一种快速测量生物组织血流量的近红外扩散相关谱仪的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及生物医学设备领域，具体涉及一种快速测量生物组织血流量的近红外 扩散相关谱仪。
【背景技术】
[0002] 近红外光是600nm-1000nm的光谱段，这段光谱在生物组织中有非常强的穿 透性，称为生物组织的光学窗口。目前，基于这段光谱发展起来的近红外扩散光学谱 技术(Diffuse Optical Spectroscopy(DOS)，Near-infrared Spectroscopy (NIRS)， Functional Near-infrared Spectroscopy (fNIRS))和近红外扩散相关光谱技术（Diffuse Correlation Spectroscopy, DCS)已经广泛应用于卒中、脑创伤、脑功能成像、癌症的诊断 以及肌肉疾病的医学研究。
[0003] 近红外扩散相关谱仪提供了一种用于深层生物组织的局部血流量测量的新技术， 通过近红外光在生物组织中多次散射后光强的起伏来获得血流量。在近红外扩散相关谱仪 中，最重要的部分是计算归一化的光强互相关。传统的近红外扩散相关谱仪采用商用的硬 件相关器来计算计算归一化光强 [1 4]，例如ALV(德国）和Correlators, com(美国）。传统 的硬件相关器价格较贵，且时间分辨率低，大约在Is左右。为了克服硬件相关器时间分辨 率低的问题，Dietsche等 [5]利用32个雪崩光电二极管（APD)和32通道的商用硬件相关器 来观测血流量中的心跳信号。
[0004] 由于商用的硬件相关器价格较贵，且不灵活，一些研究者试图利用软件相关器来 替代硬件相关器。2001年，D. Magatti等[6]开发用于测量微粒运动的软件相关器，软件相 关器的原理基于模仿硬件相关器，但是时间分辨率只有5-10s。2012年，J Dong等m开发 了用于测量生物组织血流量的软件相关器，软件相关器的原理基于快速傅里叶变换，时间 分辨率为Is。但是基于傅里叶变换的特性，延迟时间是均匀分布的，很难覆盖大范围的时间 尺度。另外延迟时间也不能够灵活设置。由此可见，现有的基于软件的相关器时间分辨率 在s量级以上；硬件相关器虽然能够实现ms量级测量，但是仪器复杂。另外现有的相关器 的延迟时间以及时间分辨率均不能灵活设置。
[0005] [1] . T. Durduran, G. Yu, M. G. Burnett, J. A. Detre, J. H. Greenberg, J. Wang, C. Zhou, and A.G. Yodh，"Diffuse optical measurement of blood flow, blood oxygenation, and metabolism in a human brain during sensorimotor cortex activation，"Optics Letters 29, 1766-1768 (2004).
[0006] 【2】.T. Durduran, C. Zhou, B. L. Edlowj G. Yuj R. Choej M. N. Kimj B. L. Cucchiaraj M. E. Putt, Q. Shah, S. E. Kasnerj J. H. Greenberg, A. G. Yodhj and J. A. Detre, ^Transcranial optical monitoring of cerebrovascular hemodynamics in acute stroke patients，"Optics Express 17,3884-3902 (2009).
[0007] 【3】· J. P. Culver, T. Durduran, D. Furuyaj C. Cheung, J. H. Greenberg, and A. G. Yodh，"Diffuse optical tomography of cerebral blood flow, oxygenation,and metabolism in rat during focal ischemia，"Journal of cerebral blood flow and metabolism!official journal of the International Society of Cerebral Blood Flow and Metabolism 23,911-924(2003).
[0008] 【4】.梁佳明，王晶，梅建生，张镇西.基于扩散相关光谱的血流检测方法研 究.光谱学与光谱分析，32 (10) : 2749-2752, 2012.
[0009] 【5】· G. Dietsche，M. Ninck，C. Ortolf，J. Li, F. Jaillon，and T. Gisler，''Fiber-based multispeckle detection for time-resolved diffusing-wave spectroscopy:characterization and application to blood flow detection in deep tissue，"Applied Optics 46,8506-8514(2007).
