CN116784841A - 用于脑机接口的新型光纤漫射时间分辨探针系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种用于脑机接口的新型光纤漫射时间分辨探针系统。其特征是：它由(1)新型光纤脑机接口探针；(2)光发射\接收双向功能光耦合器；(3)两光源波长分别为λ1和λ2的脉冲激光源；(4)同步脉冲电信号触发时间相关单光子计数器(TCSPC)组成。其中光纤探针分别由两种折射率分布不同的多包层光纤焊接组合而成，两光源轮流发光，通过中间纤芯注入脑区，由脑区漫射回来或透射回来的光由内包层波导传回，并由单光子探测器同步接收时间分辨光信号，经过时序处理后，重构出3D脑血流和脑血氧变化图谱。本发明具有通过零间距源‑探测器光纤探针和光子漫射飞行时间分辨来提高脑神经活动与血氧动力学响应图谱空间分辨率的优势。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是一种用于脑机接口的新型光纤漫射时间分辨探针系统。是一种用于探测3D脑血流和脑血氧变化图谱的装置，具有通过零间距源-探测器光纤探针和光子漫射飞行时间分辨来提高脑神经活动与血氧动力学响应图谱空间分辨率的特点，所涉猎的内容属于脑科学研究和医用仪器测量技术。
(二)背景技术
脑机接口(Brain Computer Interface，BCI)是在生物大脑与外部设备直接创建信息输出通道，实现大脑与外界信息交换的一种全新的通讯和控制技术。生物大脑的工作依赖于血液的新陈代谢，为神经元活动提供所需的氧。氧的消耗会刺激大脑局部血管的舒张，导致局部脑血容和脑血流的增加，表现为大脑血氧水平的迅速提高。所以当大脑进行某一种认知活动时，大脑神经活动区域的局部血氧含量水平将远超未被驱动区域的所需血氧含量。氧是通过血液中的血红蛋白进行输送，因此，大脑在进行认知活动过程中，活动区域会出现血液中氧合血红蛋白浓度明显上升，且脱氧血红蛋白浓度明显下降的现象。目前很多脑成像技术都是通过检测活动中脑局部的血红蛋白浓度的变化导致的光学或磁性变化来获得与大脑功能相关的脑活动信号。
与侵入式器件相比，非侵入式并不需要进入大脑内，仅在头骨外侧便可检测到传输信号，像戴帽子一样的体验感较容易被人们接收，并且还具备易用性、便携性，价格相对也较低等优势，虽然非侵入式避免了手术的危险，但是颅骨对探测器接收反射信号有着巨大的衰减作用，使得接收到的信号被分散和模糊，无论是信号强度还是分辨率均会受到影响。为了对大脑功能进行深入的探究，阐明人类认知活动的心理过程和脑功能机制，人们在早期已经开始对非侵入神经功能检测技术有了初步的研究。1831年伦敦医生RichardBright等人首次将该技术应用到临床医学中，通过烛光照射后脑使头盖骨呈半透明。1977年Jobsis等人首次将功能性近红外光谱fNIRS(functional Near-infraredSpectroscopy)运用在对动物脑部血氧含量变化的观察中，并在Science杂志公开了对血红蛋白和细胞色素在近红外光谱范围内出现吸收特性的研究成果，氧合血红蛋白(HbO2)和脱氧血红蛋白(HbR)分别在735nm和905nm处分别有2个吸收峰，提出吸收光谱的变化与血红蛋白的载氧量有着直接的关系，该报道在生物医学领域引起了广泛重视，自此以后，不同领域的研究人员通过多学科交叉和多种非侵入检测技术对脑科学的脑功能活动有了更深入的研究，使得fNIRS技术对认知神经科学的发展和应用起到了至关重要的推进作用。近红外脑功能成像技术作为近年来较为新颖的非侵入式脑功能光学检测技术，已经在多个领域的临床医学应用中得到了充分的肯定，例如fNIRS在精神疾病领域、儿科领域、卒中康复领域、神经退行性疾病领域、麻醉深度监测、神经外科患者脑氧监测等方面均得到了应用，随着fNIRS技术的发展，近红外脑成像设备出现在临床应用上的频率也越来越频繁。
