基于全并行锁相光子计数检测模式的NIRS脑功能成像系统的制作方法

本发明属于近红外脑功能成像技术领域，具体涉及基于不同频率方波调制led编码激励的多通道、多波长锁相光子计数全并行检测模式以及基于此模式建立的nirs脑功能成像系统，同时提出了面向脑枕部视觉功能区探测的源-探布配方案。

背景技术：

后脑枕叶部(简称枕部)作为主要的视觉区是视觉刺激脑功能(简称视觉脑功能)研究的重点区域之一^[1]。对脑枕部视觉功能区的在体成像研究具有非常重要的意义：在科学研究领域，视觉脑功能成像是研究大脑认知机制的重要一环，有助于探索视觉注意和信息表达等众多未知神经机制的奥秘^[1]；临床医学领域，视觉脑功能成像可更有效地用于对诸如多动症、自闭症、阿尔兹海默症、癫痫等神经系统的疾病的病因诊断和疗效分析等^[2,3]；应用技术领域，基于视觉脑功能探测的脑机接口技术具有较其他激励方式更高的可靠性(通信精度和分辨精度)^[4,5]。

近红外光谱(nirs)成像方法使用两个以上波长的近红外光(650-900nm)，将源点和探测点在预定脑功能区内成阵列布配，由于生物组织在近红外波段的弱吸收、强散射特征，入射光可穿透头皮、头骨而达到脑皮层，并获得经颅吸收和散射共同作用后的扩散光(或漫反射光)。由于大脑的神经活动会导致周围区域氧合血红蛋白(hbo)和脱氧血红蛋白(hbr)浓度发生变化，而在近红外光测量和治疗的光学窗口，由于反映脑组织代谢和血流动力学特征的hbo和hbr正是近红外光波段内的主要吸收体，因此由应激前后漫反射光强度变化的空间分辨测量可还原出脑皮层hbo和hbr浓度变化(△chbo和△chbr)的空间分布，从而为脑科学基础研究和脑疾病诊断提供大脑皮层(负责高级的思维过程)应激响应的血氧代谢功能信息^[6-10]。nirs成像方法因其无创、深度探测、高动态性等诸多优点，是目前可用于脑功能在体测量的首选光学方法，同时它也是目前唯一可用于床边婴儿脑功能成像的方法^[6]。

以nirs为代表的脑功能测量技术将逐步发展成熟并进入临床测试应用阶段，成为现有脑成像模态(fmri、eeg、meg等)^[11]的一个极为有益的补充。现有的nirs系统有时域(time-domain，td)^[12]、频域(frequency-domain，fd)^[13]和连续光(continuous-wave，cw)^[14]三种主要的测量模式。其中td-nirs测量系统虽然具有测量信息相对完整的优势，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-nirs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-dot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。nirs方法当前普遍采用的模拟测量方式，更适合于头骨较薄的前额和头侧部的检测。头骨较厚的成人脑枕部检测对系统的灵敏度提出了更高的要求。即便采用高灵敏度的光电倍增管(pmt)和雪崩光电二极管(apd)仍无法可靠地实现成人脑枕部测量所要求的高灵敏度和大动态范围，也无法获取具有较高信噪比的测量数据。

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技术实现要素：

针对现有nirs技术的不足，本发明旨在整合光子计数的超高灵敏度和锁相检测技术的多通道并行测量优势，发展一种基于不同频率方波调制led编码激励的多通道、多波长锁相光子计数全并行检测模式并建立基于此模式的nirs脑功能成像系统，同时提出了面向脑枕部视觉功能区的源-探布配方案，有效实现枕部视觉脑功能数据获取所要求的高灵敏度、大动态范围与高时间分辨率的统一。

