CN202960511U - 光传感系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种光传感系统，用于解决现有的磁共振扫描器分辨率低的技术问题。技术方案是光传感系统包括发射部分和接收部分；发射部分由脉冲电源、红外激光二极管、光纤耦合传送器件和激光发射光纤（3）组成；接收部分由光纤接受端、信号传输光纤（4），红外探测器、前放电路与数据采集器、数据处理系统组成；激光发射光纤（3）与信号传输光纤（4）对应；激光发射光纤（3）和信号传输光纤（4）交替置于集线垫片（2）上，组成视觉中枢光传感器组件Za和运动中枢光传感器组件Zb。由于采用光速传播器件，提高了检测过程中的时间分辨率。
Description
技术领域
本实用新型涉及传感器领域，特别是涉及一种光传感系统。
背景技术
人类和一部分动物类，当神经活动时脑组织呈血氧动态，利用磁共振成像技术(MRI)获取血氧动态过程中的脑组织图像称为功能磁共振成像（fMRI）技术。血流变化和血氧浓度变化统称血氧动态，当脑神经活动时，将增加对葡萄糖的消耗量和相应的有氧和无氧代谢。脑组织响应代谢过程即增加血流量的过程，并且有1至5秒的延迟。血氧动态响应在4至5秒时到达峰值，产生区域性有氧血红蛋白(oxyhemoglobin，HbO2)，脱氧血红蛋白(deoxyhemoglobin，HbR)浓度变化，血流变化和血容积变化，即血氧相关信号（Blood-oxygen-level dependence，BOLD）。fMRI技术的基本原理就是利用脱氧血红蛋白的磁感率不同而产生T1或T2*加权的图像灰度差。
现有磁共振脑组织功能成像存在诸多瓶颈和未解决的难点，第一，磁共振扫描获取一副图像或一段动态视频数据需要足够长的时间（通常1分钟以上），充分覆盖k空间或k-t空间才能达到所需的分辨率；然而脑组织血氧浓度变化信号（Bold）却是瞬时同步和动态两种特征状态。因此其存在二个缺陷，第一，采集的k空间数据非来自脑组织血氧浓度变化信号（Bold）同一状态，无法满足时间分辨率的要求。第二，目前临床和研究磁共振功能成像最常用的方法是运用平面脉冲回波（EPI）等快速成像脉冲序列减少成像所需时间，其问题是，存在图像变形和空间分辨率低、信噪比低的显著缺点，而且，时间分辨率低（大于1秒），仍然无法获得高时间分辨率图像。
脑组织功能成像的临床意义十分重要，由于磁共振脑组织功能成像存在诸多瓶颈和未解决的难点，光学断层摄像技术用于脑功能成像已经受到研究人员关注，美国专利数据库发表的“TASK-LESS OPTICAL MAPPING OF BRAIN FUNCTION USINGRESTING STATE FOUNCTIONAL CONNECTIVITY”（Joseph P.Culver et.al.，Appl.No.：12425743）公布了一种光学断层探测技术探测在休息状态下和无任务激励状态下的脑功能图像。Joseph指出传统磁共振功能成像通常是基于任务激励的，如测量运动中枢皮层功能状态需要手部运动激励。这种方法时间分辨率高，可以达到人体临床标准（毫秒尺度），还可测量总血红蛋白(total hemoglobin，HbT)、有氧血红蛋白(oxyhemoglobin，HbO2)、脱氧血红蛋白(deoxyhemoglobin，HbR)浓度变化和浓度绝对值等。然而，其缺点是空间分辨率低，为了获得更清晰的脑功能图像，有采用磁共振成像联合其它检测方法获得更高的分辨率脑功能图像的研究，如：磁共振-脑电探测仪联合成像(EEG-FMRI)，该方法是，联合应用脑电探测技术，脑电探测技术，时间分辨率较高(毫秒尺度)，给磁共振功能成像过程提供时间相关参数修正。然而，这种方法没有一种很好的协同机制，存在诸多缺陷：其一，磁共振扫描器的射频磁脉冲会在脑生物电探测电极感生电流，射频脉冲序列是离散的时间序列，脑电探测仪即通过需要采取相应时间关断措施。其二，磁共振扫描器产生的空间变化梯度磁场也会在脑电电极感应电流，而这类持续存在的梯度磁场很难有效消除其感应产生的电流，导致脑电探测仪接收的信号存在感应电流信号的干扰。其三，头部运动在磁场的作用下，也会使脑电电极感应电流产生噪声。第四，脑电电极材料的磁感率会对静磁场B0的不均匀性产生影响，而磁场不均匀性会给磁共振系统带来图像扭曲、伪影。磁共振-脑电探测仪联合成像技术还存在脑电电极感生电流产生的热效应会对皮肤灼伤的问题。