脑组织局部活动的过程会引起血流的局部响应，所以脑皮层神经活动与脑血流(Cerebral Blood Flow，CBF)及血氧响应有直接关系，当大脑被给予某种刺激时，脑组织的血管中脑血流和血氧信号将发生变化，因此可以利用HbO2和HbR的变化间接反映脑神经活动的强弱。同时HbO2和HbR的变化又会引起局部脑组织对光吸收的变化，所以这种定量分析对病理条件下的科学研究有着重要的价值。
fNIRS技术一般由光源，光源探测器、数据采集器等组成，光源通过发光二极管或光纤束向大脑某一区域发射近红外波段的光，光以“香蕉型”的路径进行散射后，由探测器接收被脑组织散射回来的光信号。现阶段近红外脑成像设备的光源和探测器的有效监测距离一般在2-7cm范围内，监测深度在3cm内[Wigal SB,Polzonetti CM,Stehli AA.Phasesynchronization of oxygenation waves in the frontal areas of children withattention-deficit hyperactivity disorder detected by optical diffusionspectroscopy correlates with medication.Biomed Opt,17(12):127002,(2012).]。脑皮层内部脑组织的有效探测信号要穿过颅骨和头皮等浅层组织才能被探测器接收到，所以接收到的光信号包含了浅皮层和深皮层两部分，现有的技术通常通过增加源-探测器距离(Source-Detector Distance，SDS)来补偿，光源和探测器之间的距离变大后，“香蕉型”光路也会变大，即光路相应变深，达到提高探测深度的目的。通过增加SDS来补偿探测深度的这种方法，根据扩散理论可知，会降低接收到的检测信号强度，且信号强度随着SDS的增加呈指数下降Patterson MS,Chance B,Wilson BC.Time resolved reflectance andtransmittance for the non-invasive measurement of tissue opticalproperties.Appl.Opt.28,2331,(1989)]。
为了方便后期信号处理，研究者们既希望缩短SDS来提高空间分辨率[TamboriniD,et al.Portable system for time-domain diffuse correlationspectroscopy.Biomed.Eng.66,3014–3025,(2019)]，又希望减少大脑浅层的信号干扰，降低血流和血氧的测量误差[Sathialingam E,et al.Small separation diffusecorrelation spectroscopy for measurement of cerebral blood flow inrodents.Biomed.Opt.Express,9,5719–5734,(2018)]。2005年Alessandro Torricelli等人在理论上提出了一种提高fNIRS技术空间分辨率的新方法，在降低光源和探测器距离的同时，能够提高空间分辨率，与传统方法相比这种方法能更好地定位漫射光子，尽管当时还仅是从理论模型上的推导计算，并没有找到可实施的实验方案[Alessandro Torricelli,Antonio Pifferi,Lorenzo Spinelli,et al.Time-Resolved Reflectance at NullSource-Detector Separation:Improving Contrast and Resolution in DiffuseOptical Imaging.Physical Review Letters,95,078101,(2005)]。