[发明专利]一种基于部分光子路径长度计算含氧血红蛋白浓度的方法

说明书

本发明涉及一种基于部分光子路径长度计算含氧血红蛋白浓度的方法，包括下列步骤：1)近红外信号采集；2)构建大脑不同组织层的部分光子路径长度模型；3)含氧血红蛋白HbO的浓度变化的求解。

技术领域

本发明属于功能近红外脑功能成像数据处理技术领域，具体涉及一种基于部分光子路径长度计算含氧血红蛋白(HbO)浓度的新方法。

背景技术

功能近红外光谱(functional near-infrared spectroscopy,fNIRS)是一种非侵入式的脑功能成像技术。由于生物组织对不同波长(650-950nm)的近红外光的吸收存在差异，因此可以通过不同组织对光吸收的差异来表征大脑的活动状态。但近红外脑功能成像系统采集到的光学数据并不能直接反映被试在任务期间的大脑活动情况。因此需要对采集到的光强度数据进行转换以获取到反映血液动力学参数(含氧血红蛋白浓度)变化。然后根据处理的得到的含氧血红蛋白浓度的变化，重建得到大脑的激活图像。在现阶段fNIRS的研究中，主要运用Delpy等人修正的Beer-Lambert定律(Modified Beer–Lambert Law，MBLL)来描述近红外光强度在生物组织等中传播时的衰减[1]。用I_in(t,λ)表示光源发射的光强度，I_out(t,λ)表示探测器接收的光强度，则两者之间的关系如下：

其中，λ为光的波长(单位；nm)；μ_a(t,λ)为吸收系数；DPF(λ)(无单位)为微分路径长度系数，其值为常数[2]；d为光源和探测器之间的距离(单位:mm)；G(λ)为与散射相关的未知的参数，通常假设G(λ)的值不随时间变化。则t时刻的光密度(optical density, OD，无单位)可表示为：

其中，i表示测量通道，由源和探测器间的配对形成。相对于初始时刻t₀，t₀时刻到t₁时刻i 通道光密度大小变化为：

ΔODⁱ(t,λ)＝ODⁱ(t₁,λ)-ODⁱ(t₀,λ)＝Δμ_a(t,λ)×DPF(λ)×dⁱ, (3)

其中，

ε_HbO(λ)和ε_HbR(λ)为含氧血红蛋白(HbO)和脱氧血红蛋白(HbR)在波长为λ时的消光系数 (单位：mM^-1cm^-1)，ε_HbO(λ)和ε_HbR(λ)的值可从文献中获得[3]。和表示t₀时刻到t₁时刻内含氧血红蛋白HbO和脱氧血红蛋白HbR的浓度变化量。将方程(3)和 (4)扩展到两个波长λ₁，λ₂时，可得到含氧血红蛋白HbO和脱氧血红蛋白HbR从t₀时刻到t₁时刻浓度变化为：

通过方程(5)可计算出含氧血红蛋白HbO浓度变化，进而重建大脑激活图像。