脑图成像系统及脑血流量地形图生成方法

摘要

一种脑图成像系统包括脑电(EEG)地形图生成装置和脑血流量(γCBF)地形图生成装置和与上述两装置相连的彩色图像显示、存贮和打印装置。上述脑血流量地形图生成装置还包括对小脑—脑干区血流量的测量。该系统还包含一种脑血流(γCBF)彩色地形图的生成方法。这种脑图成像系统能实时、定量提供彩色脑电地形图和脑血流量(γCBF)地形图。给医务人员提供了有关脑血流量、脑功能的综合信息。这对脑部疾病诊断与研究有重要意义，尤其对脑血管疾病的早期诊断有重要价值。

说明书

本发明涉及脑血管疾病诊断和脑功能研究的医用成像设备，尤其涉及脑图成像系统及脑血流量地形图生成方法。

对于局部大脑血流量（γCBF）测定分析及系统研制国内外已做了大量工作。测定γCBF在诊断脑血管疾病方面也有许多报导，如国外“中风”杂志，1975年第6期第245-256页题为“通过氙-133吸入测定局部脑血流”（W.D.Obrist，et  al.Regional  cerebral  blood  flow  estimated  by  133  Xenon  inhalation，Stroke  6，245-256，1975.），其临床应用价值是肯定的。但还未见到在测定大脑皮层灰、白质血流量的同时，测定较深部位的小脑-脑干区血流量以及将上述两者结合起来形成脑血流量图成像（rCBF地形图）的技术报导。

已有技术的脑血流量测量只能给出一组离散的脑血流物理量，它不能直观完整地反映整个大脑各部分（也即对应于这些离散量以外的部分）的血流量状况。

对于反映脑电生理活动情况的脑电图即EEG地形图技术已有报导也有相应仪器出售使用。但是仅有脑电图而没有脑血流量地形图不能给人们实时获得脑疾病给上述两方面引起变化的内在联系状况。

为了克服已有技术存在的上述缺点，发明人在此提出了本发明。

本发明的任务在于提供一种脑血流量地形图生成方法和用该方法制成的脑图成像系统，其目的在于它能实时给出脑电地形图和脑血流量地形图，给医务人员提供脑疾患引起脑电图和脑血流量地形图变化的内在联系的信息。

本发明的另一目的在于所提供的脑图成像系统能以彩色脑血流量地形图的形式给人们提供连续的、完整的、直观的大脑灰、白质血流量的分布状况。

本发明的脑图成像系统包括：脑电地形图（EEG）生成装置;与所述脑电地形图（EEG）生成装置相连的彩色图像显示、存贮和打印装置;其特征在于还包括与所述彩色图像显示、存贮和打印装置相连的脑血流量地形图（γCBF）生成装置。如上构成的脑图成像系统能实时彩色显示和/或打印出脑血流量地形图和脑电地形图并提供定量数据，给医务人员提供有关脑血流量、脑功能的综合信息。这对脑部疾病诊断与研究的重要意义，尤其对脑血管疾病的早期诊断有重要价值。

本发明的脑图成像系统中的脑血流（γCBF）地形图生成装置包含：探测器装置;与该探测器装置相连的多道放大、成形装置;与该多道放大、成形装置相连的多道计数装置;与该多道计数装置相连的数据总线单元;与该数据总线单元相连的数据处理装置;与该数据处理装置相连的脑血流量像素生成装置;与该脑血流量像素生成装置相连的脑血流量地形图装置;氙再呼吸装置;与该氙再呼吸装置相连的阀件程控装置;与所述多道放大、成形装置，所述多道计数装置，所述数据总线单元，所述阀件程控装置和所述数据处理装置相连的控制装置。如上构成的脑血流量（γCBF）地形图生成装置通过屏幕显示和图形打印能给人们提供彩色定量的、连续的、完整的脑血流量分布地形图。使医务人员能实时快速诊断病人脑部疾患尤其是脑血管疾患并能直观地确定病人患病区域、该区域大小及定量说明患病的严重程度。

下面结合附图和实施例详细说明本发明。

图1为本发明的脑血流量（γCBF）地形图生成装置的方框图;

图2为本发明脑图成像系统方框图;

图3为本发明的探测器的结构剖视图;

图4为本发明的氙呼吸系统原理图;

图5为本发明的阀件程控装置电原理图;

图6为本发明的探测器装置原理图;

