基于多通道数字锁相系统的脑功能光学成像相关研究

摘要

近红外光成像技术(Near-Infrared Imaging,NIRI)是目前国际公认的最有应用价值的生物检测分析技术之一,在生物医学领域有着广泛的应用。NIRI测量系统具有无创、便携、低功耗以及价格便宜等优势,作为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)等的有效补充,其在脑认知科学相关研究、临床病理诊断和人体康复治疗等领域有着非常重要的意义。　　人们完善了一种用于脑功能光学成像的基于单光子计数的多通道数字锁相系统。向激光器施加可调幅的正弦波以调制输出光强的大小,不同的调制频率进行编码可实现多光源的并行输入检测;使用光电倍增管(Photomultiplier Tubes,PMTs)来接收漫射光,可大大改善系统的测量灵敏度以及信噪比;利用FPGA强大的逻辑资源对PMT产生的复合数字信号进行数字锁相解码,实现了对各出射光所含相关生理信息的分别提取。针对系统的完善所做的内容包括:系统各器件的配套整合与优化、上位机测量控制程序结构性的重构与优化、用于调制激光器的正弦波参数的选取与优化以及基于FPGA平台的数字锁相程序全局时序的约束与优化,进一步提升了系统的总体性能。　　此外,光源—探测器的分布对于检测效果以及成像质量有很大影响,而传统的方形分布并不能很好地满足脑功能在体实验方面的需求,有鉴于此,设计并评估了一种新型六边形源探分布方式,通过理论及实验验证,该分布相较于传统方形分布对成像结果在空间分辨率以及量化度方面均有所提升。　　最后,结合上述完善的测量系统以及新型六边形源探分布,进行了相关的双层仿体实验验证,同时设计了一种用于脑功能在体成像实验的简易头带,并利用工作记忆研究中的n-back任务进行了初步脑功能前额在体实验。结果表明,该方法能够在一定程度上反映出相关区域吸收系数的变化并进行有效分辨。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2脑功能检测技术概述

1.3近红外光成像技术

1.4本文主要研究内容

第二章 课题相关技术原理介绍

2.1大脑结构功能及主要光谱特性概述

2.2利用近红外光谱技术检测脑功能状态的原理

2.3直接数字频率合成技术（DDS）

2.4正交数字锁相技术

2.5本章小结

第三章 多通道数字锁相系统的改善与验证

3.1系统硬件的选择与配置

3.2上位机采集程序的结构性优化

3.3调制参考信号参数的最佳选择

3.4系统全局时钟的约束

3.5系统正确性及性能验证

3.6本章小结

第四章 新型源探分布的设计与验证

4.1异质体相对位置对成像结果的影响

4.2新型六边形源探分布的设计

4.3与传统源探分布方式的比较结果

4.4本章小结

第五章 双层仿体实验以及光学脑功能在体实验研究

5.1双层平板仿体实验

5.2工作记忆与额叶功能的关系

5.3简易脑功能光学头盔的设计

5.4基于n-back任务范式的脑功能前额叶光学成像实验

5.5本章小结

第六章 总结与展望

6.1工作总结

6.2前景展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