腦皮層功能多模式成像系統的製作方法

2023-05-04 23:49:51 2

專利名稱：腦皮層功能多模式成像系統的製作方法
技術領域：
本發明專利屬於生物醫學成像領域，具體涉及一種腦皮層功能多模式成像系統， 能同時對大腦皮層的PH值變化，腦血容變化，脫氧血紅蛋白濃度變化及血流速度變化進行 監測。它適用於生物醫學中對腦皮層的功能研究。
背景技術：
傳統的pH檢測主要採用pH敏感的電極，但這種方法只能對單點進行檢測，而且 是侵入式的。採用PH敏感的染料進行螢光成像便可獲得胞內pH的變化信息；內源信號光 學成像是一種探測皮層的後向反射光的一種技術，它主要反應血紅蛋白濃度變化；雷射散 斑成像在反應血流變化方面已有了很大的應用；以往的多模式，由於技術上實現的難度，很 少採用三種成像方式結合的方式，往往是將其中的兩種方式結合如內源成像和雷射散斑成 像，而且在之前已有的三種成像模式結合中，採用的是控制各個光源輪流點亮和電荷耦合 器採集的方式，雷射散斑成像與內源信號光學成像是通過同一個電荷耦合器來採集的，降 低了血流圖像的成像質量，並且實現起來較為複雜。

發明內容
本發明專利提供了 一種可同時對大腦皮層胞內PH值，腦血容，脫氧血紅蛋白以及 腦血流的變化情況進行監測的成像裝置，解決了長期以來多種成像模式耦合上的問題。本發明專利裝置其特徵在於該裝置包括分光稜鏡，第一及第二電荷耦合器件液 晶可調諧濾光片及其控制器，第一、第二計算機，第一第二及第三濾光片，寬光譜光源，雷射 二極體，紅色發光二極體及其控制電路。寬光譜光源，雷射二極體和紅色發光二極體分散置於大腦皮層上方，寬光譜光源， 紅色發光二極體前分別置有第二、第三濾光片，第二濾光片與寬光譜光源共軸，紅色發光二 極管與第三濾光片共軸。紅色發光二極體通過一個控制電路與第一計算機相連，
由大腦皮層出來的後向散射光經分光稜鏡分為兩路，一路通過液晶可調諧濾光片與第 一電荷耦合器相連，另一路通過第一濾光片與第二電荷耦合器相連，第一電荷耦合器、第二 電荷耦合器分與第一計算機、第二計算機相聯，液晶可調諧濾光片通過其控制器與第一計 算機相連。本發明專利的有益效果是，可同時監測大腦皮層胞內pH值，腦血容，脫氧血紅蛋 白以及腦血流的變化情況，而且實現起來較為簡單，只需要控制紅光發光二極體的點亮，而 汞燈和雷射二極體是一直亮著的，不需要控制電路。寬光譜光源通過特定的濾光片激發出 來的螢光，及寬光譜光源的反射光，和紅色發光二極體的反射光通過液晶可調諧濾光片以 分時復用的方式被第一電荷耦合器件檢測。同時，第二電荷耦合器件配上第一濾光片可探 測到雷射經皮層反射後的攜帶速度信息的原始散斑圖。本裝置通過引入液晶可調諧濾光片 將螢光成像，內源信號光學成像整合，解決了長期以來技術整合上的難題。並通過與雷射散 斑成像的聯合，能夠同時得到胞內PH值，腦血容，脫氧血紅蛋白以及腦血流的變化情況，為
3更詳盡，更全面的大腦功能和疾病機制的研究提供了一種有效的手段。


下面結合附圖和具體實施方式
對本發明的技術方案作進一步具體說明。圖1是本發明專利的系統結構示意圖。圖2是是電荷耦合器拍攝圖像的流程圖。圖3是是血紅蛋白摩爾消光係數。圖4是螢光染料中性紅的激發和發射譜。圖5是系統實際拍到的多個波長圖像。圖6是利用該系統對一次皮層擴散性抑制進行監測所得到的PH值變化，腦血容變 化，脫氧血紅蛋白濃度變化及血流速度變化曲線。
具體實施例方式如圖1所示該裝置包括分光稜鏡1，第一電荷耦合器件4，第二電荷耦合器件3， 液晶可調諧濾光片12及其控制器14，第一計算機6，第二計算機5，第一濾光片2，第二濾光 片8、第三濾光片9，寬光譜光源7，雷射二極體11，紅色發光二極體10及其控制電路13。寬光譜光源，雷射二極體(660 nm)和紅色發光二極體分散置於大腦皮層上方， 從大腦皮層出來的後向散射光通過一個分光稜鏡1分成兩路，其中一路通過第一濾光片2 (655-665 nm)後被第二電荷耦合器3檢測到。另一路通過液晶可調諧濾光片12後被第一 電荷耦合器4檢測，在成像系統中引入液晶可調諧濾光片同時進行螢光成像和內源信號光 學成像是本發明專利的一個創新點，它保證了多種成像模式下成像視野的完全匹配，又能 起到簡化光學成像系統的復化性的功能。液晶可調諧濾光片12通過其控制器與第一計算 機6連接。