光学信号采集器，所述内源性光学信号采集器包括镜头-电荷耦合元件和处理器，所述镜头-电荷耦合元件用于采集所述目标区域的内源性光学信号并将所述内源性光学信号转化成数字图像信号传送给所述处理器，所述处理器用于根据所述数字图像信号生成皮层功能连接图；及
照明模块，所述照明模块用于在所述镜头-电荷耦合元件进行信号采集时提供照明。
进一步地，所述的照明模块用于向所述目标区域提供多种波长的均匀照明。
进一步地，所述控制单元包括：
控制接口，所述控制接口用于向所述近红外刺激单元发送刺激控制信号并向所述内源性信号光学成像单元发送采集控制信号；及
信号调制器，所述信号调制器用于接收所述刺激控制信号并根据所述刺激控制信号配置所述红外刺激信号的时长、频率、幅值和脉宽的电平序列。
进一步地，所述控制接口输出的刺激控制信号的刺激频率为50～200赫兹，脉冲长度为250微秒。
进一步地，所述信号调制器具有可触屏控制的液晶显示屏。
本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
由上述实施例可知，本申请通过近红外刺激单元生成红外刺激信号以使得所述红外刺激信号对所述目标区域进行刺激，采用的近红外神经刺激具有非侵入性、安全性高、生物相容性高的特点，具有很高的空间特异性；通过内源性信号采集单元采集近红外刺激下目标区域的内源性光学信号并根据内源性光学信号生成皮层功能连接图，在手术过程中大范围脑部区域实现大脑皮层的功能区域的精准定位，通过对皮层特定炉灶部位的近红外神经刺激，可以得到周边连接功能区域的实际分布位置，对皮层连接理解提供巨大帮助，解决了无法在人类临床条件下进行皮层功能连接定位的难题。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1是根据一示例性实施例示出的一种基于近红外光刺激的皮层功能连接定位装置的逻辑框图。
图2是根据一示例性实施例示出的一种基于近红外光刺激的皮层功能连接定位装置的结构示意图。
图3是根据一示例性实施例示出的镜头-电荷耦合元件和光纤的使用示意图。
图4是根据一示例性实施例示出的光纤刺激皮层的实时示意图。
图5是根据一示例性实施例示出的刺激皮层后皮层反射率的变化图。
图6是根据一示例性实施例示出的刺激点的内源性信号的时间过程图。
图7是根据一示例性实施例示出的临床感觉皮层近红外神经刺激条件下成像的功能连接图谱。
图中的附图标记包括：
100、移动单元；110、气动升降臂；120、三轴光学移动平台；130、球形万向云台；140、光纤夹持臂；200、近红外刺激单元；210、红外激光发生器；220、光纤；300、内源性信号采集单元；310、内源性光学信号采集器；311、镜头-电荷耦合元件；312、处理器；320、照明模块；400、控制单元；410、控制接口；420、信号调制器；500、监护仪。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。
在神经外科手术中，根据术前得到的fMRI数据确定大致患病皮层区域，对病人对象的大脑进行开颅手术，为了保留正常的脑功能区域，需要实时在术中进行仪器测量，达到高精度并且大范围的快速测量脑功能区域图谱。
图1是根据一示例性实施例示出的一种基于近红外光刺激的皮层功能连接定位装置的逻辑框图，图2是根据一示例性实施例示出的一种基于近红外光刺激的皮层功能连接定位装置的结构示意图，如图1和图2所示，该装置可以包括移动单元100、近红外刺激单元200、内源性信号采集单元300及控制单元400，所述移动单元100用于进行移动从而修改近红外光刺激和内源性信号采集的目标区域；所述近红外刺激单元200用于生成红外刺激信号以使得所述红外刺激信号对所述目标区域进行刺激；所述内源性信号采集单元300用于采集所述目标区域的内源性光学信号并根据所述内源性光学信号生成皮层功能连接图；所述控制单元400用于控制所述近红外刺激单元200生成所述红外刺激信号，设置所述红外刺激信号的参数并控制所述内源性信号光学成像单元进行采集。
由上述实施例可知，本申请通过近红外刺激单元200生成红外刺激信号以使得所述红外刺激信号对所述目标区域进行刺激，采用的近红外神经刺激具有非侵入性、安全性高、生物相容性高的特点，具有很高的空间特异性；通过内源性信号采集单元300采集近红外刺激信号刺激下目标区域的内源性光学信号并根据内源性光学信号生成皮层功能连接图，在手术过程中大范围脑部区域实现大脑皮层的功能区域的精准定位，通过对皮层特定炉灶部位的近红外神经刺激，可以得到周边连接功能区域的实际分布位置，对皮层连接理解提供巨大帮助，解决了无法在人类临床条件下进行皮层功能连接定位的难题。
