TW201406346A - 大腦體積量測系統 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種大腦體積量測系統，係利用光線通過大腦時，大腦結構的不同影響光學訊號在大腦中的分佈情形來進行造影與量化分析，上述之該大腦體積量測系統至少包含一光學裝置及一評估置；其中該光學裝置進一步包含至少一光學探頭與複數個檢測器，用以發射及接收光線並得到一第一光學訊號，再經由該評估裝置處理該第一光學訊號以得到一第二光學訊號，以測量受測者的大腦體積。

Description

大腦體積量測系統

本發明係有關於一種大腦體積量測系統，尤其是一種利用近紅外光擴散光譜造影技術來分析並觀察大腦體積結構性變化之大腦體積量測系統。

大腦萎縮，是一種不可逆的腦部病變，主要會對於人類的認知與記憶功能造成相當大的影響，產生諸如：輕度知能障礙、阿茲海默症、多發性硬化症、精神分裂症、酒精中毒與失智症等。大腦萎縮的病理機制主要牽涉了大腦中漸進式地生化以及結構上的改變，這些改變剛開始發生於細胞以及突觸階段，最後將會導致神經元死亡進而造成神經細胞的損失以及大腦灰質與白質組織的萎縮。而且，這些在大腦皮層與皮層下區域的神經與突觸的損失將會導致受影響區域嚴重萎縮，其包含：顳葉、頂葉、海馬迴與額葉的退化等。

基本上，引起大腦萎縮的原因很多，如：顱腦外傷、腦栓塞、腦膜炎、腦血管畸形、腦部腫瘤、癲癇、長期飲酒、營養不良、甲狀旁腺功能低下、腦發育不良、濫用鎮靜藥、煤氣中毒、酒精中毒、化學藥品中毒等均可導致腦萎縮。大腦萎縮的臨床表現分早期，中期和晚期三個階段。最常見的早期症狀是記憶力減退，思維能力下降。接著，中期症狀為記憶力明顯下降，近期事遺忘尤為嚴重，同時也表現出遠事遺忘，開始有明顯認知功能障礙的情形。最後，晚期階段的病人明顯呆傻，行走明顯困難，需要攙扶，常臥床不起或呆在座椅中，各種定向能力均喪失。因此，如前文所述，大腦萎縮不僅是一種不可逆的病變，且其為漸進式，故大腦體積的變化變成一個臨床上極為重要的觀察指標。

神經造影及相關的分析研究為一種準確、再現性高且定量的評估方法，近來益發受到重視而被廣泛被應用在觀察大腦體積機構上的變化。目前一些比較先進的儀器可用於鑑別大腦區域萎縮特性的型態，並藉由這些型態去探討是否可以幫助預測輕度認知障礙患者認知能力 的衰退及其大腦萎縮的體積結構性改變，如：核磁共振造影(MRI)、電腦斷層掃瞄(CT)或正子斷層造影(PET)。

然而，由於大腦萎縮多半發生於老年人身上，但以核磁共振造影的例子來說，由於儀器體積過大，此技術卻受限於空間因素而無法任意搬動往往導致病患無法輕易進行量測、無法即時造影等問題，自然也就不可能針對病變的狀況進行長期監測。再者，患有幽閉症的病患也無法使用此技術來進行量測。

目前舊有的近紅外擴散光學技術可以用來偵測腦部相關之功能性神經活動情形，主要透過使用在近紅外光範圍內不同波長的光線針對含氧血紅素與缺氧血紅素不同的吸收係數進行演算進而可以得到隨著大腦活動而產生不同的血氧濃度。來針對腦部的組織血氧變化做即時量測。然而，目前沒有任何研究使用光學造影技術來針對大腦萎縮的體積結構性變化的測量。

有鑑於此，本發明提供一種大腦體積量測系統，用以測量受測者的大腦體積變化。進一步來說，大腦萎縮將會造成大腦體積結構改變，最明顯的萎縮現象就是灰質與白質的減少，而且灰質與白質的減少會造成大腦中腦脊髓液的體積增加。基本上，由於腦脊髓液的低散射與低吸收的光學特性，使其在大腦中形成導光效率很好的光通道效應，配合上大腦萎縮的不對稱性以及光通道的擴大，便可利用近紅外光線透過大腦結構改變影響光學訊號在大腦中的分佈情形來進行造影與量化分析。