第一電荷耦合器3、第二電荷耦合器4分別接第一計算機6、第二計算機5。整個 系統的流程圖如圖2所示，它主要分為兩個部分，一個是第一電荷耦合器4在液晶可調諧濾 光片12的配合下輪流採集630 nm的反射光，550 nm的反射光和630 nm的螢光；另一部分 則是第二電荷耦合器3連續採集雷射照射皮層所產生的原始散斑圖。下面分別對其進行說 明。中性紅是一種常用的pH螢光染料。根據中性紅的激發譜17和發射譜18 (圖3)， 其激發峰在540nm左右，發射峰630nm左右。因此在寬光譜光源7前加一共軸第二濾光片 8 (516 556 nm)可以激發中性紅的螢光。該螢光通過液晶可調諧濾光片12 (設置中心 波長為630 nm)後被第一電荷耦合器4檢測。根據圖4中的含氧血紅蛋白的摩爾消光係數曲線16和脫氧血紅蛋白的摩爾消光 係數曲線15，在550nm左右處，含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的吸收相等，因此通過寬光譜 光源照射皮層，採集550nm波長反射光強的變化就可以反映總的血紅蛋白濃度的變化，即 腦血容的變化，該波長的反射光通過液晶可調諧濾光片(設置中心波長為550 nm)後也被第 一電荷耦合器4檢測。紅色發光二極體10前加一共軸第三濾光片9(604-644 nm)，由於該 波段內脫氧血紅蛋白的吸收遠大於含氧血紅蛋白的吸收，該波長的反射光強變化間接反應 了脫氧血紅蛋白濃度的變化，該波長的反射光，通過液晶可調諧濾光片12(設置中心波長在 630 nm)後亦被第一電荷耦合器4檢測，從而得到脫氧血紅蛋白濃度的變化。
由於這三個波長的圖像都是由第一電荷耦合器4所採集，而螢光的波長與反映脫 氧血紅蛋白變化的反射光波長是重合的，為了避免在記錄螢光信號時，反射光對螢光的幹 擾，紅色發光二極體10是輪流點亮的，即在記錄螢光時，紅色發光二極體10滅，在記錄反射 光時，紅光二極體10才亮。紅光二極體10的亮滅是由第一計算機6並口輸出的信號通過 一個控制電路13來實現的。 因此在每一個周期內第一電荷耦合器4拍攝三幅圖像630 nm的反射光圖像，550 nm的反射光圖像及630 nm的螢光圖像。由於螢光光強比較弱，曝光時間需要800 ms左右， 所以在拍攝反射光630 nm時，雖然寬光譜光源7也有同時照射皮層激發出螢光，但反射光 的曝光時間只有100 ms左右，通過我們的實驗表明，在這個曝光時間下，螢光光強可以忽略 不計。從而實現了胞內PH值，腦血容，脫氧血紅蛋白濃度的同時監測又互不影響。血流速度的監測是由雷射二極體11 (660 nm)照射皮層，反映速度信息的原始散斑 圖通過分光稜鏡後由第一濾光片2濾波後(655-665 nm)被電荷耦合器3檢測，再由第二計 算機5進行運算處理得到血流速度圖。血流速度圖是通過雷射散斑時間襯比分析方法獲得 的。其中襯比的計算公式如下
其中A(U)是在(X，y)象素處的襯比值。W)是在第η幅圖像中(X，y)象素坐標處
的光強值，巧是N幅圖像在(x，y)處的平均值。為了得到高質量的血流速度圖，我們選 取100幅原始散斑圖來計算襯比。而速度正比於TVTi，與襯比的關係如下
其中T是電荷耦合器的曝光時間 是自相關時間。因此可以通過計算每一個象素處的襯比平方的倒數(1/Γ2 )來得到該點的相對血 流速度的值。但通常這個計算所需要的時間大概要兩秒左右，在時間解析度上就比較差，而 採用圖形處理器來進行加速運算，可以提高五十倍左右。所以本系統中採用基於圖形處理 器的雷射散斑時間襯比分析可以實時得到血流速度圖。由於左右兩路光是同時採集的，因此就實現了雷射散斑成像，螢光成像，內源光學 信號成像的同時成像，從而可以同時獲得胞內PH的變化，腦血容的變化，脫氧血紅蛋白的 變化及血流速度的變化。由上可知，本發明專利通過引入液晶可調諧濾光片將雷射散斑成像，螢光成像，內 源光學信號成像的整合，同時獲得了大腦皮層胞內PH的變化，腦血容的變化，脫氧血紅蛋 白的變化及血流速度的變化，為更詳盡，更全面的了解大腦功能和疾病機制的研究提供了 一種有效的手段。裝置實驗
