（控制科学与工程专业论文）内源光学功能成像数据的时空分析研究.pdf

国防科学技术大学研究生院博士学位论文 摘要 本文对内源光学数据的时空分析方法及低频自发振荡信号的时空模式做了深 入研究。 提出了利用时间兼空间结构信息进行脑成像数据盲源信号分离的思想。其基 本假设为：相对于噪声，感兴趣信号无论在时间上还是在空间上变化都较为平滑， 即一个小的邻域内的采样点数值上相近。在此思想下，设计了包含时间兼空间邻 域特征的目标函数，并给出了令该目标函数最大化的解析求解公式，将其归结为 一个特征向量求解问题。在实现上述思想的过程中，主要解决了三个具体问题：( a ) 构建了一个新的指标来定义时间信号源的空间分布图，这使得数学上量化描述时 间信号源的空间邻域特征成为可能：( b ) 提出了一种最大化信号自相关系数的新的 实现手段，使推导过程摆脱了“延迟协方差矩阵对称条件”；( c ) 利用奇异值分解 工具，提出了不损失信息的条件下低维度实现时间分析的流程，该流程既可以用 来低维度实现上述目标函数的求解，也可以用来改进传统时间分析方法，在不降 维的条件下降低其时间复杂度。 在时间盲信号分离过程中引入直接图像投影技术。对直接图像投影技术进行 了矩阵形式的描述，并从时间空间分析的角度出发，揭示了它与时间分析、空间 分析手段的联系与区别。提出了“广义时间序列 的概念，“广义时间序列”的 样本之间既包含时间轴的信息，又包含空间上行或列内的信息，所以可以同时定 义“广义时间序列 的时间邻域特征和空间邻域特征，这使得从另外一个角度最 大化时间兼空间邻域特征成为可能。 研究了内源光学成像手段在人脑研究应用中的重要问题皮层运动的消 除。提出了对标志点进行分组弱化的薄板样条算法对皮层图像序列进行配准。使 用薄板样条插值函数拟合形变函数的过程中弱化标志点约束条件，允许标志点与 匹配点之间存在一定误差。结合标志点定位精度的量化衡量技术，对标志点按定 位精度分组，并对不同组的标志点以不同的权值进行弱化。定义了衡量图像配准 效果的代价函数，通过最小化该代价函数确定各组的权值。 利用盲源分离技术和傅立叶谱分析手段对低频自发振荡信号的时空特性进行 研究，发现了刺激调制下该信号幅度增强、相位跳变和空间趋于同步的现象，尽 我们所知，此现象在国内外尚未有报道。并据上述现象探讨了低频自发振荡信号 的形成机理，提出了如下观点：细小动脉的舒缩对绿光( - 5 4 6 n m ，下同) 下皮层中 的自发振荡贡献很大。根据振荡信号在动静脉和皮层的相位差别特点，得出以下 结论：红光( - - 6 0 5 n m ) 下的相位差反应了代谢产物在动静脉中的流动方向和路径。 绿光下没有明显的相位差可能源于在血管处采集的振荡信号与皮层处采集的振荡 第i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 信号的形成机理存在不同。 主题词：内源光学功能成像 盲源分离 时间分析空间分析直接图像投 影技术低频自发振荡信号人脑内源光学医学图像配准 第i i 页 国防科学技术大学研究牛院博士学位论文 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o ni sf o c u s e do nt h es p a t i a l t e m p o r a la n a l y s i sm e t h o d sf o ri n t r i n s i c o p t i c a li m a g i n gd a t a s e ta n dt h e i ra p p l i c a t i o n si ns p a t i o - t e m p o r a lp a t t e r na n a l y s i so f s p o n t a n e o u sl o wf r e q u e n c yo s c i l l a t i o n s i nb l i n ds e p a r a t i o no fb r a i nm a p p i n gs i g n a l s ，t h es p a t i a lp l u st e m p o r a ls t r u c t u r e i n f o r m a t i o ni su t i l i z e d i ti sa s s u m e dt h a tt h ei n t e r e s t i n gs i g n a l sa l t e rs m o o t h l yc r o s s b o t l ls p a c ea n dt i m e ，i e t h en e i g h b o r i n gs a m p l e p o i n t sa r es i m i l a r t h e nt h eo b j e c t f u n c t i o nw h i c hq u a n t i f i e sa n di n t e g r a t e st e m p o r a la n ds p a t i a ls t r u c t u r ei n f o r m a t i o ni s d e f i n e da n dm a x i m i z e d t h r e ep r o b l e m sa r es o l v e di nt h i s p r o c e d u r e ( a ) an e w d e f i n i t i o no ft h es p a t i a lp a t t e r no fat e m p o r a ls i g n a li sg i v e n t h i sm a k e si tp o s s i b l et o q u a n t i f