但是，到了2008年，Antonio Pifferi等人利用单光子雪崩二极管(SPAD)在控制时间条件下，分析了在SDS为2mm的源-探测器分离条件下实现时间分辨漫反射的可行性。2016年，Sutin等人介绍了一种时域扩散相关光谱技术，并利用该技术探测SDS<1cm时啮齿动物大脑的脑血流量。2021年，Saeed Samaei等人优化了时域扩散相关光谱法，并进行了可控压力下人类脑前额血流测试实验。上述的几种方法都推进了这一技术的发展。然而，无论是增加源-探测器距离补偿法[Selb DA,Boas ST,Chan KC,et al.Sensitivity of near-infrared spectroscopy anddiffuse correlation spectroscopy to brain hemodynamics:Simulations andexperimental findings during hypercapnia.Neurophotonics,1,015005,(2014)]，还是提高深度识别法[A Tsalach,Z Schiffer,E Ratner,et al.Depth selective acousto-optic flow measurement.Opt.Express,6,4871–4886,(2015]，都存在一定的局限性，难以同时解决上述两方面的问题。因此，如何解决在提高空间分辨率的同时还能兼顾探测深度，就成为fNIRS技术迫切希望解决的重要问题。
为了克服在先技术的不足，构建更精准的脑血流、脑血氧的光学探测系统，本发明提出的采用新型多包层光纤双功能器件，实现可双向工作脑血氧变化探测的新型光纤漫射时间分辨探针，该特种光纤的中间芯作为探针波导通道发射中心波长分别为λ1和λ2的光源，分别对应于氧合血红蛋白(HbO2)和脱氧血红蛋白(HbR)的吸收峰，两光源可以分别独立的轮流发射脉冲光信号，而该光纤面积较大的内包层区作为探测波导，接收来自大脑中的漫射光信号，并通过这个内包层波导传输到单光子雪崩光电(SAPD)探测模块，可同时解决提高空间分辨率和增加探测深度这一自相矛盾的难题，为实现对脑血流、脑血氧更精准的光学信息探测，提供一种更加便捷的非侵入式的信息获取方法。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种用于脑机接口的新型光纤漫射时间分辨探针系统，通过零间距源-探测器光纤探针和光子漫射飞行时间分辨来提高脑神经活动与血氧动力学响应图谱空间分辨率，解决在提高空间分辨率的同时还能兼顾探测深度的问题。
本发明的目的是这样实现的：
一种用于脑机接口的新型光纤漫射时间分辨探针系统。其特征是：它由(1)新型光纤脑机接口探针；(2)光发射\接收双向功能光耦合器；(3)两光源波长分别为λ1和λ2的脉冲激光源；(4)同步脉冲电信号触发时间相关单光子计数器(TCSPC)组成。其中光纤探针分别由两种折射率分布不同的多包层光纤焊接组合而成，两光源轮流发光，通过中间纤芯注入脑区，由脑区漫射回来或透射回来的光由内包层波导传回，并由单光子探测器同步接收时间分辨光信号，经过时序处理后，重构出3D脑血流和脑血氧变化图谱，如图1所示。本发明具有通过零间距源-探测器光纤探针和光子漫射飞行时间分辨来提高脑神经活动与血氧动力学响应图谱空间分辨率的特点。