发明内容
为了克服现有的磁共振扫描器分辨率低的不足，本实用新型提供一种光传感系统。该系统将激光发射光纤和信号传输光纤交替置于集线垫片上，组成视觉中枢光传感器组件Za和运动中枢光传感器组件Zb，由于采用光速传播器件，可以提高检测过程中的时间分辨率。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种光传感系统，其特点是包括发射部分和接收部分。发射部分由脉冲电源、红外激光二极管、光纤耦合传送器件和激光发射光纤3组成，脉冲电源、红外激光二极管、光纤耦合传送器件和激光发射光纤3依次电连接；接收部分由光纤接受端、信号传输光纤4，红外探测器、前放电路与数据采集器、数据处理系统组成，光纤接受端、信号传输光纤4，红外探测器、前放电路与数据采集器、数据处理系统依次电连接；激光发射光纤3与信号传输光纤4对应，一个激光发射光纤3对应一个信号传输光纤4。激光发射光纤3和信号传输光纤4交替置于集线垫片2上，组成视觉中枢光传感器组件Za和运动中枢光传感器组件Zb。
所述集线垫片2的材料是热解石墨泡沫材料。
所述视觉中枢光传感器组件Za由三十二支激光发射光纤3和三十二支信号传输光纤4构成。
所述运动中枢光传感器组件Zb由三十六支激光发射光纤3和三十六支信号传输光纤4构成。
所述激光发射光纤3是高双折射率光纤。
所述信号传输光纤4是高双折射率光纤。
本实用新型的有益效果是：将激光发射光纤和信号传输光纤交替置于集线垫片上，组成视觉中枢光传感器组件Za和运动中枢光传感器组件Zb，由于采用光速传播器件，提高了检测过程中的时间分辨率。
下面结合具体实施方式对本实用新型作详细说明。
附图说明
图1是本实用新型光传感系统工作位式示意图。
图2是本实用新型光传感系统框图。
图3是采用本实用新型光传感系统组成的视觉中枢光传感器组件Za和运动中枢光传感器组件Zb的示意图。
图4是本实用新型光传感系统算法框图。
图5是采用本实用新型光传感系统光学法时轴定位时分式功能磁共振成像方法流程图。
图中，1-磁共振成像鸟笼磁线圈；2-集线垫片；3-激光发射光纤；4-信号传输光纤。
具体实施方式
参照图1～5，本实用新型光传感系统包括发射部分和接收部分。发射部分由脉冲电源、红外激光二极管、光纤耦合传送器件和激光发射光纤3组成，脉冲电源、红外激光二极管、光纤耦合传送器件和激光发射光纤3依次电连接；接收部分由光纤接受端、信号传输光纤4，红外探测器、前放电路与数据采集器、数据处理系统组成，光纤接受端、信号传输光纤4，红外探测器、前放电路与数据采集器、数据处理系统依次电连接；激光发射光纤3与信号传输光纤4对应，一个激光发射光纤3对应一个信号传输光纤4。激光发射光纤3和信号传输光纤4交替置于集线垫片2上，组成视觉中枢光传感器组件Za和运动中枢光传感器组件Zb。
基于事件刺激后的脑组织皮层血氧动态响应，由光传感系统测量血氧动态变化的空间分布状态集合M，脑皮层响应的动态过程的所选特定状态MA为判定状态。当检测当前状态为判定状态MA时，触发磁共振线圈发射磁共振信号激励脉冲、梯度编码、数据采集。当当检测当前状态改变时，磁共振仪停止工作。重复上述流程至k空间或k-t空间数据采集完毕。
激光发射光纤3和信号传输光纤4交替置于集线垫片2上，集线垫片2与被检测者头部贴紧，磁共振成像鸟笼磁线圈1产生激励射频脉冲和接收磁共振信号。
集线垫片2采用热解石墨（pyrolytic graphite）泡沫材料，该材料质量轻且柔软，磁感系数和人体组织相近，可减少对B0磁场不均匀性的影响。
激光发射光纤3、信号传输光纤4，采用高双折射率（high-birefringence）光纤，以抑制磁光效应，即抑制磁共振扫描器的磁场对光信号传输的干扰。