yt h es p a t i a ls t r u c t u r ei n f o r m a t i o nf o rat e m p o r a ls o u r c e ( b ) an o v e lm e t h o df o r m a x i m i z i n ga u t o c o r r e l a t i o ni sp r o p o s e d u n l i k et r a d i t i o n a lm e t h o d s ，i td o e sn o tr e l yo n t h es o - c a l l e d “s y m m e t r ya s s u m p t i o nf o rd e l a y e d s h i f t e dc o v a r i a n c em a t r i x ( c ) al o w d i m e n s i o n a lp r o c e d u r ef o rt e m p o r a la n a l y s i si sd e v e l o p e d i tc o u l db ea p p l i e dt oa n y t r a d i t i o n a lt e m p o r a l a n a l y s i sm e t h o d sa n dr e d u c et h e i rc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y w i t h o ml o s i n ga n yi n f o r m a t i o n t h es t r a i g h t f o r w a r di m a g ep r o j e c t i o nt e c h n i q u ei si n t r o d u c e di n t ot h et e m p o r a l s o u r c e s e p a r a t i o n b yr e p r e s e n t e di t i nt h em a t r i xf o r m a t , t h ed i f f e r e n c e sa n d r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h i st e c h n i q u ea n dt h et e m p o r a l s p a t i a la n a l y s i sa r er e v e a l e d i ti s i n d i c a t e dt h a tt h es t r a i g h t f o r w a r di m a g ep r o j e c t i o nt e c h n i q u ep e r f o r m st h ed a t aa n a l y s i s f r o man o v e lv i e w p o i n tb yt r a d i t i o n a lp r o c e d u r e t h ec o n c e p t o f “g e n e r a l i z e d t i m e c o u r s e ”i sp r o p o s e d b e c a u s et h e r e a r eb o t l lt e m p o r a la n ds p a t i a lr e l a t i o n s h i p s a m o n gt h es a m p l ep o i n t si no n e “g e n e r a l i z e dt i m e e o u r s e ”，i ti sp o s s i b l et od e f i n e t e m p o r a lp l u ss p a t i a ls t r u c t u r ei n f o r m a t i o na n dm a x i m i z ei t t h ec r i t i c a lp r o b l e mi no if o rh u m a nb r a i n , t h ec o r t e xm o v e m e n tr e d u c t i o n , i sa l s o s t u d i e di nt h i sd i s s e r t a t i o n an e wc o r t e xi m a g er e g i s t r a t i o na l g o r i t h mb a s e do n t h i n - p l a t es p l i n e si sp r o p o s e d i nt h es p l i n e si n t e r p o l a t i o n , t h ep o 硫c o n s t r a i n t sa r e w e a k e n e da n dt h ei n t e r p o l a t i o nf u n c t i o nn e e d sn o tt oe x a c t l yg ot h r o u g ht h el a n d m a r k s b a s e do ne s t i m a t i n gt h el o c a l i z a t i o na c c u r a c yo fe a c hl a n d m a r k , a l ll a n d m a r k sa r e c a t e g o r i z e di n t os e v e r a lg r o u p s e a c hg r o