为了解决上述技术问题，本发明提出一种基于全并行锁相光子计数检测模式的nirs脑功能成像系统，包括源-探光纤布配阵列单元、可调制led光源单元、探测单元、现场可编程门阵列(fpga)和计算机控制及数据处理单元；所述源-探光纤布配阵列单元包括源-探光纤布配贴片、源光纤和探测光纤，源-探光纤布配贴片采用源-探点空间交叉布置的方式，源-探光纤布配贴片与20个光源点和12个探测点的位置对应，用于布配源光纤和探测光纤的位置，以实现光源从不同光源点入射和探测器从不同的探测点接收出射光；所述可调制led光源单元包括led光源模块、多通道方波信号发生器模块和20束源光纤，所述led光源模块包括60个led和led光源驱动电路，所述60个led包括20个波长为660nm的led、20个波长为780nm的led和20个波长为830nm的led；所述多通道方波信号发生器模块由fpga实现，用以输出频率为从6.2khz到18khz、且以0.2khz等间隔分布的60路方波调制信号对60个led分别进行调制；每一束源光纤由分别接通到660nm,780nm和830nm波长led的三根单模光纤通过共用一个塑料护套耦合而成；共有20束这样的源光纤将60路光源分成20束传导到20个光源点；所述探测单元包括12根探测光纤，12个pmt光子计数器和12通道×60路可变选通锁相光子计数检测模块，其中，12根探测光纤用于将所述12个探测点位置处的扩散光分别传导到所述12个pmt光子计数器；所述12个pmt光子计数器用于将接收到的光信号转化为电脉冲信号；所述12通道×60路可变选通锁相光子计数检测模块由fpga实现，其中，每通道对应所述12个探测点中的一个，每路对应所述60个led的调制光源中的一个，从而使所述fpga同时获取12个探测点处分别对应60路光源的出射光强信息，实行全并行快速测量；所述计算机控制及数据处理单元向多通道方波信号发生器模块发送频率控制字控制其产生选定频率的方波调制信号；同时，向12通道×60路可变选通锁相光子计数检测模块发送门宽控制字控制单次测量时间(累加时间)；等到测量过程结束后通过串口读取12个探测点处分别对应60路光源的出射光强信息；最后，利用扩散光学层析重建算法构建反映脑皮层光学参数变化量的空间分布图。

进一步讲，所述源-探光纤布配阵列单元中采用源-探点空间交叉布置方式布配贴片，用于确定20个光源点和12个探测点的位置；20个源点的布置方案是：按照4行5列以19mm距离等间距呈网格状布置；12个探测点的布置方案是：在每4个相邻源点的几何中心布置一个探测点；针对每个源点，将与该源点距离分别为l1＝13.4mm、l2＝30mm、l3＝40mm和l4＝46.5mm的所有探测点与该源点之间形成的通道依次定义为第一近邻通道、第二近邻通道、第三近邻通道和第四近邻通道；其中包括有44个第二近邻通道，在所有第二近邻通道的中点处均设有一采样点。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明将锁相检测技术的背景噪声抑制和多波长-多通道并行测量能力与光子计数检测的高灵敏度和大动态范围性能优势相结合，发展了一种基于不同频率方波调制led编码激励的多通道、多波长锁相光子计数全并行检测模式cw-nirs成像系统,其满足脑枕部测量所要求的时间分辨率、动态范围和灵敏度要求，可以实现对深埋在背景和系统噪声中的枕部视觉功能相关nirs信号的有效采集。假设所获得信号的信噪比需保持在大于40db，以800nm波长光为例，计算可得光子计数测量能达到的最大动态范围为92-112db(假设探测量子效率为1.0)，即可保证脑枕部nirs系统较高的测量灵敏度和大的动态范围。该系统将多通道、多波长数字锁相光子计数检测技术和优化的源-探布配模式相结合，有效地克服了一般模拟光电检测技术在源-探测器距离较大时测量信噪比不高的局限性，增大了灵敏度、测量动态范围和时间分辨率，同时系统中所用到的可调制led光源的驱动电路为自己设计制作，提高了系统的性价比，该系统在脑认知功能研究以及多动症、自闭症、阿尔兹海默症、癫痫等神经系统疾病的诊断和疗效分析等领域有着广阔的应用前景。