脑组织局部活动的过程会引起血流的局部响应，所以脑皮层神经活动与脑血流(Cerebral Blood Flow，CBF)及血氧响应有直接关系，当大脑被给予某种刺激时，脑组织的血管中脑血流和血氧信号将发生变化，因此可以利用HbO2和HbR的变化间接反映脑神经活动的强弱。同时HbO2和HbR的变化又会引起局部脑组织对光吸收的变化，氧合血红蛋白(HbO2)和脱氧血红蛋白(HbR)分别在735nm和905nm处分别有2个吸收峰，如图2所示。传统的近红外脑成像设备的光源和探测器的有效监测距离一般在2-7cm范围内，监测深度在3cm内，如图3所示。
为了克服在先技术的不足，构建更精准的脑血流、脑血氧的光学探测系统，本发明提出的采用新型多包层光纤双功能器件，要满足以下几项功能：1)为了实现探测深度的要求，要满足零间距的源-探测器漫反射光纤探针结构，从而实现探测空间分辨率的提高；2)为了实现探测深度的提高，还要满足能够同时实现发射光源与探测接收器双向光源互发射与漫射光信号互接收的功能；3)为了提高光信号的效率，需要尽量保证光纤波导的光源发射面积小、准直性好，才能尽可能的使得光源在穿过头皮、颅骨和多层脑膜组织时，抑制光的扩散；而同时要保证探测收集漫射光信号的面积和数值孔径大、信噪比高，增加信号的稳定性。为此，需要对多包层光纤探针器件开展研究，一方面要研制出具有较小的光源出射纤芯，同时要保证较大的接收纤芯的特种光纤器件结构。
本发明所提出的用于脑机接口的新型光纤漫射时间分辨探针。其特征是：所述的新型光纤脑机接口探针，该光纤探针是由一段三包层光纤端与一段具有渐变折射率自聚焦透镜光纤进行焊接式的组合集成，光源向大脑某一区域发射的光是通过三包层光纤折射率为n2的中间纤芯注入脑组织内的，脑组织内漫反射回来的光信号再由三包层光纤的折射率为n1的大芯经部分接收。纤端一小段自聚焦透镜光纤既能对三包层光纤中间纤芯的出射光束的扩散加以抑制，增大穿透深度，同时又能提高大芯径后向漫射光回收的集光效率，其光纤结构如图4所示。
光源向大脑某一区域发射近红外波段光是通过三包层光纤折射率为n2的中间纤芯注入脑组织内的，脑组织内漫反射回来的光信号再由三包层光纤的折射率为n1的大芯经部分接收。为了实现探测深度的提高，需要解决两个问题：1)如何才能尽量保证光在穿过头皮、颅骨和多层脑膜组织时，减少光源注入的扩散，使更多的光被有效的注入脑组织内部？2)怎样才能扩大中间纤芯的有效收集漫射光信号的光锥立体角，使穿透到脑区更深的漫射光子也能够积累到足够多，能够被探测器探到？
解决的方法是将多包层光纤端与一段具有渐变折射率自聚焦透镜光纤进行焊接式的组合集成，如图5(a)所示。通过优化该自聚焦透镜光纤的折射率分布参数和长度参数，来均衡光源出射光束的发散角θout和漫射光接收的集光立体角Ω(r)in，光纤脑机接口探针纤端的光学结构自聚焦透镜的折射率分布由图5(c)给出。由于自聚焦透镜光纤的折射率是渐变的，因此在自聚焦透镜端不同位置的数值孔径也是径向参数的函数NA(r)，因此最终漫射光信号的集光效率要综合接收面积、集光角和数值孔径函数多个变量优化确定，如图6所示。近似地，由于增加了这段透镜光纤，与没有增加的透镜光纤的光纤1本身作为光纤脑机接口探针的情况相比较(参见图5(b))，其等效集光立体角由Ωin1＝0.049π，增加到Ωin2＝0.058π。这里，我们看到，无论是增大接收光纤内包层的面积还是增大数值孔径，都使得接收后向漫射光的等效集光立体角得到了增强。作为初步估算，我们优选直径为120μm的渐变折射率纤芯，折射率分布为其中n0＝1.467,/>1/4节距的长度Z＝1.14mm。
图7(a)和(b)所给出的是三包层光纤焊接一小段自聚焦透镜光纤前后计算结果的对比情况，一小段自聚焦透镜光纤既能对三包层光纤中间纤芯的出射光束的扩散加以抑制，增大穿透深度；同时又能提高大芯径后向漫射光回收的集光效率。因此，若是没有增加这段透镜光纤时，光源的光经过中间芯出射后，传输大约3mm后就开始发生弥散(见图7(a))；而经过一小段自聚焦透镜光纤后，传输8mm时还能保持较好的指向性(见图7(b))，一方面，不仅有效地抑制了纤芯的输出光在大脑皮层、颅骨层以及脑组织浅层阶段发生严重光束扩散，提高了空间分辨率；另一方面，还增强了注入脑组织内的照射深度。而且，在接收漫反射光信号时，通过这个自聚焦透镜光纤段，有效的扩大了信号接收空间立体角，提高了综合集光效率，使得能接收到更多的光信号，从这个意义上，又进一步增强了深部脑区的探测能力。