图7为本发明所涉及的清除曲线与未端潮气曲线图;

图8为本发明的控制装置的一实施例的硬件具体结构线路;

图9为本发明的32道放大、成形装置中的一道、32道16位计数装中的一道和数据总线单元的1/8部分的一实施例的硬件具体结构线路图;

图10为本发明的数据处理装置中的数据获取接口一实施例的硬件具体结构线路图;

图11为探测器的人脑各部分的对应关系图。

本发明的脑图成像系统首次把核医学成像技术与电生理技术结合起来，以彩色γCBF地形图、EEG地形图方式及其定量数据提供医务人员有关脑血流量、脑功能的综合信息。有关EEG地形图方式是一种公知技术，这里不再对其进行详细描述。本发明所涉及的核医学成像技术其基本原理就是由人体吸入放射性同位素氙-133，通过血液循环流入到大脑、小脑和脑干等组织、组织中的氙浓度同人体组织的血流量相关。通过用探测器在人脑外部对与氙-133浓度也即与人体组织的血流量相关的γ和特征X等射线的测量和相应的数学处理就可获得人体脑组织的相应的血流量。

依据上述核医学成像技术的基本原理，本发明的彩色脑血流量地形图的生成方法如下。

一，从人体呼吸系统吸入氙-133、与此同时用一组γ和特征X射线探测器在人脑外部的大脑各区域和小脑-脑干区的各点上，在一段时间里，对γ和特征X射线粒子进行探测;

二，与上述步骤一进行的同时用另一γ和特征X射线探测器在人体呼吸道附近在步骤一相同一段时间里，对人体呼出气中的γ和特征X射线粒子进行探测;

三，用与步骤一和步骤二探测器数相对应的多道放大、成形、计数电子线路装置对各探测器探测到的γ和特征X射线粒子每隔一定时间间隔连续进行计数，以测得对应于头部各探测器的多道头部清除曲线N^j（t）和呼吸道呼出的末端潮气曲线C_a（t）;

四，根据FicK原理，建立清除曲线N^j（t）和未端潮气曲线（也即呼出氙浓度曲线）C_a（t）之间的数学关系式：

式中：N^j（t）为第j个头部区域t时刻的计数率，其时间轴上的整个曲线称为头部清除曲线，

C_a（t）为末端潮气曲线，

α-比例常数，

W^j₁-头部第j区域灰质血流量相对权，

W^j₂-头部第j区域白质血流量相对权，

F^j₁-头部第j区域灰质血流量，其单位为：ml/100g/min，

即每分钟每100克脑组织的毫升数，

F^j₂-头部第j区域白质血流量

K^j₁＝F^j₁/λ₁;K^j₂＝F^j₂/λ₂;λ₁、λ₂是灰、白质的分配系数。

利用把非线性曲线拟合转变为线性拟合的算法，从上述数学关系式（1）和（2）求出各区域探测点上的脑组织的灰、白质血流量F^j₁和F^j₂;

五，由步骤四获得的灰、白质血流量F^j₁通过下面插值算法求得脑部任意点处脑组织的灰、白质血流量F_i（x，y）：

其中：

d^j为j区域探测点到任意点坐标（x，y）的距离，n为头部n个探测点（也即n个探测器）;

六、将由步骤五求得的分布在整个脑区的一群脑组织的灰、白质血流量F_i（x，y）作为显示的像素进行存贮并通过计算机控制形成图像信号在彩色显示器上显示出整个彩色脑血流量地形图和/或由彩色喷墨打印机打印出对应的脑血流量彩色地形图。

接照上述彩色脑血流量地形图的形成方法所设计的脑血流量地形图（γCBF）生成装置（1）如图1所示。

参看图1，脑血流量地形图生成装置（1）包含：探测器装置（11），多道放大、成形装置（12），多道计数装置（13），数据总线单元（14），控制装置（15），数据处理装置（16），脑血流量各像素生成装置（17），脑血流量地形图装置（18），阀件程控装置（19），氙再呼吸装置（20）。

探测器装置（11）参见图6，它由与人体头型相匹配的头盔（61）、安装在头盔上的28个探测器（62），与该28个探测器（62）相连的缓冲气室（63）、与缓冲气室（63）相连的电磁阀（64）、与电磁阀（64）相连的气室（65）、与气室（65）相连的减压阀（66）、和与减压阀（66）相连的WM-7无油压缩机（67）组成。