u pi sw e a k e n e db yd i f f e r e n tw e i g h tv a l u e s a c o s tf u n c t i o nw h i c hq u a n t i f i e st h er e g i s t r a t i o ne r r o r si sg i v e n , a n dt h ew e i g h tv a l u e sa r e d e c i d e db ym i n i m i z i n gt h i sc o s tf u n c t i o n b yt h eb l i n ds o u r c es e p a r a t i o nm e t h o da n df o u r i e rs p e c t r u ma n a l y s i st e c h n i q u e ， t h es p a t i o t e m p o r a lp a t t e r no fs p o n t a n e o u sl o wf r e q u e n c yo s c i l l a t i o n si ss t u d i e d a f t e r t h ee l e c t r i c a ls t i m u l a t i o n ，i ti so b s e r v e dt h a tt h ep h a s e so ft h el f o s i g n a l sa r ec h a n g e d ， t h e a m p l i t u d e sa r ei n c r e a s e d ，a n dm o s ti m p o r t a n t l y ，t h es i g n a l si nt h eb i l a t e r a l s o m a t o s e n s o r yc o r t e xt e n dt ob es y n c l l r o n l z e d b a s e do nt h e s ep h e n o m e n a , t h eo r i g i no f 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 t h el f os i g n a l si sd i s c u s s e d i ti sa r g u e dt h a tt h ea r t e r i o l ev a s o m o t i o nm a yb et h em a j o r c o n t r i b u t i o nt ot h el f os i g n a l su n d e r g r e e ni l l u m i n a t i o n ( - 5 4 6 u m ) t h ep h a s e r e l a t i o n s h i pa m o n gt h el f os i g n a l so fa r t e r i e s ，v e i n sa n dc o r t e xi sa l s os t u d i e d b a s e d o nt h ep h a s er e l a t i o n s h i pu n d e rr e d g r e e ni l l u m i n a t i o n ，i ti ss u g g e s t e dt h a tr e m a r k a b l e p h a s ed i f f e r e n c ea t - - 6 0 5 n ms h o w st h em o t i o no fd e o x y h e m o g l o b i na n dn o n ep h a s e d i f f e r e n c ea t - 5 4 6 n mm a yi m p l yd i f f e r e n tm e c h a n i s mo ft h el f o s i g n a l so fc o r t e x e s a n dv e s s e l s k e yw b r d s ：i n t r i n s i co p t i c a li m a g i n g ，b l i n ds o u r c es e p a r a t i o n t e m p o r a l a n a l y s i s ，s p a t i a l a n a l y s i s ，s t r a i g h t f o r w a r di m a g ep r o j e c t i o n t e c h n i q u e ， s p o n t a n e o u sl o wf r e q u e n c y o s c i l l a t i o n ，i n t r a o p e r a t i v eo i ，m e d i c a li m a g e r e g i s t r a t i o n 第i v 页 国防科学技术大学研究- 牛院博士学位论文 表目录 表2 1 控制器与p c 机通讯的命令格式2 4 表2 2 光学数据文件头格式3 7 表3 1 时间分析仿真实验中各种算法的平均计算时间( 单位：秒) 7 2 表4 1 仿真实验中各种算法的平均计算时间( 单位：秒) 8 5 表4 2l d c c a 各步骤计算复杂度9 0 表5 1 自发振荡信号的研究情况9 7 第v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图目录 图1 1 主流脑成像手段的性能对比2 图1 2 神经元及突触的结构和工作原理3 图1 3 动作电位的电压变化曲线。