基于锁相光子计数检测模式的脑功能成像仪研发

• 作 者: 丁雪梅
• 出 处: 天津大学
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: 脑功能成像仪 方波式锁相光子计数技术 扩散光层析成像 通道间串扰

在功能近红外光谱(functional near infrared reflectance spectroscopy,fNIRS)的基础上发展起来的高密度扩散光层析(high density diffuse optical tomography,HD-DOT)脑功能成像仪是脑认知科学研究和临床应用的首选工具。HD-DOT与脑电图(electroencephalogram,EEG)、功能核磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)等相比有能在自然情境下测量、无创、便携、性价比高、合理的时空分辨率等优势。因此,HD-DOT在脑认知科学、网瘾成因研究及神经系统疾病病因和疗效分析等临床医学领域得到了广泛应用。目前,多数基于模拟检测方式的成像仪受制于灵敏度和动态范围,而顺序激励的光子计数检测方式虽然提高了灵敏度但却降低了时间分辨率。为得到高灵敏度、大动态范围以及高时空分辨率的HD-DOT成像仪,本文基于改进的方波式锁相光子计数技术开发了稳态三波长多通道近红外脑功能成像仪,包括可自动调光强的光源阵列模块、高灵敏度的探测阵列模块以及现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)结合上位机实现测量自动化模块。其中,自动光强调节模块是由波长为785、808和830nm的激光二极管(laser diode,LD)各16个组成的光源阵列,被频率间隔252Hz的方波调制,并采用可编程数字变阻器实现了自动光强调节。探测阵列模块是由9个光子计数式的光电倍增管(photomultiplier tubes,PMT)组成。本文所搭建的成像仪结合了超高灵敏度光子计数技术与简易并行的方波式数字锁相检测技术实现对微弱扩散光的检测。并通过仿体实验完成了成像仪的性能评估,证明其有高的测量线性度(相关系数可达0.9989)和稳定度,可忽略的通道间串扰,强的噪声鲁棒性。此外,通过7次分时激励方案下的双层平板仿体成像实验,初步验证了该成像仪准确描述目标的位置和形状,并区分不同吸收对比度目标的能力。