安装在头盔上的28个探测器（62）与人脑各部分的对应关系参见图11，图11中：2、9-相当于额中回中部;3：8-相当于额中回后部;4、7-相当于中央后回中部;5、6-相当于顶叶的缘上回;10、17-相当于额下回Bioca’s区;11、16-相当于中央前回下部;12、15-相当颞上回后部;13、14-相当于角回;18、27-相当于额下回框部;19、26-相当颞上回前部;20、25-相当于颞中回中部;21、24-相当于颞中回后部;22、23-相当于枕前切迹上方;30、31-相当于小脑-脑干区。

探测器装置（11）中的28个探测器（62）通过缓冲气室（63）、电磁阀（64）、气室（65）、减压阀（66）、和WM-7无油压缩机（67）完成与病人头皮接触脱离的自动调节过程：当病人头部进入头盔（61）前，探测器不充气，探测器在弹簧（图中未示）压力下向外移动;病人头部进入头盔内，打开电磁阀（64）向探测器腔内充气，在气体的压力下探测器垂直向病人头皮移动、并压在头皮上;测量完毕，放掉气体，探测器将垂直离开头皮。

每个探测器（62）的具体结构参见图3。探测器（62）由外壳（31）、碘化钠晶体（32）、GDB-20光电倍增管（33）、管座（34）、弹簧（35）、分压电阻（36）及高频插座（37）组成。外壳（31）由铝制成，起屏蔽作用，呈圆锥形的一端为γ和X特征射线探测端，其内有圆柱形空腔与碘化钠晶体（32）一端面相连通。碘化钠晶体（32）将来自探测端并经过圆柱形空腔的γ和特征X射线的粒子变换为一定波长的萤光传递给与其另一端面相接触的光电倍增管GDB-20（33）。该光电信增管将此光信号倍增放大形成其数目对应于所接收到的γ和特征X射线的粒子数的电压脉冲。该电压脉冲从高频插座（37）输出。外壳（31）内的分压电阻（36）是光电倍增管（33）的工作电压的分压电阻。实验获得对于用于小脑-脑干区的两个探测器，其圆锥形的探测端内的圆柱形空腔的直径为ψ10～ψ20毫米之间（本实施例取为ψ15mm）、长度为35-45毫米之间（本实施例长度取为40mm）。

图1中的多道放大、成形装置12同时并行接收来自探测器装置（11）中的28个探测器（62）及设在下面要描述的氙再呼吸装置20中的末端潮气探测器D1和氙浓度监测器D2的电压脉冲信号，并将它们放大、微积分成形，经甄别器甄别后，在下面要描述的控制装置（15）的控制下，送给多道计数装置（13）。在本实施例中共设32道放大、成形、甄别电路，其中有两道作为备份扩展用。

继续参看图1，多道（本实施例中为32道，每道16位计数）计数装置（13）并行接收来自多道（32道）放大、成形装置（12）的输出电压脉冲，在下面要描述的控制装置（15）的控制下每隔一定时间间隔（本实施例为0.1分）对来自各探测器的电压脉冲进行计数，并由控制装置（15）对多道计数装置（13）进行复位。在一定时间间隔内某道计数装置的计数数N^j（t）代表着对应的某个探测器探测到的γ和特征X射线在该时间间隔内的放射的粒子数、代表着该探测器所对应的探测部位的氙-133的放射强度（或氙-133的浓度），对于脑部的探测器而言代表着相应部位的脑组织的脑血流量F^j₁的大小。

图1中的数据总线单元（14）在控制装置（15）的控制下把多道计数装置（13）的N^j（t）值送入数据处理装置（16）。

图1中的数据处理装置（16）用接收到的N^j（t）并根据上述脑血流量图的形成方法中的公式（1和（2）进行曲线拟合，求出28个大脑、小脑-脑干区灰质血流量F^j₁和白质血流量F^j₂。

图1中的脑血流量像素生成装置（17）接收数据处理装置（16）的28个不同脑部区域上的灰、白质血流量F^j₁和F^j₂并根据上述脑血流量图的形成方法中的公式（3）和（4）进行插值运算，构成128×128坐标位置脑血流量分布值。

