[发明专利]基于五层脑结构模型的OT导引脑功能半三维DOT方法

说明书

技术领域

本发明属于近红外组织光学成像领域，具体涉及五层脑结构光学建模和OT导引的半三维DOT图像重建方法。

背景技术

功能近红外光谱(functional Near-infrared Spectroscopy,fNIRS)是一种依赖于近红外窗口(695-1000nm)中的光在生物组织中的传输规律对吸收系数的变化量进行成像的技术。因其具有无创、可穿戴、非电离、高时间分辨等一系列优势，fNIRS在健康人脑功能和许多病理学的研究中获得了广泛应用^[1,2,3]。这项技术已经从最初基于修正朗伯比尔定律的光学拓扑成像技术(Optics Topology,OT)和基于光子输运模型的扩散光学层析成像技术(DOT,Diffuse Optical Tomography)发展成为一种新颖的光学成像技术^[4]。很多研究小组已经展示了fNIRS在定位运动^[5]、认知^[6]、语言^[7]、视觉^[8]等皮层兴奋区，诊断神经病学、病理学、心理异常^[9]和发展基于fNIRS的脑机接口技术^[10]等方面的诸多应用。当大脑兴奋时，灰质层内相应特定部位的血液动力学效应会引起局部小动脉血管舒张、脑血流量增加、总血红蛋白浓度增加、氧合血红蛋白浓度增加和脱氧血红蛋白浓度减少等效应。根据吸收系数的变化量与氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度的变化量之间的线性关系，只需要知道在两个不同波长下的吸收系数的变化量，结合氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白在两个波长下的摩尔消光系数就可以确定氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白的浓度的变化量。另外，鉴于大脑兴奋和头皮层血流量改变所引起的散射系数的变化量足够小以至于可以忽略的缘故，本发明中只涉及吸收系数的变化量在两个波长下的重建。

OT采用数学鲁棒性强的修正朗伯比尔定律对沿着组织表面的吸收系数的变化量进行低定量性、低空间分辨的二维拓扑成像。与此不同的是，DOT采用物理学意义上更精确的光子输运模型对组织体内的吸收系数变化量的三维空间分布进行重建。因而，DOT有望极大地改善成像的定量性和空间分辨率。然而，实验表明DOT的成像效果在很大程度上依赖于对其逆问题的病态性的正则化和对目标体先验位置信息的有效结合。尽管在很多DOT的诊断应用中^[11,12]，先验信息可以通过诸如XCT(X-ray Computed Tomography)和MRI(Magnetic Resonance Imaging)等成熟的成像模态获取以改善成像质量。然而，在fNIRS脑功能成像中多模态的应用仍然罕见和昂贵，这是因为不同模态适用于不同的任务且具有不同的时间分辨率，这给多模态融合造成了困难。

[参考文献]

[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。