[发明专利]基于数字锁相检测技术的光学拓扑成像系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于近红外组织光学成像领域，具体涉及基于数字锁相检测技术的光学拓扑成像系统。

背景技术

由于大脑的神经活动对周围区域的血红蛋白浓度有很大的影响，而在近红外光测量和治疗的光学窗口(600nm-900nm)，脑组织对光的吸收主要依赖于血红蛋白，从而可以通过对大脑皮层相应功能区采用该波段的多个波长点进行光谱测量，来获得氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度变化图[1]。以此来定量获取神经相关功能和生理信息，可实现提高神经系统疾病的诊断特异性和灵敏度。

近十年来，由近红外组织光谱技术(Near Infrared SpectroscopyNIRS)发展而来的光学拓扑成像(Optical Topography，OT)作为一种新兴的完全无损活体成像技术，在人类大脑皮层功能成像方面显示出其特定的优越性[2]。该成像技术基于组织体的近红外“窗口效应”，采用反射扩散光测量方式，根据大脑的外形来合理布局测量点，可有效克服了采用近红外光在实现脑组织功能测量时低的透射能力的缺点，实现脑皮层功能相关血氧变化空间分辨测量。近年来，OT的研究重点已从追求高空间分辨转向大脑皮层的高动态定量成像方面，以期准确获取大脑功能区神经系统应激响应模式和功能信息[3]。以OT为代表的脑功能光学测量技术正在逐渐发展成熟并进入正式临床应用阶段，成为现有脑成像模态(fMRI、EEG、MEG等)[4]的一个极为有益的补充。OT系统有时域(Time-Domain，TD)[5-7]、频域分辨(Frequency-Domain，FD)[8]和连续光(Continuous-Wave，CW)[9-10]三种主要测量模式。

TD-OT系统虽然具有测量信息相对完整，但是其系统价格昂贵、测量时间长，难以在小型实验室中进行普及和测量神经快变信号。FD-OT系统一般需要200MHz以上的高频调制以实现相移测量所需的合理信噪比，实现难度较大，单频测量提供的信息有限，而多频测量系统性价比与时域测量相比不占优势。因此，CW系统是脑功能光学成像的主流技术。目前，国内外的科学工作者在CW-OT技术系统和基础研究领域做了大量的工作，也取得了诸多成果，所发展的实用系统或者采用高灵敏的光子探测器件，如光电倍增管(PMT)和雪崩光电二极管(APD)，价格昂贵；或者采用普通的光电二极管模拟测量方式，测量信噪比不高，探测面积受到很大限制。

参考文献

[1]Hiroshi Kawaguchi，Tatsuya Koyama，Eiji Okada，Virtual Head Phantom for Evaluation of Near Infrared Topography，Lasers and Electro-Optics Society(2006).

[2]徐可欣，高峰，赵会娟，生物医学光子学(第二版)，北京：科学出版社(2011).

[3]Joseph M.Lasker，James M.Masciotti，and Matthew Schoenecker，Christoph H.Schmitz，Andreas H.Hielscher，Digital-signal-processor based dynamic imaging system for optical tomography.Review of Scientific Instruments 78，083706(2007).

[4]Hideaki Koizumi，Atsushi Maki，Tsuyoshi Yamamoto，Hiroki Sato，Yukari Yamamoto，Hideo Kawaguchi，Non-invasive brain-function imagmg by optical topography，Trends in Analytical Chemistry，Vol.24，No.2(2005).

[5]M.S.Patterson，B.Chance and B.C.Wilson，Time resolved reflectance and transmittance for the noninvasive measurement of tissue optical properties，Appl.Opt.，28，2331-2336(1989).

[6]许棠一，张春平，王新宇等，时问分辨反射确定生物组织光学参数的研究，光电子·激光，15(1)：108-112(2004).