图1中的脑血流量地形图装置（18），参照美国“计算机和生物医学研究”杂志第22卷第248页题为“头颅的自动标界”一文（Parthalograms、A.D.，et  al.Automatic  landmarking  of  cephalograms，Comput.Biomed.Res.22，248（1989）Vol.22，P248，1989），对于较复杂的大脑半球形状，采用边界跟踪法搜索出大脑半球二维投影的边界，再确定边界内的与局部大脑和小脑-脑干区的血流量相一致的各像素值。由冷色到暖色共14级灰度等级，对各像素统一刻度。对大脑半球灰质和白质血流量分别成像并采用各自的调色板。对大脑半球灰质血流量采用的调色板为：最小灰度对应于≤20ml/100g/min（每分钟每100克脑组织血流量20毫升）;最大灰度对应于≥85ml/100g/min;相邻灰度差相对于5ml/100g/min。对大脑半球白质血流量的调色板为：最小灰度对应于≤2ml/100g/min;最大灰度对应于28ml/100g/min;相邻灰度差对应于2ml/100g/min。成像显示采用视频内存直接影射方法，不调用中断以提高成像速度。

图1中的氙再呼吸装置（20）具体构成参见图4氙再呼吸系统原理图。图4中，FM：面罩（医用面罩）;V₁、V₂、V₃、V₄：单相阀;BEW：水气分离器;AB1：CO₂过滤器;T：薄膜阀;SV₁、SV₂、SV₃、SV₄、SV₅、SV₆：电磁阀;DR：吸显器;BF：细菌过滤器;DP：减压器;D1：未端潮气探测器;D2：氙浓度监测器;P：泵;BR：氙气呼吸袋;BL：风机;BU：缓冲器;AB2：椰子活性炭;F：氙补偿器;ANA：LY-1型数字式O₂、CO₂分析器。

氙再呼吸装置（20）是一种密闭循环体系。通过阀件程控装置（19）对电磁阀的控制，可与病人进行氙混合体交换。自动配制氙气并按照测量γCBF要求，从0到1分钟供氙气，并对¹³³Xe（氙）回收。反复使用，对废氙进行净化（活性炭吸附）。

（1）氙的自动配制与自循环过程，把氙注入补偿器F后，阀件程控装置（19）使电磁阀SV₁、SV₂、SV₄处于关闭状态，阀件程控装置（19）通过控制电磁阀SV₅和SV₆给系统补充满足一定浓度的氙，单向阀V₄、CO₂过滤器（钠石灰）在风机BL₁的驱动下形成自循环，搅拌配制氙和空气的混合气体。

（2）吸入氙再呼吸：病人戴上面罩FM，阀件程控装置（19）在程序控制下，在0分钟时打开电磁阀SV₁、SV₂，而SV₄、SV₅处于关闭状态，在BL₁风机的驱动下，病人通过电磁阀SV₁、单向阀V₁，从氙呼吸袋BR中吸入氙混合气体，呼出气经过单向阀V₂、分离水（DEW）后，呼出气被干燥（DR），消毒过滤（BF）、净化除去CO₂（AB₁）进入氙>2，需要通过供氧装置自动补氧气，吸入1分钟氙后，SV₁关闭，吸空气，SV₂向废气袋开，直到4分钟SV₂关闭，病人完全和大气交换气体。

（3）氙安全处理，不再吸入氙时，根据BR中的压力，延迟一时间关闭SV₂阀，把氙的混合气体仍送回BR中，电磁阀SV₃处于导通状态，含氙的废气在泵（P）的驱动下入缓冲袋，在阀件程控装置（19）控制下对废气净化（AB₂）。净化材料为椰于活性炭。净化后氙浓度远底于限定值。

图1中阀件程控装置（19）是由JZX-17F-24V、DZ-46-24V和DZX-17F-24V三种继电器组成的控制电路。它的主要功能是通过控制装置（15）控制氙再呼吸装置（20）自动配制¹³³Xe和空气的混合气体（如氙再呼吸装置（20）中所述），并根据氙浓度监测器D₂的输出信号通过控制装置（15）对氙气袋内的氙相对浓度进行控制。该阀件程控装置（19）的硬件结构实施例可参见图5。