本发明所提出的用于脑机接口的新型光纤漫射时间分辨探针。其特征是：所述的光发射\接收双向功能光耦合器，该双向功能光耦合器采用三包层光纤的中间纤芯作为波长分别为λ1和λ2的两个光源的注入通道，透过脑皮层和颅骨层漫射入大脑组织，而后向漫射光信号或者来自其他光纤发射源的前向漫射信号，被探测面积较大的内包层纤芯波导所接收，传送到硅基单光子探测器。于是，一方面，通过双包层光纤的同轴光发射和接收通道的空间拓扑嵌套，就实现了零间距的源-探测器光纤探针；另一方面，该光纤探针具有双向功能，因此，一对相同的光纤探针还可以彼此相互实施光发射与光接收。如图8所示。
一种用于脑机接口的新型光纤漫射时间分辨探针系统。其特征是：所述的两个光源为典型的半导体激光器，波长范围分别为：处于对脱氧血红蛋白(Hb)变化敏感范围的红光(630nm-735nm)；对氧合血红蛋白(HbO2)较为敏感的中心波长范围为(835nm-920nm)红外光源，如图2所示。
本发明所提出的用于脑机接口的新型光纤漫射时间分辨探针系统。其特征是：所述的同步脉冲电信号触发时间相关单光子计数器(TCSPC)系统由单光子计数器、同步信号驱动电路和时间相关单光子计数器模块组成，如图1所示，其功能为脉冲激光器产生脉冲光信号通过光纤探针的入射至待测组织，同时输出一个同步脉冲电信号触发时间相关单光子计数器(TCSPC)进行计时。组织内部收到入射光信号的激发，反射出的光信号通过光纤探针入射进单光子探测器中。当单光子探测器探测到一个光子时，会输出一个脉冲信号至时间相关单光子计数器中，使其停止计时，得到一个激光器输出脉冲光和接收到反射光信号之间的一个时间间隔。经过多个激光脉冲周期，时间相关单光子计数器会记录到一系列的时间间隔，进而可以得到与光源及反射光信号传输时间相关的光子计数(光强)分布直方图。图1中横坐标为探测时间间隔，也就是光穿透组织的深度。通过对系统中的脉冲光源进行光谱切换，结合光穿透组织的深度信息，可以获得被测组织中不同截面的光谱信息用于后续数据处理和解析。
采用本发明所述的用于脑机接口的新型光纤漫射时间分辨探针，可构建头戴式非侵入脑机接口探测装置，并构成自探测与互探测两种典型的光信息网络。体特征是：所构造的探测基础单元为三角形结构单元，是有三个各自独立的新型光纤漫射时间分辨探针组成的，需要优化的主要参数为探针距离d和盲区时间τ0，如图9和图11所示。
(四)附图说明
图1是用于脑机接口的新型光纤漫射时间分辨探针系统的装置示意图。其中(1)是新型光纤脑机接口探针；(2)是光发射\接收双向功能光耦合器；(3)是两光源波长分别为λ1和λ2的脉冲激光源；(4)是同步脉冲电信号触发时间相关单光子计数器系统。
图2是氧合血红蛋白(HbO2)与脱氧血红蛋白(HbR)光谱吸收特性曲线。
图3是非侵入式光学脑部氧合血红蛋白(HbO2)与脱氧血红蛋白(Hb)探测示意图。
图4是多包层光纤几何结构和折射率剖面分布式示意图。
图5是基于多包层光纤的新型脑机接口光纤探针结构示意图。其中(a)是由多包层光纤在纤端焊接一小段自聚焦透镜光纤后组成的光纤探针结构；(b)是多包层光纤折射率分布示意图；(c)是具有渐变折射率内包层的自聚焦透镜光纤的折射率分布示意图。
图6是增大了探测面积和数值孔径的多包层脑机接口特种光纤：(a)光纤的探测接收光光锥；(b)光纤芯半径r0与接收光面积S1的关系曲线；
(c)数值孔径NA与接收光面积S1的关系曲线。