為達上述之目的，本發明之大腦體積量測系統至少包含：一光學裝置及一評估置。其中，該光學裝置進一步包含至少一光學探頭與複數個檢測器，而該光學探頭發出一光線，並由該複數個檢測器接收複數個散射光子；其中，該光學探頭平貼於該受測者頭部之光線射入位置使該光線射入受測者頭部，利用該光線通過該受測者大腦時，因大腦結構的不同影響光學訊號在大腦中的分佈，再利用該複數個檢測器置於該受測者頭部之複數個光線接收位置，用以接收複數個散射光子以得到一第一光學訊號，並經由該評估裝置處理該第一光學訊號以得 到一第二光學訊號。

在本發明之一實施例中，其中該受測者頭部之該光線射入位置與該複數個光線接收位置，係排列於受測者頭部之一橫狀切面、一矢狀切面或一冠狀切面上，且各位置互相不重疊；當該光線射入位置與該複數個光線接收位置分佈於橫狀切面或矢狀切面上時，該光線射入位置位於受測者額頭中央並距其頭頂6公分深度處。而當該光線射入位置與該複數個光線接收位置分佈於冠狀切面時，該光線射入位置位於受測者頭頂中間；上述該光線射入位置與該複數個光線接收位置的距離分別為1至5公分。

在本發明之一實施例中，其中光學裝置更包含一訊號處理電路，用以放大及濾波處理第一光學訊號。而上述大腦體積量測系統更包含至少一傳輸裝置，此傳輸裝置介設於光學裝置與評估裝置之間，用以將第一光學訊號擷取至評估裝置。較佳地，傳輸裝置為一數據擷取卡、一數位類比轉換器、一類比數位轉換器或一單晶片。

在本發明之一實施例中，其中光學探頭所發射之光線為單波段或多波段之一近紅外光線。較佳的，光學探頭可為一m×n陣列式光學探頭，此時第一光學訊號為一大腦光學陣列式訊號，評估裝置係利用一m×n多點式大腦體積量測演算法來處理第一光學訊號，此時第二光學訊號為一大腦體積光學訊號。另外，評估裝置可用以進一步比對第二光學訊號與一資料庫中之不同病理分類之複數個大腦結構退化程度以得出一結果。其中，上述資料庫包含有複數個病理分類，且每一病理分類分別包含有複數個不同之大腦結構退化程度，係依照不同臨床病理的統計進行大腦結構退化程度分級而建立該資料庫。據此，資料庫比對流程為：首先，將第二光學訊號分類至資料庫之該些病理分類之其中一者。接著，判斷第二光學訊號是否符合該些病理分類之其中一者的一臨界值，若是，受測者具有一大腦結構異常狀況。隨後，再比對上述大腦結構異常狀況與該些大腦結構退化程度以得到一結果，將此結果對應於該些大腦結構退化程度之其中一者，且該資料庫會持續累積檢測結果來進行系統更新。

在本發明之一實施例中，其中該大腦體積量測系統可同時測得大腦血氧濃度訊號。可依含氧血紅素與缺氧血紅素不同的吸收係數進行 演算進，並呈現該大腦皮質血氧濃度變化影像。

在本發明之一實施例中，其中評估裝置更可用以建置該受測者之一大腦組織模型。係透過一蒙地卡羅方法結合第一光學訊號與受測者頭部之一核磁共振影像以建構一大腦組織模型。較佳的，其中該評估裝置可包含一顯示單元，用以即時顯示上述各量測結果。而該評估裝置為可程式控制之一電腦或一單晶片微處理裝置。

故，本發明所揭露之大腦體積量測系統，可即時輸出三個切面因大腦萎縮造成大腦結構性改變而呈現出不同光衰減訊號以及影像，可應用在腦造影與腦神經臨床領域，可幫助了解大腦萎縮的體積結構性變化，並結合資料庫比對進行大腦結構退化程度分級，此外，本發明同時可測得大腦血氧濃度，結合大腦結構上及功能上的測量。

由下文的說明，可更進一步瞭解本創作的特徵及其優點，閱讀時請參考第一圖至第五圖。

近來，由於近紅外擴散光譜造影技術具有非侵入性、價格較便宜、非游離輻射、可長時間監控、不受空間限制以及簡易操作等優點，而逐漸成為受到重視的量測技術。因此，有鑑於習知技術所遭遇的問題，本發明提供一種利用近紅外光擴散光譜造影技術對大腦萎縮所造成的體積結構性改變進而影響光在大腦中分佈的特性來對大腦的萎縮程度進行造影與量化分析。然而，由於生物組織對於近紅外光具有高散射的特性，因此光的能量將隨著光在生物組織中行走的距離產生嚴重的衰減，這樣的效應自然也會嚴重地影響光在組織中能行走的深度。不過，即使近紅外光在大腦組織中大約只可到達三公分的深度，此距離也已經足夠使本發明量測到大腦皮質活動以及大腦萎縮所造成的體積結構變化。