本发明采用多波长多通道并行激励-测量模式，测量时间分辨率只取决于光子计数的单次累加时间，便于提高系统的时间分辨率，实现多波长出射光信号的快速并行测量。本发明采用适合脑枕部视觉功能区探测的源-探布配方案以及满足测量动态范围的交叠采样nirs模式，大大提高了图像重建结果的空间分辨率。本发明采用fpga产生方波信号直接调制led光源，避免了d/a转换导致的采样信号失真，而且减小设计的难度，降低了设计的成本。

附图说明

图1.本发明中nirs脑功能成像系统的原理框图；

图2.本发明中led光源驱动电路图；

图3.本发明中源-探测光纤布配示意图；

图4.本发明中单通道-60路可变选通锁相光子计数工作原理图。

图5.本发明中成像系统工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

本发明提出的一种基于全并行锁相光子计数检测模式的nirs脑功能成像系统，包括源-探光纤布配阵列单元、可调制led光源单元、探测单元、fpga和计算机控制及数据处理单元。其原理框图如图1所示，其中：

(一)可调制led光源部分：包括可调制led光源模块、多通道方波信号调制模块、20束源光纤及电源模块。

(1)可调制led光源模块：此部分包括三种波长的半导体发光二极管led(波长分别为660nm、780nm、830nm，每种各20个，共60个)及其对应的led光源驱动电路。常用的led驱动方式有恒压驱动和恒流驱动。为了保证系统的稳定性和测量结果的可重复性，要求led的发光功率稳定。而led是温度敏感元件，伏安特性存在负温度系数，而发光功率与正向电流成正比，恒压驱动方式不能保证其光功率的稳定性。本发明中，建议采用恒流的驱动方式，为了实现对3种不同波长led的分别控制，采用了三块原理相同的驱动电路板，每一块电路板单独控制同一种波长的20路led使其正常工作，其电路原理如图2(此电路原理图为4路led驱动电路图，20路led驱动电路为在此4路驱动电路基础上的扩展)。该led驱动电路使用的器件包括运算放大器、精密并联基准电压源、场效应管、模拟开关以及不同阻值的电容和电阻。该电路使用的运算放大器lm321是一款低功耗单运算放大器，压摆率为0.4v/μs，满足该驱动电路切换速度的需要。配合该运放使用的是低功耗、低成本、低温度系数的2.5v精密并联基准电压源lm336，其起到了基准电压源缓冲和电流开关控制的双重作用。模拟开关为adi公司生产的2.5ω导通电阻、四通道单刀双掷、19ns开关时间的高速兼容ttl和cmos电平的模拟开关adg734。电源模块与驱动电路板接通时，多通道方波信号调制模块产生的方波调制信号通过控制器端输入驱动电路，在方波信号的调制下，4通道单刀双掷模拟开关实现切换，控制基准电压源与运算放大器同相放大电路相连或断开。当方波信号为高电平时，基准电压源与运算放大器同相放大电路接通，由于开环增益作用，使得位于运算放大器反馈环路内的场效应管导通，此时，运算放大器正负极电压相等，处于“虚短”状态，这将强迫电路中电流设置电阻51r上的电压刚好等于基准电压(最大为2.5v，可通过电位器调节)，此时led所处电路导通产生近红外光波信号；当方波信号为低电平时，基准电压源与电流设置电阻51r断开，并将此电阻接地，进而使led所处电路断开连接，实现了led输出与调制信号频率相同的方波光信号。同时，通过调节电位器可以调节led输出功率使其达到系统要求(1mw-10mw)。