具体地，所述近红外刺激单元200包括红外激光发生器210及光纤220，所述红外激光发生器210用于接受控制单元400的控制信号并根据所述控制信号生成对应的红外刺激信号；所述光纤220用于传导所述红外刺激信号，从而对所述目标区域进行刺激。
具体地，近红外神经刺激原理是利用了红外光导致细胞周围水的热瞬态反应使得神经元细胞产生并传递兴奋性活动：在红外激光的照射下，细胞附近的温度快速升高，出现热量的梯度变化，从而引起神经细胞的去极化，产生神经细胞兴奋活动，并向下传递到对应的神经通路，激活附近关联的皮层功能区域。由于近红外激光的发散性比较低，直接激活照射范围内的神经元细胞，相比起传统的电刺激有极高的刺激空间精度，并且避免了电刺激的电流扩散效应和侵入的风险。
具体地，所述红外激光发生器210产生波长为1850±25纳米，功率范围为0～1J/cm2的红外刺激信号。该波长的红外激光为水对于光的吸收曲线的波峰波长范围内，可以使得细胞的瞬间温度梯度变化效率最高，优化激活神经细胞的成功率。
具体地，所述光纤220的直径范围为100～400微米，数值孔径为小于0.37。针对对应位置的功能区域的刺激可以分为功能域的刺激以及功能柱的刺激，刺激所使用的光纤220粗细不同，红外光激活的神经范围也不同，针对不同的皮层功能区域可以根据刺激目标功能区域的刺激范围选择合适的光纤220粗细。较小的数值孔径可以保证光纤220射出红外刺激信号的集中效率，提高刺激的精准度。
具体地，所述内源性信号采集单元300包括内源光学信号采集器及照明模块320，所述内源性光学信号采集器310包括镜头-电荷耦合元件311和处理器312，所述镜头-电荷耦合元件311用于采集所述目标区域的内源性光学信号并将所述内源性光学信号转化成数字图像信号传送给所述处理器312，所述处理器312用于根据所述数字图像信号生成皮层功能连接图；所述照明模块320用于在所述镜头-电荷耦合元件311进行信号采集时提供照明。
具体地，所述镜头-电荷耦合元件311是基于内源性光学信号对神经活动进行成像并定位皮层功能区，在外部刺激的作用下，皮层的功能区神经元被激活，消耗神经元细胞周围的氧气，从而导致细胞周围血液中的含氧量下降，而内源性光学信号则是通过血红蛋白的光吸收特性曲线，记录不同光源的反射强度来判断激活的皮层神经元细胞的精确位置，从而定位有神经兴奋活动的脑功能区域和连接。
具体地，所述镜头-电荷耦合元件311放大倍率大于0.5倍，采集频率大于50赫兹。足够的放大倍数可以清晰观察到人类大脑皮层的1～2毫米的功能域的分布状况，将功能连接定位的精准度提高到亚毫米的量级。大于50赫兹的采集频率可以在短时间内获得大量的光学数字信号图像进行运算，得到精准的功能激活图像。
具体地，所述处理器312可以控制镜头-电荷耦合元件311进行信号采集的频率和时间，并且处理得到的光学数字信号，生成功能连接图谱和发射率变化图并且实时显示。
具体地，所述的照明模块320包括提供多种波长范围包括632纳米和535纳米的照明颜色光源，特别是红色光源和绿色光源。且可以无极调节颜色和光强度大小。
在一实施例中，如图3所示，其中镜头-电荷耦合元件311和光纤220固定在移动单元100上，由移动单元100进行位置调节，前端有个透明的亚克力材质圆形压片，压片厚度为1～2毫米并且打有与竖直成30～90度夹角的0.2～0.5毫米直径的通孔，光纤220侧向穿过压片和皮层相接触并且传输红外刺激信号进行刺激，成像模块对脑皮层刺激区域范围进行特定波长照明。
在具体实施中，可以利用不同的光源照射皮层表面针对不同的信号进行成像，采用绿光照射可以被整个皮层所反射，从而采集到对应的全部区域的结构图像，采用红光照射可以通过减少的光源反射来确定对应部位的含氧血红蛋白数量减少程度，对应着该区域周围的神经细胞活动增加，从而确定激活功能区域范围。对皮层的功能区域进行定位可以进而揭示附近功能区域之间连接，因此处理器312可以绘制如图4所示的对应的皮层功能区域激活图谱并且实时显示。
具体地，所述控制单元400包括：控制接口410及信号调制器420，所述控制接口410用于向所述近红外刺激单元200发送刺激控制信号并向所述内源性信号光学成像单元发送采集控制信号；所述信号调制器420用于接收所述刺激控制信号并根据所述刺激控制信号配置所述红外刺激信号的时长、频率、幅值和脉宽的电平序列。