首先，請搭配參考第一圖與第二圖，其中第一圖顯示本發明一實施例之大腦體積量測系統架構示意圖，第二圖顯示本發明一實施例之大腦體積量測系統實施流程圖。如第一圖所示，本發明所提供之大腦體積量測系統係用以量測受測者1的大腦體積結構變化。其中，此系統100至少包含一光學裝置2與一評估裝置3。光學裝置2包含一光源 21、一光學探頭22與複數個檢測器23(為求圖示簡單明瞭，第一圖中之檢測器23僅以一個示意，合先敘明)。較佳地，光源21為單波段或多波段之一近紅外光源，雖未圖示，但光源21更可包含使用任何可發出近紅外光之發光元件，例如雷射、LED。較佳地，光學探頭22為單組或多組m×n陣列式探頭，其包含全光纖探頭以及非光纖探頭，並包含使用半導體雷射等任何可以發射、傳導光子之電子元件。較佳地，檢測器23可為光偵測器與光感應器等任何可接收光學訊號之電子元件。另外，光學裝置2更可包含一訊號處理電路24，用以進一步放大、濾波處理由檢測器23接收到的訊號。

至於評估裝置3則可為可程式控制之一電腦或一單晶片微處理裝置，但本發明並不欲以上述任一實施例為限。另外，此系統100更包含至少一傳輸裝置4，傳輸裝置4介設於光學裝置2與評估裝置3之間，用以將訊號由評估裝置2送出以驅動光學裝置2，或將光學裝置2送出的訊號擷取至評估裝置3處理。較佳地，傳輸裝置4可為一數據擷取卡、一數位類比轉換器、一類比數位轉換器或一單晶片，但本發明並不欲以此為限。

接著，將以第一圖中所示之系統架構圖詳細說明本發明所提供之大腦體積量測系統之實施方式。首先，提供一光源S200，如前文所述，此處所指之光源即為光學裝置2之光源21。接著，將光學探頭22緊貼於受測者1頭部之光線射入位置I，此時光源發出的光線便會經由光學探頭22自受測者1頭部之光線射入位置射入頭內S201。而複數個檢測器23則分別設置於受測者1頭部之複數個光線接收位置R用以接收複數個散射光子以得到一第一光學訊號S202。最後，在傳輸裝置4接收第一光學訊號並將其傳送至評估裝置3後，便由評估裝置3處理第一光學訊號以得到一第二光學訊號S203。由於光學探頭為一m×n陣列式光學探頭，第一光學訊號較佳地為一大腦光學陣列式訊號，另外評估裝置3係利用一m×n多點式大腦體積量測演算法來處理第一光學訊號，而第二光學訊號為一大腦體積光學訊號。

接著，請參考第三A至三B圖，第三A至三B圖顯示本發明一實施例中光線射入位置與檢測器的分佈位置示意圖。簡言之，本發明係利用不同之光線射入位置與檢測器間的距離來擷取光衰減訊號造影， 也就是說光源透過光學探頭使其發出之光線射入受測者頭部，而光學探頭所在的光線射入位置與複數個檢測器所在的複數個光線接收位置可分佈於頭部之一橫狀切面T1、一矢狀切面T2或一冠狀切面T3上。

如第三A圖所示，圓形標記I即代表光學探頭所在位置(也就是光線射入頭部的位置，或稱光線射入位置)，而由於檢測器為複數個，故星星標記R亦為多個且其所在之複數個光線接收位置彼此是不重疊的。較佳地，當上述光線射入位置(圓形標記I)與上述複數個光線接收位置(星星標記R)分佈於橫狀切面T1或矢狀切面T2上時，光線射入位置位於受測者額頭中央並距其頭頂6公分深度處，且光線射入位置與複數個光線接收位置的距離分別為1至5公分，也就是前文所提之：光線與複數個檢測器具有複數個間距，且該些間距彼此相異。在另外一個實施例中，如第三B圖所示，當光線射入位置與複數個光線接收位置分佈於冠狀切面T3時，第一位置位於受測者頭頂中間，且第一位置與該些第二位置的距離分別為1至5公分。

請繼續參考第二圖，本發明所提供之大腦體積量測系統實施流程圖更包含下列步驟：經由檢測器陸陸續續接收到的第一光學訊號，並將該些第一光學訊號傳送至評估裝置處理而得到複數個第二光學訊號後，評估裝置可以透過目前臨床已知的診斷與大腦結構醫學影像資訊(如核磁共振與電腦斷層掃描)進行大量資料蒐集，並與上述陸陸續續量測而得之第二光學訊號相比對而形成複數個不同的病理分類。亦即，經由本發明之第二光學訊號便可進行不同病理之不同大腦體積的分類S300。