(2)多通道方波信号发生器模块由所述fpga实现，用于输出不同频率(6.2khz到18khz、且以0.2khz等间隔分布的)60路方波调制信号分别对各个led光源进行调制，每一束源光纤由分别接通到660nm,780nm和830nm波长led的三根单模光纤通过共用一个塑料护套耦合而成；共用20束这样的源光纤将60路光源分成20束传导到20个光源点；该60路方波调制信号也作为12通道×60路可变选通锁相光子计数检测模块中锁相解调的参考信号。由于系统对频率精确度要求较高，多通道方波信号发生器模块中60种不同频率方波信号的产生是基于相位累加器的原理，由于不同频率对应不同的频率控制字k，根据频率控制字k的变化，产生所需要频率的方波信号。

(3)20束源光纤，每束源光纤为一端是三根单模光纤，另一端通过采取三根纤芯共用一个塑料护套的形式将三根单模光纤耦合为一束光纤。每3种经过调制的led光源产生的不同波长(660nm、780nm、830nm)的近红外方波光信号经由源光纤输出，作用到源-探光纤布配贴片的源点上。

(4)电源模块：用于整个光源部分的供电(其输出电压为5v)。

(二)源-探光纤布配阵列部分：包括源-探光纤布配贴片、20束源光纤和12根探测光纤。源-探光纤布配阵列是采用面向脑枕部视觉功能区探测的源-探布配方案(如图3)，它采用源-探点空间交叉布置的方式，排布20个源点和12个探测点在被测组织体表面的位置用于布配源光纤和探测光纤的位置，20个源点的布置方案是按照4行5列以19mm距离等间距呈网格状布置，12个探测点的布置方案是：在每4个相邻源点的几何中心布置一个探测点，从而实现光源从不同源点入射和探测器从不同的探测点接收出射光。

20束源光纤一端与光源系统led相连，另一端与源-探光纤布配贴片的20个不同的源点相连，用于传导照射到组织体表面不同源位置的入射光；12根探测光纤的一端与源-探光纤布配贴片的12个探测点相连，另一端分别与探测部分的12个pmt光子计数器对应相连，用于传导由组织体表面不同探测位置出射的漫反射光。针对每个源点，将与该源点距离分别为l1＝13.4mm、l2＝30mm、l3＝40mm和l4＝46.5mm的所有探测点与该源点之间形成的通道依次定义为第一近邻通道、第二近邻通道、第三近邻通道和第四近邻通道；共计包括有44个第二近邻通道，在所有第二近邻通道的中点处均设有一采样点。第一近邻通道(nn1)信号主要对头皮层敏感，将用于头皮层干扰信号的抑制；第二近邻采样通道(nn2)探测深度可达脑皮层，将用于获取44个采样点(见图3)功能成像数据。对于nirs测量，假设探测nn1通道测量时达到最大可探测光强(满足单光子计数条件)，则依据光子计数模式最小92db的动态范围，最大探测距离可达到>50mm。因此nirs测量将采用所有源-探距离小于60mm的采样通道(nn1-nn4)数据，其中nn1通道的短距采样数据仅用于抑制头皮层等背景干扰。

(三)探测单元部分：包括12根探测光纤，12个pmt光子计数器和12通道×60路可变选通锁相光子计数检测模块及电源模块。

(1)pmt光子计数器：pmt具有单光子计数的功能，其工作在单光子计数状态，12个pmt分别与12根探测光纤对应连接，将接收到的出射光转换为电脉冲信号，便于下一步的处理。

