基于锁相光子计数检测的多波长近红外脑功能成像系统

摘要

近年来，随着“人类脑研究计划”的提出，脑科学领域掀起了研究脑的热潮。功能近红外光谱技术（fNIRS）相比于现今主流脑功能成像方式如脑功能磁共振成像（fMRI）、脑电图（EEG）以及脑磁图（MEG）等，它兼顾了时间分辨率和空间分辨率，同时具有无创、便携、价格便宜、使用简单而且对被试和环境限制小等优势，其在脑认知科学研究、临床神经/精神性疾病的病理诊断和疗效分析等领域有着重要的应用价值。本文基于此开展了基于锁相光子计数检测的多波长近红外脑功能成像系统的研究。 fNIRS 是通过测量氧合血红蛋白和还原血红蛋白浓度变化量来反映脑功能活动状况。为了去除水的影响，更精确地测量大脑皮层的新陈代谢水平，我们选用了三波长测量方案。本文中，我们设计了恒流源驱动的三波长LED光源。 本文提出将高灵敏度的单光子计数技术与具有多通道并行测量能力的锁相检测技术相结合，发展了锁相光子计数检测方式，采用数学推导与图解方式以及对应的线性实验验证了该方法的有效性和正确性。在此测量方式基础上，初步搭建了每通道3波长共20个光源通道和12个探测通道的近红外脑功能成像系统。系统采用不同频率方波调制LED编码激励，实现了光源的频分复用，然后基于现场可编程门阵列（FPGA）开发套件完成了系统测量过程的自动化控制和对待测混合光信号的数字锁相解码，进而实现对出射光所携带的相关生理信息的提取。 为了验证系统的实际性能，本文设计并实施了系统性能评估实验以及一系列包含不同吸收对比度目标体的仿体实验。实验结果表明，本文所发展的成像系统能够实现多光源同时激励以及多通道并行测量，同时通过验证系统对异质目标体的分辨和定位能力，间接证明了系统可以有效分辨在大脑处于静息和任务状态时相关功能区域吸收系数的变化。

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