在步驟S300之後，進一步依照不同的病理分類透過統計方法分別建立複數個光學大腦結構退化程度分級S301。也就是說，各種疾病可依據不同大腦體積而區分為複數種病理分類，每一個病理分類中又可以區分為不同程度等級的癥狀，例如：萎縮的嚴重程度等。最後，將上述病理分類及其中所包含之複數個大腦結構退化程度整理而建置一資料庫S302。

據此，本發明所提供之大腦體積量測系統實施流程更包含下列步驟：首先，將第二光學訊號分類至資料庫之該些病理分類之其中一者S204。接著，判斷第二光學訊號是否符合該些病理分類之其中一者的 一臨界值S205，若否，則判定受測者正常S206。反之，若是，則判定受測者具有一大腦結構異常狀況S207。

緊接著，比對上述所建置的資料庫，確認受測者的狀況係屬於此病理分類中哪一等級的大腦結構退化程度S208以得到一結果，此時上述結果自應對應於上述複數個大腦結構退化程度之其中一者。最後，顯示上述結果S209。由此可知，雖未圖示，評估裝置可進一步設置有一顯示單元以顯示上述結果，然而本發明並不欲以此為限，外接一顯示單元亦無不可。

請參考第四A、四B、五A至五C圖，第四A圖顯示本發明一實施例中正常受測者受測後之擴散光學影像，第四B圖顯示本發明一實施例中大腦萎縮病患受測後之擴散光學影像，第五A至五C圖則分別顯示本發明一實施例中於頭部三個切面上光線射入位置-檢測器間距與光強度的關係圖。原則上，第四A與四B圖中的大腦組織模型可透過一蒙地卡羅方法結合第一光學訊號與受測者頭部之一核磁共振影像來完成。由第四A與四B圖可以清楚觀察出大腦萎縮造成灰質、白質以及腦脊髓液的體積改變的確會對光強度訊號產生顯著的影響。

另外，如第五A至五C圖所示，圖中之橫軸代表光線射入位置與複數個檢測器的間距為1至5公分，縱軸則為光強度，L1為一正常受測者之量測結果，而L2則為一患有阿茲海默症之病患的量測結果，由三個切面的數據分析便可以判斷出大腦萎縮造成結構改變影響光強度的變化趨勢。其中，由矢狀切面結果顯示由於大腦萎縮的不對稱性造成光強度影像的劇烈變化。然而由冠狀切面結果顯示由於大腦萎縮造成灰質與白質體積的減小以及腦脊髓液的體積增加，此腦脊髓液光導效應在萎縮病患的訊號上呈現較平穩的衰減，相對在正常受測者的量測結果中由於灰質與白質體積較大而對光訊號產生多重的散射與吸收作用，破壞光傳播路徑導致光強度衰減呈現劇烈變化。透過對影像的呈現不僅有助於了解大腦萎縮的結構性差異，並可透過光強度訊號波形分析將測得的數據分類，藉此亦可作為臨床醫護人員診斷大腦萎縮程度疾病類型的參考指標，甚至更進一步瞭解治療的有效程度。

綜上所述，本發明是透過光學技術量測大腦的體積結構變化，目前並沒有任何研究或產品是透過光學技術來量測大腦的體積結構性變 化，而且因為光學技術不受量測空間與時間之限制，醫生透過手持式探頭，在門診時便可直接對病患做即時的量測來輔助診斷，完全以病患為導。另外，由於光學技術設備可製作成可攜式量測系統，因此對於居家照護方面可提供病患的長時間監控數據來幫助醫師做長期的追蹤與診斷，也可以針對病患的治療過程做長時間的療效評估。

再者，光學設備技術轉移門檻與製作成本相對較低，業界可以非常容易的量產，加上全世界都將邁入老年化社會，對於居家照護或長時間的病情追蹤都提供產業界非常大的市場導向。因此，不論是提供醫師方便、即時的量測數據來幫助診斷或是佈局龐大的居家照護市場，上述這些光學診斷設備的優點都是傳統核磁共振技術或正子斷層造影技術所無法辦到的。