(2)探测光纤：共有12根探测光纤，12根探测光纤接收由组织体表面从所述12个探测点位置处出射的扩散光并将其传导到所述12个pmt光子计数器中。

(3)12通道×60路可变选通锁相光子计数检测模块：其中的每通道对应所述12个探测点中的一个探测点，每路对应所述60个led的调制光源中的一个，12通道×60路可变选通锁相光子计数检测模块将采集到的信号进行数字锁相解调，将来自不同频率调制下不同波长的混合光源信号进行分离提取，得到每种调制频率下光源对应的出射光强信息，该模块包括数字参考信号接收模块和数字锁相解调模块，针对单个pmt锁相光子计数通道，锁相光子计数的实现过程如图4，由于每个pmt锁相光子计数通道接收到的为60种频率调制下的混合光源信号，为解调混合调制信号，每个锁相光子计数通道需并行设计60路数字相敏检测器(psd)子模块，其接收多通道方波信号发生器模块产生的60种不同频率的同相和正交数字参考信号并各自分配给60路数字相敏检测器(psd)子模块，并将其锁存，分别与60个调制频率对应。数字锁相检测器每检测到一个pmt电脉冲信号的上升沿，就对计数门宽信号和参考信号进行判断；若门宽信号和参考信号都为高电平，则累加器加1；若门宽信号为高电平而参考信号为低电平，则累加器减1。单次累加时间(门宽信号高电平持续时长)内，根据vs×vr＝|i|+|q|(vr＝1)，可得与该参考信号频率相同的调制光与脑组织作用后出射的光强信息。基于fpga的并行工作特性，12通道×60路可变选通锁相光子计数检测模块可以同时获取12个探测点处分别对应60路光源的出射光强信息，即可实现全并行快速测量。

(4)电源模块：用于pmt光子计数器的供电(其输出电压为5v)。

(四)计算机控制和数据处理部分：采用rs-232串口通过labview可视化编程软件实现计算机与fpga的双向通信：所述计算机控制及数据处理单元向多通道方波信号发生器模块发送频率控制字控制其产生60中不同选定频率的方波调制信号；同时，向12通道×60路可变选通锁相光子计数检测模块发送门宽控制字控制单次测量时间(累加器累加时间)；等到测量过程结束后通过串口读取暂存在fpga内部的12个探测点处分别对应60路光源的出射光强信息。最后，利用扩散光学层析重建算法结合所测得的组织体边界光流量构建反映脑皮层光学参数变化量空间分布的图像。

测量实例：在人脑处于静息和任务状态时候时，分别用本发明系统测得各源探组合下出射光强信息并且用之重建反映脑皮层光学参数变化量的空间分布图的过程如图5所示：

(1)通信测试：测试计算机和fpga之间的串口双向通信是否正常；

(2)调制信号生成：计算机通过串口向fpga发送控制字，fpga内部实现的多通道方波信号发生器生成以0.2khz等间隔的6.2～18khz共60路方波调制信号；另外，这60路方波调制信号也用作检测模块中的参考信号。

(3)对led进行方波调制：对20个660nm的led、20个波长为780nm的led和20个波长为830nm的共60个led分别用60路不同频率的调制信号进行调制。

(4)源光纤传导：20束源光纤将60路光源分成20组混合光源传导到源-探布配阵列上的20个光源点处。

(5)探测光纤传导：从源-探布配阵列上的12个探测点处接收的组织体出射的扩散光经由12根探测光纤分别传导到12个pmt光子计数器中。

(6)光电转换：pmt光子计数器对接收的微弱光信号进行光电转换，逐级放大，电路整形最终输出规则的方波电脉冲信号。

(7)方波电脉冲上升沿检测以及信号解调：fpga利用“消抖法“对pmt光子计数器输出的电脉冲信号进行上升沿精准检测。在fpga内部实现的12通道×60路可变选通锁相光子计数检测模块对混合调制光进行解调，得到12个探测点处分别对应60个光源的出射光强信息。

(8)数据传输：12通道×60路可变选通锁相光子计数检测模块中所测得的数据通过串口传输到计算机中储存。

(9)数据处理：对处于静息和任务状态的人脑分别重复以上过程测得各源探组合下的出射光强信息，结合扩散光学层析重建算法对人脑的光学参数变化量进行重建，从而重建反映脑皮层光学参数变化量的空间分布图。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。