时间：2020-07-13
近红外脑功能成像是基于近红外线光可以穿透头皮层、颅骨层抵达大脑皮层进而抵达大脑皮层的特性，利用出射光强变化检测大脑皮层的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度变化, 进而高时空分辨的提供脑功能定量图像的一种无创检测方式。该技术可以有效地对脑功能进行可视化和定量评估，为大脑功能研究、中风康复、抑郁症等精神疾病、阿尔兹海默等神经退行性疾病、儿童多动症等疾病的评估、诊断与筛查提供全新手段。
传统的模拟检测方式受限于其灵敏度及时间分辨率，难以完成大脑皮层微弱兴奋信号的检测。光子计数技术的出现及发展极大地提高检测灵敏度，但因其只能采用顺序源激励的非并行测量模式，严重降低了时间分辨率。为解决上述问题，本团队开发了一套基于锁相光子计数技术的三波长、240通道、高灵敏的HD-fNIRS系统Brain-Explorer（见图1、图2）。该系统将光子技术测量的高灵敏度、大动态范围与锁相检测的并行化优势相结合，能够有效实现HD-fNIRS系统的设计。系统采用交叠方式来完成源探布配，并提出了多种光源分场激励方案以平衡测量灵敏度和时间分辨率的多种需求。此外，本团队为使系统操作更加方便，编辑了与下位机相对应的人机交互界面，可用于参数设置、操作控制、数据显示存储以及监测指示（见图3）。
图1 系统原理图
图2 系统实物图
图3 人机交互界面
基于Brain-Explorer系统，本团队使用源-探交叠布配方式的实验装置（见图4）进行了静态实验（见图5、图6）以及动态实验研究（见图7），从而对本团队开发的锁相光子计数型fNIRS脑功能成像系统进行了成像能力评估。结果表明，Brain-Explorer系统可以在50ms积分时间下有效探测深度为12mm、对比度为1.1的兴奋变化，达到国际领先水平。同时，动态试验表明，本文所提出的近红外脑功能成像系统在并行测量的模式下具有良好的动态成像能力，并能从一定程度上说明其可用于追踪人脑内部兴奋变化过程。
图4 实验装置
图5 不同深度DOT重建结果
图6 不同对比度下的DOT重建结果
图7 动态实验下的DOT重建结果
承担课题：
1. 面向视觉脑功能探测的高灵敏度与定量化近红外光谱成像关键方法，国家自然科学基金面上项目（61575140），2016.1-2019.12.
2. 多通道近红外脑成像检测仪，横向项目（委托方：北京不器科技发展有限公司），2017.6-2018.6.
发表的主要论文：
1. Wang Bingyuan,Pan Tiantian,Zhang Yao,et al.A Kalman-based tomographic scheme for directly reconstructing activation levels of brain function[J]. OPTICS EXPRESS,2019,27(3): 3229 -3246.
2. Liu Dongyuan, Wang Bingyuan, Pan Tiantian,et al. Toward Quantitative Near Infrared Brain Functional Imaging: Lock-In Photon Counting Instrumentation Combined With Tomographic Reconstruction[J].IEEE ACCESS.2019, 7(1):86829-86842.
3. Wang Bingyuan,Zhang Yao,Liu Dongyuan,Ding Xuemei,Dan Mai,Pan Tiantian,Zhao Huijuan,Gao Feng. Sparsity-regularized approaches to directly reconstructing hemodynamic response in brain functional diffuse optical tomography.[J]. Applied optics,2019,58(4).
4. 丁雪梅,王兵元,刘东远,张耀,潘甜甜,高峰.基于锁相光子计数的多通道脑功能成像系统[J].中国激光,2019,46(01):262-268.
5. 刘明，孟伟，周晓青，等. 近红外脑功能DOT成像双网格半三维算法[J].天津大学学报(自然科学与工程技术版),2015,48(01):62-69.
6. Liu M, Jia M, Zhao H, et al. Region stepwise reconstruction method based on two source-detector-separation groups for reconstructing background optical properties of two-layered slab sample[J]. Chinese Optics Letters, 2014, 12(11): 111702.
发明专利：
1. 一种基于全并行锁相光子计数检测模式的NIRS脑功能成像系统（申请号201710466642.4）
2. 一种用于近红外光谱脑功能检测的光强自动调节设备（专利号2017113824978）
3. 一种多通道近红外脑功能成像并行检测系统（中国发明专利CN201110286531.8）