图7是多包层光纤在没有焊接一小段自聚焦透镜光纤之前作为光源出射端其发散光场分布的情况(a)；和焊接一小段自聚焦透镜光纤后组合光纤端出射光场扩散受到抑制的情况(b)。
图8是采用双包层光纤和分光棱镜构建的双向功能收发光学模块工作原理示意图，其中(1)是作为光源发射的中间纤芯；(2)是接收漫射光信号的内包层纤芯；(3)是光纤的外包层；(4)是透镜；(5)是分光棱镜；(6)是光源1；(7)是光源2；(8)是硅基单光子探测器；(9)是由光纤内包层波导接收到的漫射光信号。
图9是双向功能光纤探针自探测与互探测时间分辨与空间分辨测量示意图。
图10是源-探测器时间分辨漫反射光纤探测原理示意图：(a)源-探测器间距d＝0的多包层光纤探测示意图，图中时域漫反射相关光谱在脑组织样品组成的光子运动在不同层的路径及对应的飞行时间时所对应的探测信号(按时序先后对应深色和浅色)；(b)由d＝0的单根多包层光纤探针注入的光信号在大脑皮层、颅骨和脑组织中光子漫射过程的概率分布情况和等光程线(或等时线)(c)两根多包层光纤探针以双向工作的模式分别接收对方发出不同路径所对应的飞行时间接收到的漫射信号(按照时序先后对应的浅色和深色)；(d)由间距为d>0的两根双包层光纤探针相互注入的光信号在大脑皮层、颅骨和脑组织中光子漫射过程的概率分布情况和等光程线(或等时线)。
图11是根据大脑半球各功能叶区光纤探针三角阵列布置测点选取示意图及其自探测与互探测两种典型的光信息网络布置示意图。
图12是通过光纤脑机接口的光信息探测网络获取3D脑血氧动力学响应图谱过程示意图：(a)一对具有双向功能自探测与互探测的光纤探针获得的探测信号按照飞行时间序列展开的示意图；(b)通过时空分辨将传统的一个单元探测信号细分为空间上的三个单元和时间上的三个序列段；(c)去除头皮和颅骨层的时间分辨信号后针对脑组织的3D时空分辨信号示意图；
(d)由多个光纤探针组合网络获得的高时空分辨3D血氧动态响应合成图谱。
图13是新型光纤脑机接口与传统光脑机接口对比情况示意图。
(五)具体实施方式
下面以双向三包层光纤脑机接口探针系统为例，对本发明进行具体的说明。
本发明基于三包层光纤，提出了一种源-探测器零间距时间分辨漫反射的光纤探测新方法。与传统方法相比，这种方法具有更好的空间分辨率和对比度。从结构分布来看，这里中间纤芯作光源，内包层纤芯作接收器，近红外光源通过中间纤芯注入到脑组织内，漫反射光信号再通过内包层纤芯被接收。图9分别给出了基于双包层光纤给出的源-探测d(参见图9(a)和(b))的工作原理示意图。
三包层光纤的中间纤芯作为波长分别为λ1和λ2的两个光源的注入通道，透过脑皮层和颅骨层漫射入大脑组织，而后向漫射光信号或者来自其他光纤发射源的前向漫射信号，被探测面积较大的内包层纤芯波导所接收，传送到硅基单光子探测器。于是，一方面，通过三包层光纤的同轴光发射和接收通道的空间拓扑嵌套，就实现了零间距的源-探测器光纤探针；另一方面，该光纤探针具有双向功能，因此，一对相同的光纤探针还可以彼此相互实施光发射与光接收。
采用零间距源-探测器光纤脑机接口探针开展脑血流变化探测研究的实际问题之一是选择合适的源探测器距离，以最大限度地提高对脑血氧的敏感性，并提高绘制皮层激活的空间分辨率。依照前述近红外光在脑组织中的传输特性可知，从放置在受试者头皮上的光源射入头部的近红外光在组织中强烈散射，部分被吸光分子吸收，部分被光源之外的光探测器探测到。
假设光波通过吸光物质的光程(这个光程可通过漫射光子飞行时间进行选择)为S，则光信号的衰减强度的相对变化可记为
式中IIN为输入光功率，IOUT为探测接收到的输出光功率。
又由于脑组织是由多种特征光吸收物质组成的，于是有
x(λ)＝ε1(λ)D1+ε2(λ)D2+…+εn(λ)Dn (2)