上列詳細說明係針對本發明之一可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本發明之專利範圍中。

100‧‧‧大腦系統量測系統

1‧‧‧受測者

2‧‧‧光學裝置

21‧‧‧光源

22‧‧‧光學探頭

23‧‧‧檢測器

24‧‧‧訊號處理電路

3‧‧‧評估裝置

4‧‧‧傳輸裝置

T1‧‧‧橫狀切面

T2‧‧‧矢狀切面

T3‧‧‧冠狀切面

L1‧‧‧正常受測者之量測結果

L2‧‧‧患有阿茲海默症之受測者的量測結果正常受測者之量測結果

R‧‧‧光線接收位置

I‧‧‧光線射入位置

S200~S209、S300~S302‧‧‧本發明之系統實施步驟

第一圖顯示本發明一實施例之大腦體積量測系統架構示意圖；第二圖顯示本發明一實施例之大腦體積量測系統實施流程圖；第三A至三B圖顯示本發明一實施例中光線射入位置與檢測器的分佈位置示意圖；第四A圖顯示本發明一實施例中正常受測者受測後之擴散光學影像；第四B圖顯示本發明一實施例中大腦萎縮病患受測後之擴散光學影像；以及第五A至五C圖分別顯示本發明一實施例中於頭部三個切面上光線射入位置-檢測器間距與光強度的關係圖。

100‧‧‧大腦系統量測系統

1‧‧‧受測者

2‧‧‧光學裝置

21‧‧‧光源

22‧‧‧光學探頭

23‧‧‧檢測器

24‧‧‧訊號處理電路

3‧‧‧評估裝置

4‧‧‧傳輸裝置

Claims (15)

1. 一種大腦體積量測系統，用以量測一受測者的大腦體積，包含：一光學裝置，包含：至少一光學探頭，發出至少一光線；複數個檢測器，接收複數個散射光子；其中，該光學探頭平貼於該受測者頭部使該光線射入受測者頭部，利用該光線通過該受測者大腦時，因大腦結構的不同影響光學訊號在大腦中的分佈，再利用該複數個檢測器置於該受測者頭部用以接收複數個散射光子以得到一第一光學訊號；以及一評估裝置，用以處理該第一光學訊號以得到一第二光學訊號。
2. 如申請專利範圍第1項所述之大腦體積量測系統，其中該光學探頭置於該受測者頭部之該光線射入位置，與該複數個檢測器置於該受測者頭部該複數個光線接收位置，該光線射入位置與該光線接收位置排列於受測者頭部之一橫狀切面、一矢狀切面或一冠狀切面上，且各位置互相不重疊。
3. 如申請專利範圍第1項所述之大腦體積量測系統，其中該光學裝置更包含一訊號處理電路，用以放大及濾波處理該第一光學訊號。
4. 如申請專利範圍第1項所述之大腦體積量測系統，更包含：至少一傳輸裝置，介設於該光學裝置與該評估裝置之間，用以將該第一光學訊號擷取至該評估裝置。
5. 如申請專利範圍第4項所述之大腦體積量測系統，其中該傳輸裝置為一數據擷取卡、一數位類比轉換器、一類比數位轉換器或一單晶片。
6. 如申請專利範圍第1項所述之大腦體積量測系統，其中該光線為單波段或多波段之一近紅外光線。
7. 如申請專利範圍第1項所述之大腦體積量測系統，其中該光學探頭為一m×n陣列式光學探頭，此時該第一光學訊號為一大腦光學陣列式訊號。
8. 如申請專利範圍第1項所述之大腦體積量測系統，其中該評估裝置係利用一m×n多點式大腦體積量測演算法來處理該第一光學訊號，此時該第二光學訊號為一大腦體積光學訊號。
9. 如申請專利範圍第8項所述之大腦體積量測系統，其中該評估裝置包含一資料庫，可比對該第二光學訊號與該資料庫中不同之病理分類，得到一大腦結構退化程度分級結果。
10. 如申請專利範圍第9項所述之大腦體積量測系統，其中該資料庫係依照不同臨床病理的統計，進行大腦結構退化程度分級並建立該資料庫，且該資料庫會持續累積檢測結果來進行系統更新。
11. 如申請專利範圍第8項所述之大腦體積量測系統，其中該評估裝置更可用以建置該受測者之一大腦組織模型。
12. 如申請專利範圍第1項所述之大腦體積量測系統，其中該大腦體積量測系統可同時測得大腦皮質血氧濃度訊號。
13. 如申請專利範圍第12項所述之大腦體積量測系統，其中該評估裝置可依含氧血紅素與缺氧血紅素不同的吸收係數進行演算進，並呈現該大腦皮質血氧濃度變化影像。
14. 如申請專利範圍第1項所述之大腦體積量測系統，其中該評估裝置更包含一顯示單元，用以即時顯示各量測結果。
15. 如申請專利範圍第1項所述之大腦體積量測系統，其中該評估裝置為可程式控制之一電腦或一單晶片微處理裝置。