控制装置（15）对脑血流量地形图生成装置（1）中的有关部分（图1中所示）进行测量过程的控制。

测量开始，被检测者带好头盔、操作探测器装置（11）使28个探测器（62）压在头部各自对应的部位的头皮上。参见图7，从-1分始，控制装置（15）控制多道放大、成形装置（12）启动测量开始并在第12分时使其停止测量，在此期间，来自28个探测器（62）和D₁、D₂的信号经多道放大、成形装置（12）不断送入多道计数装置（13），同时，控制装置（15）在此期间，控制多道计数装置（13）每隔0.1分复位一次，为下次计数测量做好准备;控制数据总线单元（14）每隔0.1分将多道计数装置（13）的计数值（测量值）传送给数据处理装置（16）;控制数据处理装置（16）接收数据并进行数据处理。在-1分至0分期间，控制装置（15）控制阀件程控装置（19）并通过阀件程控装置（19）控制氙再呼吸装置（20）处于关闭不供氙气状态，此间，从>1测得的信号为本底计数值，它代表宇宙射线的计数值，也是0.1分对来自各探测的信号进行一次测量（计数）共测量10次由数据处理装置（16）取平均值作为本底计数值，以备从以后的测量信号中将其剔除，提高测量精度。从0分时刻起，控制装置（15）控制阀件程控装置（19）并由阀件程控装置（19）控制氙再呼吸装置（20）的吸氙电磁阀和呼氙电磁阀自动打开，使被测者吸氙呼氙1分钟。至1分时刻，控制装置（15）控制阀件程控装置（19）并由阀件程控装置（19）控制氙再呼吸装置（20）的吸氙电磁阀关，使被测者停止吸氙换吸空气，同时控制开始氙回收直至第4分时刻，控制装置以上述同样方式控制呼氙电磁阀关而停止回收氙。此后仍继续通过头部28个探测器（62）对头部的各部分进行脑组织的血流量的测量直至第十二分钟结束，每个探测器（62）共测量120个点，形成如图7所示的清除曲线和未端潮气曲线。

下面参见图2，图2为本发明的脑图成像系统的方框图。我们把能同时对脑电图（EEG）和脑血流量图（γCBF）成像的系统称为脑图成像系统。由图2可见，脑图成像系统包含：脑电地形图（EEG）生成装置（21），脑血流量地形图（γCBF）生成装置（22），和彩色图像显示、存贮和打印装置（23）。

脑电地形图（EEG）生成装置（21），该装置的放大滤波及数据采集、FFT变换等类似于丹麦DANTEC的SEEG16。该装置属已有技术，这里不再对其详细描述。

脑血流量地形图（γCBF）生成装置（22），以上对其组成、各部分的功能、结构，脑血流量地形图的生成方法和工作过程等均作了详细描述，这里不再描述。

彩色图像显示、存贮和打印装置（23），彩色显示、存贮左右半球额中回中部、额中回后部、中央后回中部、顶叶的缘上回、额下回Bioca's区、中央前回下部、颞上回后部、角回、额下回框部、颞上回前部、颞中回中部、颞中回后部、枕前切迹上方、小脑-脑干区的血流量数据。以左、右大脑半球（含小脑-脑干区）彩色显示、拷贝γCBF地形图及EEG地形。最终给出彩色γCBF地形图、EEG地形图以及定量γCBF值的综合信息。

为了进一步方便实施本发明，下面给出对应于上述组成方框的一些主要硬件结构电原理图。

参见图9，图9为本发明的脑血流量（γCBF）地形图生成装置中的多道放大、成形装置（12）、多道计数装置（13）和数据总线单元（14）的电原理图。其中4× 1/4 TL084集成块及其附属线路构成多道放大、成形装置（12）中的一道（一路）;2×74HC393和2×74HC245构成多道计数装置（13）中的一道16位计数电路;74HC138和74HC245构成 1/4 数据总线单元（14）。

参见图9，图9为本发明的脑血流量（γCBF）地形图生成装置中的控制装置（15）的具体电路图，它接收来自微机的各种指令并向有关装置发出控制信号。

图10为数据处理装置（16）中的数据获取接口的具体线路，多路探测信号经该接口存入内存再由数据处理装置（16）对这些信号进行数学处理以计算出各灰、白质血流量。

本发明的脑血流量（γCBF）地形图生成装置中的数据处理装置（16）的主体、脑血流量像素生成装置（17）和脑血流量地形图装置（18）由微机构成。本发明中采用286微机（配备80287）。

以上通过具体实施例对本发明作了详细描述，本技术领域中的普通技术人员都可对其具体实施例作种种修改和变换，因此本文所举实施例不能作为本发明精神实质的限制，本发明所要求保护的范围将由所附权利要求书加以限定。