5 图1 4 神经元兴奋和静息时的能量消耗比率7 图1 5 微血管循环系统8 图1 - 6 发色团成像和散射光成像的原理1 1 图l 一7h b r 和h b 0 2 对不同波长光的吸收率1 1 图1 8 内源o i 信号一神经信号耦合的近似线性特征1 4 图1 - 9 不同波长下的光学信号响应曲线1 4 图2 1 光学成像系统示意图2 1 图2 2 图像采集系统的硬、软件结构2 2 图2 3 控制器单片机程序流程图2 5 图2 - 4 采集与照明波长切换的同步2 7 图2 5l e d 交替亮灭光源外形示意图2 8 图2 6d d 31 3 接线示意图2 9 图2 7 多数据记录周期( t r i a l ) 的概念2 9 图2 8 电刺激相关参数3 0 图2 - 9 刺激方案示意图31 图2 1 0 图像序列连续采集及丢帧示意图3 3 图2 1 1 图像采集过程中的数据流动3 4 图2 1 2 多线程流程图3 6 图2 1 3 采集软件界面3 8 图2 1 4 平均时间曲线工具界面3 9 图2 1 5s d 大鼠体感区功能图4 0 图2 1 6 解剖位置吻合工具效果图4 0 图2 1 7 软件示波器界面4 l 图2 1 8 光学小室。4 3 图2 1 9 动物手术示意图4 4 图3 1 时间分析和空间分析示意图4 7 图3 2 时间分析的仿真数据生成示意图6 7 图3 3e t d 和e s t d 的输出信号1 与源信号的相关系数的直方图( s n r = 0 3 ) 6 8 图3 4e t d 和e s t d 的输出信号2 与源信号的相关系数的直方图( s n i p o 3 ) 6 8 第v i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图3 5e t d 和e s t d 提取的信号与源信号相关系数的平均值和标准差6 8 图3 - 6t c c a 和s t c c a 的输出信号1 与源信号的相关系数的直方图( s n r = 0 2 ) 6 9 图3 7t c c a 和s t c c a 的输出信号2 与源信号的相关系数的直方图( s n i b 0 2 ) 6 9 图3 8t c c a 和s t c c a 提取的信号与源信号相关系数的平均值和标准差7 0 图3 - 9 棋盘格仿真数据生成示意图7 0 图3 1 0e s d 和e s t d 输出信号与源信号相关系数的直方图( s n r = 0 4 ) 7 1 图3 1 1e s d 与e s t d 输出信号与源信号相关系数的均值和标准差7 l 图4 1 数据重组及广义时间序列示意图7 8 图4 2 “广义分量示意图8 2 图4 3 各算法提取的信号与理想源信号相关系数的平均值8 4 图4 - 4 各算法的输出信号1 与理想信号相关系数的直方图( s n r = 0 3 ) 8 4 图4 5 各算法的输出信号2 与理想信号相关系数的直方i 虱( s n r = 0 3 ) 8 4 图4 6 真实光学数据的例图及其解剖位置8 5 图4 7l d c c a 、t c c a 和t i c a 从真实o i 数据中提取的源信号8 6 图4 8 信号a 1 、b 1 和c 2 的空间分布图8 7 图4 9 刺激相关振荡信号的空间分布图8 7 图4 1 0l d c c a 、t c c a 和t l c a 从真实f m r i 数据中提取的源信号8 7 图4 1 1 信号a 3 、b 3 和c 4 的空间分布图。8 7 图4 1 2e t d 和l d e t d 提取的信号与源信号相关系数的平均值和方差8 9 图5 1r o i 时间曲线的幅值谱示意图9 9 图5 2 绿光下单记录周期图像序列平均时间曲线1 0 0 图5 3l d e t d 在刺激前数据中提取的l f o 相关信号源及其分布图1 0 1 图5 - 4l d e t d 在刺激后数据中提取的l f o 相关信号源及其分布图1 0 1 图5 5 绿光下刺激前后0 1 h z 频率分量的d f t 相位分布图对比1 0 1 图5 - 6 绿光下刺激前后0 1 h z 频率分量的d f t 相位直方图1 0 2 图5 7 红光下刺激前后o 1 h z 频率分量的d f t 相位分布图对比1 0 3 图5 8 红光下刺激前后0 1 h z 频率分量的d f t 相位直方图对比1 0 3 图5 - 9 绿光下刺激前后0 1 h z 频率分量的d f t 幅值图1 0 3 图5 1 0 红光下刺激前后0 1 h z 分量d f t 幅值图1 0 3 图5 1 1 红光下单记录周期平均时间曲线1 0 4 图5 1 2l d e t d 在刺激前后的数据中提取的信号源及其分布图1 0 4 图5 1 3 绿光下多记录周期实验的平均时间曲线1 0 5 图5 1 4 红光下多记录周期实验的平均时间曲线1 0 5 图5 1 5 红光和绿光下血管与皮层平均时间曲线的比较1 0 6 第v i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图5 1 6 单细胞放电受l f p 波动控制示意图1 0 9 图6 1 自研人脑o i 成像设备示意图1 1 7 图6 2 在不同时间点采集到的大脑皮层图像1 2 3 图6 3 旧算法a t p s 和改进算法i a t p s 的配准误差图像1 2 3 图6 - 4 旧算法a t p s 和改进算法i a t p s 进行光学图像序列配准误差的对比1 2 3 第v i i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 缩略语 2 d - p c a2d i m e n s i o n a lp