具体地，所述控制接口410根据预先设置的模板参数生成并发送刺激控制信号和采集控制信号，其中所述模板参数可以根据需求自行设定，在一实施例中，所述模板参数可以设定为先等待呼吸信号，再等待心跳信号，然后开始采集，采集5帧后开始刺激0.5秒，之后每间隔2.5秒后再刺激0.5秒，直至刺激6秒后，对采集到的数字图像信号数据分析，再加入空白组记录16秒；在另一实施例中，所述模板参数可以设定为先等待呼吸信号，再等待心跳信号，然后开始采集，预采集5帧后开始刺激并采集到数字图像信号，对采集到的35帧数据进行数据分析，再加入空白组记录40帧。
具体地，所述控制接口410还可以具有与外部呼吸心率监护仪500的呼吸心跳信号同步功能，更具体地，所述控制接口410可以接受外部的电平触发和产生9通路的控制电平信号。
具体地，所述信号调制器420具有可触屏控制的液晶显示屏。可以通过点击直接调节红外刺激信号的参数，也可以控制系统刺激采集间隔延时时间，帮助快速实现临床实验过程的时间校准。
在具体实施中，医生或工作人员可以通过控制单元400控制内源光学信号采集器按照设置好的例程开始刺激，也可以实时修改对应的刺激策略。当开始刺激时，内源光学信号采集器会发送指令给控制接口410，控制接口410等待外部监护仪500的心跳信号和呼吸信号触发后确定刺激和测量发生的时间和对应的顺序，并将开始信号返回给内源光学信号采集器以及信号调制器420，使得内源光学信号采集器和信号调制器420同步工作。医生或工作人员可以在信号调制器420上通过触屏修改刺激电平序列的频率、脉宽、相位、以及刺激时长等等刺激参数，信号调制器420接收到控制接口410的触发信号后，输出设定的电平序列作为红外刺激信号的刺激控制信号，从而进一步调节红外刺激信号的频率、脉宽、相位、以及刺激时长等等参数；还可以通过红外激光发生器210的旋钮调节模拟电流大小，从而控制红外刺激信号的光照强度大小。
具体地，所述控制接口410输出的刺激控制信号的刺激频率为50～200赫兹，脉冲长度为250微秒。通过临床试验验证该刺激参数可以有效激活皮层神经细胞并且提供足够时间
具体地，所述移动单元100包括气动升降臂110三轴光学移动平台120,球形万向云台130和光纤夹持臂140，气动升降臂110提供了很大的z轴升降范围，三轴光学移动平台120提供了精准的定位，球形万向云台130利于前端镜头-电荷耦合元件311定向，光纤夹持臂140帮助光纤220在皮层表面移动和接触，利用功能不一的部件，可以做到系统的快速安装和定位，。
具体地，在完成开颅手术后，利用气动升降臂110快速移动系统将刺激采集装备接近暴露的大脑皮层，医生通过精密调节气动升降臂110上的球形万向云台130、三轴光学移动平台120使得系统与暴露的皮层接触，整体环境利用照明模块320进行照明。
具体地，所述光纤220和内源性信号采集单元300均可以安装在所述移动单元100上，通过调节所述移动单元100来控制光纤220和内源性信号采集单元300接近大脑皮层并接触。具体地，利用球形万向云台130对整体系统的固定的方向进行调整使得镜头和成像的平面保持平行，并且缩紧固定，从而调节xyz三个轴方向的旋转；通过气压臂升降支架快速调整整体系统的z轴水平高度，粗调接触皮层；最后通过三轴光学平台的旋钮微调，对前端的镜头进行水平的xy方向上的移动和z轴方向上的垂直移动使得皮层和系统接触并且轻轻压迫减少皮层的节律起伏；利用光纤夹持臂140的三轴调节，控制光纤220的x轴和z轴的移动以及y轴的旋转，使光纤220通过系统前方无菌亚克力隔板的小孔和皮层接触，镜头-电荷耦合元件311则停留在目标区域上方。
下面仅根据躯体感觉区的功能连接定位为实施例，为本发明的具体实施进行说明。
步骤1，在麻醉条件下，病人经过开颅手术暴露一侧的躯体感觉皮层的脑区，首先利用移动单元100对内源光学信号采集器进行定位和固定，使之与皮层接触并且调节照明单元使得成像清晰。在目标区域通过400微米的光纤220传递近红外刺激信号到被试皮层的躯体感觉区进行刺激，连接的功能区域会被相应激活，并且采集15*15mm2区域的内源性光学信号，其中所述红外刺激信号的辐射能量为0-1J/cm2。其中刺激范式分为两种：一种是在内源性信号记录开始1秒后，进行持续0.5秒，频率为200赫兹，并且继续记录6秒的刺激后反应的刺激组；另外一种则是空白组，只记录基线信号；两种过程间隔2秒用来储存分析数据和帮助细胞回到静息状态，每种范式各自进行20次，一次实验过程大概持续约5-8分钟。记录的图像可以实时显示，如图4所示，图4中左上角的图中的黑框区域为目标区域，刺激目标区域的范式下皮层的内源性信号在第1秒的刺激后在刺激点附近出现了内源性信号，标志着该区域存在神经细胞的激活并且消耗了大量氧气。