由(2)式可知，若各种物质的消光系数εi是已知的，则待测物质的浓度Di就可以通过上式求解出来，换句话说，若要求出混合组织中n种物质的浓度及其变化，就需要通过n个波长的光的测量，然后联立方程(2)就可以求解出来。针对脑神经的活跃程度与脑血氧的含量变化程度密切相关性，我们可以通过测量局部脑血氧的变化情况来推断脑神经的活动情况。基于含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白不同的吸光度特性和光强度的变化来给出测量结果。
于是根据式(2)，只需要采用两个不同的波长，就可以得到下述联立方程
其中εHb(λ)和分别为脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白的消光系数，DHb和分别代表脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白的浓度。
求解上述联立方程，得
由于源-探测器距离d会显著影响采样区域，因此最大信号强度和信噪比都会相应改变。因此，在研制光纤脑机接口探测系统过程中，需要通过实验的方法选择合适的源-探测器距离参数d，以最大限度地提高对脑氧合的敏感性，从而优化提高绘制皮层激活的时间分辨率和空间分辨率。在实验过程中，具体将按照图10所示的空间分辨与时间分辨示意图，通过测量与比较确定优化参数。
由于本发明采用了新型双向功能光纤脑机接口装置，因而，源-探测器距离对于自探测功能和互探测功能，分别为0和d。从图10可以看到，若是互探测光纤间距d较短，或者自探测光纤在时间分辨的短时范围τ0，则采样体积将局限在皮肤和颅骨等非大脑组织范围内。因此，只有当源-探测器距离d增加到适当的尺度后(或者时间分辨曲线选取τ0之后的信号)，才会有更大比例的光通过大脑皮层。因此，增加源探测器距离将增加对脑氧合的敏感性。然而，当选取的源-探测器的距离d较长时，由于到达探测器的光子数很少，信号就会变得很弱而使得信噪比劣化。因此，只有通过优化使得源-探测器距离处于最佳范围时才能获得可靠的信息。
除了自探测光纤时间分辨的短时参数τ0和互探测光纤空间分辨的源-探测器距离d这两个参数外，光源的强度也是影响测量灵敏度的重要参数。由于测量信号是由基于朗伯特-比尔定律的源光强与检测光强的比值决定的，如果光程长度与光源强度无关，则光强的变化就不会改变最大信号强度。然而，具有更高功率的光源能在较长的源-探测器距离上提供更好的信噪比。相比之下，强度过高的光源会导致探测器动态范围内被探测光的幅度发生偏差，特别是在较短的源探测器距离下。因此，每个源探测器距离都应该有一个最佳的光强范围。
脑神经活动与局部动脉血管扩张的增加、和全脑血流量CBF(Cerebral bloodflow)的过量供应以及皮层血容量(CBV)的增加(即功能性充血)有关，以满足神经元对营养物质(即葡萄糖和氧)的需求，到达激活脑区域的氧含量高于其被消耗的速率，从而导致氧合血红蛋白HbO2的增加和脱氧血红蛋白HbR的降低。这被称为血氧动力学响应，本发明所提供的新型光纤脑机接口的目的就是通过提高时间和空间分辨率，通过高空间分辨率的单光子精确定位光纤探针系统，获取高分辨脑神经活动与血氧动力学响应图谱，为实现将探测区域范围从点-点之间扩充到面-域之间，将脑组织内的低分辨重叠探测光路分解为分辨率更高、更为完整的脑信息3D图谱。为此，需要构建头戴式脑机接口装置，基于本发明的光纤探针，探测光网络主要以三角单元为基础构建而成，如图11所示。多探针组合不仅能充分发挥提高光纤探测系统空间分辨率与分辨深度的优势，而且对于实现高空间分辨率与分辨深度的脑区血流与血氧动态信息图像具有特别重要的意义。
图12给出了如何通过光子漫射飞行时间分辨来提高脑神经活动与血氧动力学响应图谱空间分辨的示意图。
Claims (6)