[0010] 【6】· D. Magatti， and F. Ferri，''Fast multi-tau real-time software correlator for dynamic light scattering，''Applied Optics 40, 4011-4021 (2001) ·
[0011] 【7】· J. Dong，R. Bi, J. H. Ho, P. S. P. Thong，K. -C. Soo, and K. Lee，"Diffuse correlation spectroscopy with a fast Fourier transform-based software autocorrelator，"Journal of Biomedical Optics 17,0970041-0970049 (2012).
[0012] [8] . ff. B. Baker, A. B. Parthasarathyj D. R. Busch, R. C. Mesquitaj J. H. Greenberg, and A. G. Yodhj ^Modified Beer-Lambert law for blood flow，"Biomedical optics express 5,4053-4075 (2014).
[0013] 【9】· T. Durduran，R. Choe，W. B. Baker，and A. G. Yodh，"Diffuse optics for tissue monitoring and tomography，''Reports on Progress in Physics 73,076701 (2010)。
【发明内容】
[0014] 本发明的目的是提供的一种基于全新软件相关器的近红外扩散相关谱仪，时间分 辨率可以灵活设置，实现低至Ims的时间分辨；延迟时间以及延迟时间的个数也可以灵活 设置。当延迟时间的个数较少时，采用W. B. Baker等提出的用于血流量测量的修正比尔-朗 伯定律M。当延迟时间的个数较多时，采用理论拟合的方法获得生物组织血流量 [9];采用 多个计数器，扩展为多通道近红外扩散相关谱仪。
[0015] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0016] -个激光器，通过发射光纤和与发射探头相连，
[0017] 光电探测器，通过接收光纤连接到接收探头上，
[0018] 光电探测器的输出通过电缆连接到相关器上，
[0019] 所述相关器包括采样时钟，计数器和计算机；
[0020] 所述发射探头和接收探头接触到生物组织，光电探测器探测到生物组织中断续的 随机光子流，并把断续的随机光子流转换为随机的电脉冲流，计数器对单位时间内的光子 总数进行采样，光子总数即为单位时间内的光强，并进行光强的归一化相关计算获得光强 归一化相关测量，并通过计算获得血流量。
[0021] 在上述技术方案中，包括若干个光电探测器，每一个光电探测器通过一个计数器 连接到计算机。
[0022] 在上述技术方案中，所述若干个光电探测器共用一个采用时钟。
[0023] 在上述技术方案中，所述光强的归一化相关计算公式为：
[0025] 其中：n⑴表不第i · Λ t时刻的光子数，n (i+ τ )表不（i+ τ ) · Λ t时刻的光子 数，〈> 表示时间平均。
[0026] 在上述技术方案中，相关运算取K个光子数作为一个数组进行相关运算，平均时 间为K · Λ t，即测量生物组织血流量的时间分辨率为K · Λ t。
[0027] 在上述技术方案中，从At到（K-I) 中的时间过程中选取一个或者几个延迟 时间。
[0028] 在上述技术方案中，光强在单个时间点的归一化相关计算步骤为：
[0029] 提取K个累计光子数作为一个数组，血流量测量的时间分辨率是K · Λ t，
[0030] 由于计数器输出的光子数为累计光子数，通过差分运算，获得单位时间内的光子 数，
[0031] 通过删除数组中前η个光子数以及最后η个光子数，即实现η · Λ t的延迟时 间，
[0032] 对两个数组进行运算，实现延迟时间为η · Λ t的光强归一化运算，
[0033] 改变删除的光子数个数，即改变η，就可以实现不同延迟时间光强归一化相关测 量。
[0034] 在上述技术方案中，所述两个数组的计算公式如下：
[0036] 综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
[0037] 本发明通过放置在生物组织的光探头测量血流量，软件相关器基于单个延迟时间 的光强相关运算原理，通过简单叠加多个延迟时间实现多个延迟时间的光强相关运算。相 关计算利用了计算机大存储的特点，采用数组形式实现计算。近红外扩散相关谱仪的时间 分辨率可以灵活设置，实现低至Ims的时间分辨，