步骤2，将采集得到光学成像数据进行叠加，并且进行10赫兹的低通空间滤波和200赫兹的高通滤波之后，对刺激组和空白组进行差分和归一化可以得到实时激活图像，如图5所示，可以观察到在红外刺激信号的激活下的激活和抑制内源性信号的分布。
步骤3，对红外神经刺激引起的皮层的神经细胞激活进行检测，分析刺激前后的反射率变化程度和刺激辐射暴露之间的关系。如图6所示，随着激光强度的增加，皮层反射率变化ΔR/R的减少幅度随之增加，证明了皮层的激活程度和激光强度之间存在正相关，在实际使用过程中采用合适的强度刺激既可进行功能连接。
步骤4，在MATLAB中通过对每个像素区域的变化进行实时的配对t测试分析比较静息状态和激活状态的光学成像数据，可以得到皮层的显著性激活的像素组成的激活区域，从而确定刺激点的功能连接区域。经过软件的数据处理后得到对应刺激位点的功能区域连接图谱，如图7所示的不同皮层区域的功能区域连接图谱。如图7所示，激活的相邻功能区域按照星状分布，激活区域大小为1-2mm2，呈现出明显的局灶性和特异性。揭示的皮层连接结果与解剖学的结果相符，并且表现出和刺激强度高度的依赖性。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (8)
1.一种基于近红外光刺激的皮层功能连接定位装置，其特征在于，包括：
移动单元，所述移动单元用于进行移动从而修改近红外光刺激和内源性信号采集的目标区域；
近红外刺激单元，所述近红外刺激单元用于生成红外刺激信号以使得所述红外刺激信号对所述目标区域进行刺激；
内源性信号采集单元，所述内源性信号采集单元用于采集所述目标区域的内源性光学信号并根据所述内源性光学信号生成皮层功能连接图；及
控制单元，所述控制单元用于控制所述近红外刺激单元生成所述红外刺激信号，设置所述红外刺激信号的参数并控制所述内源性信号光学成像单元进行采集；
其中，所述内源性信号采集单元包括：
内源光学信号采集器，所述内源性光学信号采集器包括镜头-电荷耦合元件和处理器，所述镜头-电荷耦合元件用于采集所述目标区域的内源性光学信号并将所述内源性光学信号转化成数字图像信号传送给所述处理器，所述内源性光学信号通过血红蛋白的光吸收特性曲线，记录不同光源的反射强度来判断激活的皮层神经元细胞的精确位置，所述镜头-电荷耦合元件放大倍率大于0.5倍，采集频率大于50赫兹，所述处理器用于根据所述数字图像信号生成皮层功能连接图；及
照明模块，所述照明模块用于在所述镜头-电荷耦合元件进行信号采集时提供照明。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述近红外刺激单元包括：
红外激光发生器，所述红外激光发生器用于接受控制单元的控制信号并根据所述控制信号生成对应的红外刺激信号；
光纤，所述光纤用于传导所述红外刺激信号，从而对所述目标区域进行刺激。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述红外激光发生器产生波长为1850±25纳米，功率范围为0~1J/cm2的红外刺激信号。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述光纤的直径范围为100~400微米，数值孔径小于0.37。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的照明模块用于向所述目标区域提供多种波长的均匀照明。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制单元包括：
控制接口，所述控制接口用于向所述近红外刺激单元发送刺激控制信号并向所述内源性信号光学成像单元发送采集控制信号；及
信号调制器，所述信号调制器用于接收所述刺激控制信号并根据所述刺激控制信号配置所述红外刺激信号的时长、频率、幅值和脉宽的电平序列。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述控制接口输出的刺激控制信号的刺激频率为50~200赫兹，脉冲长度为250微秒。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，信号调制器具有可触屏控制的液晶显示屏。
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