[發明專利]基于五層腦結構模型的OT導引腦功能半三維DOT方法

在審

• 申請號: 201710371115.5
• 申請日: 2017-05-24
• 公開（公告）號: CN107330968A
• 公開（公告）日: 2017-11-07
• 發明（設計）人: 高峰;王兵元;賀捷;丁雪梅;張耀;李嬌;張麗敏;周仲興;趙會娟
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G06T17/00
• 分類號: G06T17/00;G06T7/521
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所12201
• 代理人: 李麗萍

技術領域

本發明屬于近紅外組織光學成像領域，具體涉及五層腦結構光學建模和OT導引的半三維DOT圖像重建方法。

背景技術

功能近紅外光譜(functional Near-infrared Spectroscopy,fNIRS)是一種依賴于近紅外窗口(695-1000nm)中的光在生物組織中的傳輸規律對吸收系數的變化量進行成像的技術。因其具有無創、可穿戴、非電離、高時間分辨等一系列優勢，fNIRS在健康人腦功能和許多病理學的研究中獲得了廣泛應用^[1,2,3]。這項技術已經從最初基于修正朗伯比爾定律的光學拓撲成像技術(Optics Topology,OT)和基于光子輸運模型的擴散光學層析成像技術(DOT,Diffuse Optical Tomography)發展成為一種新穎的光學成像技術^[4]。很多研究小組已經展示了fNIRS在定位運動^[5]、認知^[6]、語言^[7]、視覺^[8]等皮層興奮區，診斷神經病學、病理學、心理異常^[9]和發展基于fNIRS的腦機接口技術^[10]等方面的諸多應用。當大腦興奮時，灰質層內相應特定部位的血液動力學效應會引起局部小動脈血管舒張、腦血流量增加、總血紅蛋白濃度增加、氧合血紅蛋白濃度增加和脫氧血紅蛋白濃度減少等效應。根據吸收系數的變化量與氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白濃度的變化量之間的線性關系，只需要知道在兩個不同波長下的吸收系數的變化量，結合氧合血紅蛋白與脫氧血紅蛋白在兩個波長下的摩爾消光系數就可以確定氧合血紅蛋白與脫氧血紅蛋白的濃度的變化量。另外，鑒于大腦興奮和頭皮層血流量改變所引起的散射系數的變化量足夠小以至于可以忽略的緣故，本發明中只涉及吸收系數的變化量在兩個波長下的重建。

OT采用數學魯棒性強的修正朗伯比爾定律對沿著組織表面的吸收系數的變化量進行低定量性、低空間分辨的二維拓撲成像。與此不同的是，DOT采用物理學意義上更精確的光子輸運模型對組織體內的吸收系數變化量的三維空間分布進行重建。因而，DOT有望極大地改善成像的定量性和空間分辨率。然而，實驗表明DOT的成像效果在很大程度上依賴于對其逆問題的病態性的正則化和對目標體先驗位置信息的有效結合。盡管在很多DOT的診斷應用中^[11,12]，先驗信息可以通過諸如XCT(X-ray Computed Tomography)和MRI(Magnetic Resonance Imaging)等成熟的成像模態獲取以改善成像質量。然而，在fNIRS腦功能成像中多模態的應用仍然罕見和昂貴，這是因為不同模態適用于不同的任務且具有不同的時間分辨率，這給多模態融合造成了困難。

[參考文獻]

[1]S.Lloyd-Fox,A.Blasi,and C.E.Elwell,"Illuminating the developing brain:The past,present and future of functional near infrared spectroscopy,"Neurosci.Biobehav.Rev.34,269-284,2010。

[2]M.Ferrari and V.Quaresima,"A brief review on the history of human functional near-infrared spctroscopy(fNIRS)development and fields of application,"NeuroImage 63,921-35,2012。

[3]F.Scholkmann,S.Kleiser,A.J.Metz,R.Zimmermann,J.M.Pavia,U.Wolf,and M.Wolf,"A review on continuous wave functional near-infrared spectroscopy and imaging instrumentation and methodology,"NeuroImage 85,6-27,2014。

[4]Y.Hoshi,“Towards the next generation of near-infrared spectroscopy,”Phil.Trans.R.Soc.369,4425-39,2011。