1.本发明提供的是一种用于脑机接口的新型光纤漫射时间分辨探针系统。其特征是：它由(1)新型光纤脑机接口探针；(2)光发射\接收双向功能光耦合器；(3)两光源波长分别为λ1和λ2的脉冲激光源；(4)同步脉冲电信号触发时间相关单光子计数器(TCSPC)组成。其中光纤探针分别由两种折射率分布不同的多包层光纤焊接组合而成，两光源轮流发光，通过中间纤芯注入脑区，由脑区漫射回来或透射回来的光由内包层波导传回，并由单光子探测器同步接收时间分辨光信号，经过时序处理后，重构出3D脑血流和脑血氧变化图谱，如图1所示。本发明具有通过零间距源-探测器光纤探针和光子漫射飞行时间分辨来提高脑神经活动与血氧动力学响应图谱空间分辨率的特点。
2.根据权利要求1所述的一种用于脑机接口的新型光纤漫射时间分辨探针系统。其特征是：所述的新型光纤脑机接口探针，该光纤探针是由一段三包层光纤端与一段具有渐变折射率自聚焦透镜光纤进行焊接式的组合集成，光源向大脑某一区域发射的光是通过三包层光纤折射率为n2的中间纤芯注入脑组织内的，脑组织内漫反射回来的光信号再由三包层光纤的折射率为n1的大芯经部分接收。纤端一小段自聚焦透镜光纤既能对三包层光纤中间纤芯的出射光束的扩散加以抑制，增大穿透深度，同时又能提高大芯径后向漫射光回收的集光效率，如图4和图5所示。
3.根据权利要求1所述的一种用于脑机接口的新型光纤漫射时间分辨探针系统。其特征是：所述的光发射\接收双向功能光耦合器，该双向功能光耦合器采用三包层光纤的中间纤芯作为波长分别为λ1和λ2的两个光源的注入通道，透过脑皮层和颅骨层漫射入大脑组织，而后向漫射光信号或者来自其他光纤发射源的前向漫射信号，被探测面积较大的内包层纤芯波导所接收，传送到硅基单光子探测器。于是，一方面，通过双包层光纤的同轴光发射和接收通道的空间拓扑嵌套，就实现了零间距的源-探测器光纤探针；另一方面，该光纤探针具有双向功能，因此，一对相同的光纤探针还可以彼此相互实施光发射与光接收。如图8所示。
4.根据权利要求1所述的一种用于脑机接口的新型光纤漫射时间分辨探针系统。其特征是：所述的两个光源为典型的半导体激光器，波长选择区间分别为：处于对脱氧血红蛋白(Hb)变化敏感范围的红光范围(630nm-735nm)；对氧合血红蛋白(HbO2)较为敏感的中心波长范围为(835nm-920nm)红外光，如图2所示。
5.根据权利要求1所述的一种用于脑机接口的新型光纤漫射时间分辨探针系统。其特征是：所述的同步脉冲电信号触发时间相关单光子计数器(TCSPC)系统由单光子计数器、同步信号驱动电路和时间相关单光子计数器模块组成，如图1所示，其功能为脉冲激光器产生脉冲光信号通过光纤探针的入射至待测组织，同时输出一个同步脉冲电信号触发时间相关单光子计数器(TCSPC)进行计时。组织内部收到入射光信号的激发，反射出的光信号通过光纤探针入射进单光子探测器中。当单光子探测器探测到一个光子时，会输出一个脉冲信号至时间相关单光子计数器中，使其停止计时，得到一个激光器输出脉冲光和接收到反射光信号之间的一个时间间隔。经过多个激光脉冲周期，时间相关单光子计数器会记录到一系列的时间间隔，进而可以得到与光源及反射光信号传输时间相关的光子计数(光强)分布直方图。图中横坐标为探测时间间隔，也就是光穿透组织的深度。通过对系统中的脉冲光源进行光谱切换，结合光穿透组织的深度信息，可以获得被测组织中不同截面的光谱信息用于后续数据处理和解析。
6.采用本发明所述的用于脑机接口的新型光纤漫射时间分辨探针，可构建头戴式非侵入脑机接口探测装置，并构成自探测与互探测两种典型的光信息网络。体特征是：所构造的探测基础单元为三角形结构单元，是有三个各自独立的新型光纤漫射时间分辨探针组成的，需要优化的主要参数为探针距离d和盲区时间τ0，头戴式脑机接口装置的探测光网络主要以三角单元为基础构建而成，如图9和图11所示。
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