视觉中枢光传感器组件Za、运动中枢光传感器组件Zb、实现对脑皮层的血红蛋白浓度和血流量的2维空间分布状态的探测，采用32支激光发射光纤3和32支信号传输光纤4构成视觉中枢光传感器组件Za，采用36支激光发射光纤3和36支信号传输光纤4构成运动中枢光传感器组件Zb，分别分布在头顶部和脑后的视觉中枢、运动中枢等对应位置，一个激光发射光纤3对应一个信号传输光纤4。
视觉中枢光传感器组件Za，32对组件置于脑后的视觉中枢对应位置，运动中枢光传感器组件Zb，36对组件置于头顶部运动中枢对应位置。
状态M的测定方法原理为，2维多元光源和光探测器组每一对光源和探测器输出信号为一分量，所有分量输出二维矩阵数据将确定空间状态M。分量传感原理为，采用指数移动平均滤波的波长调制光谱法，可以实现实时分辨率，控制延迟，也可以将呼吸和表层血流高频信号噪声滤除。
由脉冲电源、红外激光二极管、光纤耦合传送器件、激光发射光纤3、光纤接受端、信号传输光纤4，红外探测器、前放电路与数据采集器、数据处理系统组成光传感系统。
检测信号通过光纤端子接收由光纤束传输至雪崩光学传感器端口，雪崩光学传感器获得变化的光谱信号，分别由32路和36路数据采集器，数据采集器采集的信号由计算机处理，处理后的数据形成规律曲线用于状态检测和判断。
波长调制信号，即红外二极管激光器和雪崩红外探测器组传感总血红蛋白、氧血红蛋白、脱氧血红蛋白浓度对光谱吸收。激光电源驱动红外二极管激光器驱动电流使得波长变化跨过600nm至1000nm，并且调制成为ω=50MHz正弦波。通过快速调节波长抑制激光器1/f噪声。波长调制光谱法吸收后光强，采用比尔朗伯（Beer-Lambert）定律物理建模，并数学上分解为基波为ω的傅里叶级数。
参考信号，即频率为2ω的余弦信号cos2ωt。
指数移动平均滤波（exponential moving average），即一种移动平均滤波器（movingaverage，MA），其加权平均的权重对于时间轴的新数据更大，能控制和减少时间延迟，满足实时要求。并且能滤除心跳、呼吸和表面血流噪声。
实时浓度信号，即经算法解调的光强信号。运算符号是乘法器，即波长调制光谱信号和参考信号2ω正弦信号经乘法器相乘，而指数移动平均滤波器是低通滤波器，由于波长调制光谱信号携带基波ω频率信号和谐波分量，经参考信号调制解调通过低通滤波器，获取波长调制信号2ω分量，即反映实时浓度信号的光强信号。
Claims (6)
1.一种光传感系统，其特征在于：包括发射部分和接收部分；发射部分由脉冲电源、红外激光二极管、光纤耦合传送器件和激光发射光纤（3）组成，脉冲电源、红外激光二极管、光纤耦合传送器件和激光发射光纤（3）依次电连接；接收部分由光纤接受端、信号传输光纤（4），红外探测器、前放电路与数据采集器、数据处理系统组成，光纤接受端、信号传输光纤（4），红外探测器、前放电路与数据采集器、数据处理系统依次电连接；激光发射光纤（3）与信号传输光纤（4）对应，一个激光发射光纤（3）对应一个信号传输光纤（4）；激光发射光纤（3）和信号传输光纤（4）交替置于集线垫片（2）上，组成视觉中枢光传感器组件Za和运动中枢光传感器组件Zb。
2.根据权利要求1所述的光传感系统，其特征在于：所述集线垫片（2）的材料是热解石墨泡沫材料。
3.根据权利要求1所述的光传感系统，其特征在于：所述视觉中枢光传感器组件Za由三十二支激光发射光纤（3）和三十二支信号传输光纤（4）构成。
4.根据权利要求1所述的光传感系统，其特征在于：所述运动中枢光传感器组件Zb由三十六支激光发射光纤（3）和三十六支信号传输光纤（4）构成。
5.根据权利要求1所述的光传感系统，其特征在于：所述激光发射光纤（3）是高双折射率光纤。
6.根据权利要求1所述的光传感系统，其特征在于：所述信号传输光纤（4）是高双折射率光纤。
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