實驗材料大鼠200g左右，動物飼養和實驗規格按照中華人民共和國《實驗動物管理條例》要求進行，將大鼠頭皮剪開，暴露額骨和頂骨，在頂骨上用牙科鑽開一大小為3*4mm的 成像窗，額骨上開一直徑為Imm的刺激窗。手術後腹腔注射螢光染料中性紅溶液(lml，濃 度35mM)作為胞內pH的指示劑。染料注射三十分鐘後開始成像。雷射散斑成像曝光時間為20 ms，螢光成像曝光時間為800 ms，550 nm內源光成 像曝光時間為100 ms，630 nm內源光成像曝光時間為100 ms。圖5是同時拍攝的螢光圖像19，550 nm反射光圖像20，630 nm反射光圖像21及 血流速度圖22，通過在時間序列上拍攝這樣的一系列圖像，可以得到這些圖像所代表的參 數在時間上的變化趨勢。圖6是利用該系統對皮層擴散性抑制過程進行監測所得到的血流速度變化曲線 23，表明該過程伴隨著血流速度的急劇增加；630 nm螢光強度變化的曲線24，表明該過程 中胞內PH值降低；反映脫氧血紅蛋白濃度變化的630 nm反射光強度變化曲線25，反應出 該過程中脫氧血紅蛋白濃度降低；反映腦血容變化的550 nm反射光強度變化曲線26，表明 該過程中腦血容增加。右側的標杆表示的是該參數相對於基線狀態的百分比變化，右下角 的標杆表示的是時間長度。最後所應說明的是，以上具體實施方式
僅用以說明本發明的技術方案而非限制， 儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對 本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍，其均 應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。
權利要求
一種腦皮層功能多模式成像系統，其特徵在於該裝置包括分光稜鏡(1)，第一電荷耦合器件(4)，第二電荷耦合器件(3)，液晶可調諧濾光片(12)及其控制器(14)，第一計算機(6)，第二計算機(5)，第一濾光片(2)，第二濾光片(8)、第三濾光片(9)，寬光譜光源(7)，雷射二極體(11)，紅色發光二極體(10)及其控制電路(13)；寬光譜光源(7)，雷射二極體(11)和紅色發光二極體(10)分散置於大腦皮層上方，寬光譜光源(7)，紅色發光二極體(10)前分別置有第二濾光片(8)、第三濾光片(9)，第二濾光片(8)與寬光譜光源(7)共軸，紅色發光二極體(10)與第三濾光片(9)共軸；紅色發光二極體(10)通過一個控制電路(13)與第一計算機相連(6)；由大腦皮層出來的後向散射光經分光稜鏡(1)分為兩路，一路通過液晶可調諧濾光片(12)與第一電荷耦合器(4)相連，另一路通過第一濾光片(2)與第二電荷耦合器相連(3)，第一電荷耦合器(4)與第一計算機(6)相連，第二電荷耦合器(3)與第二計算機(5)相連，液晶可調諧濾光片(12)通過其控制器(14)與第一計算機(6)相聯。
2.根據權利要求1所述的腦皮層功能多模式成像系統，其特徵是通過液晶可調諧濾光 片輪流切換中心波長以分時復用的方式，利用電荷耦合器同時採集螢光圖像和多個波長下 的反射光圖像。
3.根據權利要求2所述的腦皮層功能多模式成像系統，其特徵在於，所述液晶可調諧 濾光片輪流切換的波長分別為630nm、550nm和630nm，分別對應電荷耦合器採集的反射脫 氧血紅蛋白的反射光圖像、反映腦血容的反射光圖像和反映胞內PH值的螢光圖像。
全文摘要
本發明公開了一種腦皮層功能多模式成像系統。包括寬光譜光源，雷射二極體和紅色發光二極體分散置於大腦皮層上方，寬光譜光源，紅色發光二極體前分別置有共軸濾光片，由大腦皮層出來的後向散射光經分光稜鏡分為兩路，一路通過液晶可調諧濾光片與第一電荷耦合器相連，另一路通過濾光片與第二電荷耦合器相連，兩個電荷耦合器分別與兩臺計算機相連。本裝置通過引入液晶可調諧濾光片解決了長期以來螢光成像，內源信號光學成像技術整合難題，並通過與雷射散斑成像的聯合，能夠同時得到胞內pH值，腦血容，脫氧血紅蛋白以及腦血流的變化情況，為更詳盡全面的大腦功能和疾病機制的研究提供了有效的手段。
文檔編號A61B5/0205GK101926644SQ20101028906
公開日2010年12月29日 申請日期2010年9月21日 優先權日2010年9月21日
發明者劉睿, 孫小麗, 尹翠, 李鵬程, 駱清銘 申請人:華中科技大學