一种组织体局部血氧饱和度变化量拓扑成像装置及方法

摘要

本发明公开了一种组织体局部血氧饱和度变化量拓扑成像装置，包括光源单元、探测单元和计算机，光源单元包括激光控制器、三个不同波长的近红外激光器、波分复用器和1:9光开关；探测单元包括光纤布配器，9根源光纤、4根探测光纤、用于准直反射光的准直器、对输出光强进行调节的滤光轮、探测光子的四个光电倍增管、路由器以及多维单光子计数模块TCSPC；本发明成像方法基于最小二乘拟合算法和动态水吸收修正算法，最小二乘拟合算法具有在目标体尺寸和源探距离相近时仍能较好重建异质体形状和参数值的优势。动态水吸收修正算法能够消除水背景对光吸收的影响，进而使得氧合血红蛋白和还原红蛋白浓度的变化更加精确。

主权项

一种局部血氧饱和度变化量拓扑成像方法，所采用的组织体局部血氧饱和度变化量拓扑成像装置，包括光源单元、探测单元和计算机；所述光源单元包括激光控制器(1)、三个不同波长的近红外激光器(2)、波分复用器(3)和1:9光开关(4)；三个激光器(2)产生的不同波长的近红外激光由多路单模光纤耦合到所述波分复用器(3)后由一路光纤输出；所述1:9光开关(4)用于实现在不同的光源入射位置间进行切换；激光器(2)为近红外皮秒脉冲半导体激光器，激光器(2)的脉冲半高宽为40～80ps；三个激光器(2)的波长在650～950nm,且三个激光器(2)之间波长的差值为50～150nm；所述探测单元包括光纤布配器(6)、9根源光纤(5)、4根探测光纤(7)、用于准直反射光的准直器(8)、对输出光强进行调节的滤光轮(9)、探测光子的四个光电倍增管PMT(10)、路由器(11)以及多维单光子计数模块TCSPC(12)；其中：所述源光纤(5)用于传导照射到待测组织体表面不同源位置的入射光；所述光纤布配器(6)用于布配源光纤(5)和探测光纤(7)在待测组织体表面的位置；所述探测光纤(7)用于传导由待测组织体表面不同探测位置反射的漫反射光；所述滤光轮(9)内装有3～6个不同衰减系数的中值密度衰减片；所述路由器(11)用以辨别四个光电倍增管(10)探测到的多维漫反射光信号；所述多维单光子计数模块TCSPC(12)用以记录多维漫反射光信号的时间点扩展函数；所述激光控制器(1)、所述波分复用器(3)、所述滤光轮(9)、所述路由器(11)和所述多维单光子计数模块TCSPC(12)均连接至所述计算机(13)；其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、数据采集，包括：利用光纤布配器(6)将9根源光纤(5)和4根探测光纤(7)固定在待测组织体表面；其中，9根源光纤(5)形成的源点按照三行三列等距布置，相邻两个源点的距离为1～3cm；4根探测光纤(7)形成的探测点分别位于相邻4个源点的中心位置；每个源点和与其相邻的探测点之间形成有一采样点；将待测组织体处于静息状态时记作rest状态，将待测组织体处于任务状态时记作task状态；用波分复用器(3)耦合之后的激光束依次激励所述9根源光纤(5)形成的源点，并用滤光轮(9)中的衰减片进行衰减，然后再入射到4个光电倍增管(10)的阴极，将光信号转换成电信号，4个光电倍增管(10)的电信号经过路由器(11)辨别之后最终送达多维单光子计数模块TCSPC(12)进行单光子计数，在与每个源点相邻的探测点同时获取采样点在rest状态和task状态下的时间点扩展函数；将待测组织体处于rest状态时的16个采样点的时间点扩展函数表示为：${\hat{R}}_{rest}^{{\lambda }_i}({\rho }_j,t)---\left(1\right)$将待测组织体处于task状态时的16个采样点的时间点扩展函数表示为：${\hat{R}}_{task}^{{\lambda }_i}({\rho }_j,t)---\left(2\right)$公式(1)和公式(2)中：i＝1,2,3；j＝1,2,…,16，λ_i分别表示上述三个波长，ρ_j分别表示上述16个采样点，rest表示组织体处于静息状态，task表示组织体处于任务状态，t为时间自变量；最终得到96个时间点扩展函数，其中包括48个rest状态下的时间点扩展函数和48个task状态下的时间点扩展函数；步骤二、数据处理，包括：2‑1、平面半无限空间外推边界条件下，组织体表面距源点ρ处的探测点反射光流量表达式如下：$R(\rho ,t)=\frac{1}{2}{\left(4\pi \kappa \right)}^{-\frac{3}{2}}{t}^{-\frac{5}{2}}{e}^{-\left({\mu }_{a}ct\right)}[z_0{e}^{\frac{-r_1^2}{4\kappa t}}+(z_0+2z_b)e^{\frac{-r_2^2}{4\kappa t}}]---\left(3\right)$公式(3)中：ρ为相邻源和探测点之间的几何距离；c为光在真空中的传播速度；κ为扩散系数；μ_a为组织体的吸收系数，z₀为实际边界距离，z_b为外推边界距离，t为时间自变量；设所采用的组织体局部血氧饱和度变化量拓扑成像装置的系统响应函数为IRF(t)，实验所测得的静息状态下时间点扩展函数为IRF(t)与^restR(ρ,t)的卷积即${\hat{R}}_{rest}^{{\lambda }_i}({\rho }_j,t)=IRF\left(t\right)*{}^{rest}R(\rho ,t)---\left(4\right)$其中，^restR(ρ,t)是在rest状态下，组织体表面距原点ρ处的探测点反射光流量，对公式(4)运用最小二乘拟合算法，用在步骤一中获得的rest状态下的时间点扩展函数得出每个采样点处组织体在三个波长下的吸收系数，进一步求出组织体中氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白和水三种物质在rest状态下各自的浓度；再根据下述的过定方程求出消除水吸收之后修正的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度；公式(5)中：和分别表示组织体处于静息状态时在三个波长下的吸收系数，和分别表示水在三个波长下的消光系数，表示组织体处于静息状态时水的浓度，和分别表示氧合血红蛋白在三个波长下的消光系数，和分别表示脱氧血红蛋白在三个波长下的消光系数，和分别表示消除水吸收之后修正的组织体处于静息状态时氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度；再利用求出rest状态下组织体的血氧饱和度；2‑2、待测组织从rest状态变化到task状态期间，约化散射系数变化量△μ_s'远小于吸收系数改变量△μ_a，忽略不计，结合式(4)，有如下关系式：${\hat{R}}_{rest}(\rho ,t)·e^{-{\mathrm{\Delta \mu }}_a·ct}={\hat{R}}_{task}(\rho ,t)---\left(6\right)$对公式(6)运用最小二乘拟合算法，用在步骤一中获得的rest状态下的时间点扩展函数和task状态下的时间点扩展函数得出每个采样点处组织体在三个波长下相对于rest状态的吸收系数的变化量，进一步求出组织体中氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白和水三种物质相对于rest状态下各自的浓度的变化量；再根据下述的过定方程求出消除水吸收之后修正的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白相对于rest状态下各自的浓度的变化量；$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Delta \mu }}_a^{{\lambda }_1}-{ϵ}_{H_{2}O}^{{\lambda }_1}·{\mathrm{\Delta c}}_{H_{2}O}\\ {\mathrm{\Delta \mu }}_a^{{\lambda }_2}-{ϵ}_{H_{2}O}^{{\lambda }_2}·{\mathrm{\Delta c}}_{H_{2}O}\\ {\mathrm{\Delta \mu }}_a^{{\lambda }_3}-{ϵ}_{H_{2}O}^{{\lambda }_3}·{\mathrm{\Delta c}}_{H_{2}O}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{ϵ}_{HbO}^{{\lambda }_1}{ϵ}_{HbR}^{{\lambda }_1}\\ {ϵ}_{HbO}^{{\lambda }_2}{ϵ}_{HbR}^{{\lambda }_2}\\ {ϵ}_{HbO}^{{\lambda }_3}{ϵ}_{HbR}^{{\lambda }_3}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{}_{correct}\Delta c_{HbO}\\ {}_{correct}\Delta c_{HbR}\end{array}\right]---\left(7\right)$公式(7)中：和分别表示组织体相比于静息状态时在三个波长下的吸收系数变化量，和分别表示水在三个波长下的消光系数，表示组织体相对于静息状态时水的浓度变化量，和分别表示氧合血红蛋白在三个波长下的消光系数，和分别表示脱氧血红蛋白在三个波长下的消光系数，_correctΔc_HbO和_correctΔc_HbR分别表示消除水吸收后修正的组织体氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度相比于静息状态时的各自的变化量；2‑3、利用rest状态消除水吸收之后修正的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度与task状态消除水吸收之后修正的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白相对于rest状态下各自的浓度的变化量求出task状态下的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度；再利用求出task状态下组织体的血氧饱和度；其中，表示消除水吸收之后修正的组织体处于task状态时氧合血红蛋白的浓度，表示消除水吸收之后修正的组织体处于task状态时脱氧血红蛋白的浓度；2‑4、求出每个采样点在task状态下相比于rest状态的血氧饱和度的变化量ΔSaO₂＝^taskSaO₂‑^restSaO₂；步骤三、根据步骤二获得的每个采样点在task状态下相比于rest状态的血氧饱和度的变化量，用计算机上的matlab软件画出16个采样点血氧饱和度变化量的二维拓扑成像。