r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s 二维主成分分析 a i r a u t o m a t e di m a g er e g i s t r a t i o n自动图像配准技术 a t pa d e n o s i n et r i p h o s p h a t e三磷酸腺苷 b o l db l o o do x y g e n a t i o nl e v e l d e p e n d e n t 血氧依赖水平 b s sb l i n ds o u r c es e p a r a t i o n 盲源分离 c b fc e r e b r a lb l o o df l o w 脑区血流速度 c b vc e r e b r a lb l o o dv o l u m e 脑区血容量 c c d c h a r g ec o u p l e dd e v i c e 电荷耦合器件 c c ac a n o n i c a lc o r r e l a t i o na n a l y s i s 典型相关分析 d m ad i r e c tm e m o 巧a c c e s s 直接存储器存取 e s de x t e n d e ds p a t i a ld e c o r r e l a t i o n 扩展空间解相关 e s m e c s me l e c t r o c o r t i c a ls t i m u l a t i o nm a p p i n g 电皮层刺激成像 e t d e x t e n d e dt e m p o r a ld e c o r r e l a t i o n扩展时间解相关 f f tf a s tf o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n快速傅立叶变换 l b fl o c a lb l o o df l o w 局部血流速度 l b vl o c a lb l o o dv o l u m e 局部血容量 l d fl a s e rd o p p l e rf l o w m e t r y 激光多普勒血流计 l d c c al o wd i m e n s i o n a lc a n o n i e a lc o r r e l a t i o na n a l y s i s 低维正则相关分析 l d e t d l o wd i m e n s i o n a le t d 低维扩展时间解相关 l f ol o wf r e q u e n c yo s c i l l a t i o n低频振荡 l f pl o c a lf i l e dp o t e n t i a l 局部场电位 m i lm a t r o xi m a g i n gl i b r a r y m a t r o x 图像库 t m r i f u n c t i o n a lm a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g功能磁共振成像 f i b h e m o g l o b i n 血红蛋白 m 0 2 o x y h e m o g l o b i n 合氧血红蛋白 h b r d e o x y h e m o g l o b i n 去氧血红蛋白 h f o h i g hf r e q u e n c yo s c i l l a t i o n 高频振荡 h p l l i n d p a w 后爪区 h r f h a e m o d y n a m i cr e s p o n s ef u n c t i o n血液动力学响应函数 m m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g 磁共振成像 m s w m m o l g e d e y s c h u s t e rw e a km o d e lm s 弱化模型 i c a i n d e p e n d e n tc o m p o n e n ta n a l y s i s 独立成分分析 第1 x 页 国防科学技术火学研究牛院博士学位论文 第x 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：凼塑趟堂边能盛鱼熬堡的盟空金堑盟塞 学位论文作者擀：4 * 魄2 锕年m 歹日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：凼逐羞堂边能盛倦熬握数盟空金盘盈窒 学位论文作者签名：z 塞蛆 日期：2 。o 留年d 月歹日 作者指导教师签名：瑙i 重：日期：加8 年fd 月日 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 万类霜天之中，人类无法像鹰一样击长空、像鱼一样翔浅底，但却实现了上 九天揽月，下五洋捉鳖的梦想。人无爪牙之利、被甲之坚，却高高占据着食物链 的最顶端。围沧海做桑田，截高峡为平湖，做为万物之灵的人类，展现出了令人 神共叹的改造自然的能力。如此璀璨文明的取得，都归因于我们高度发达的大脑。 人类从动物中脱离已逾百万年，尽管期间人类在好奇心的驱使下对这个神奇 的器官不断试探、摸索，但受限于技术条件，对自己的大脑一直知之甚少。最近 几十年来，现代科技的发展终于使得人类得以在诞生数百万年以后来研究这个令 我们“之所以为人的器官大脑。这里所说的“现代科技 ，脑功能成像技 术便是其中最为重要的技术之一。 在过去，人们关于生命科学领域的知识，很多都是利用解剖等方法从“死物 身上获得的。在研究大脑如此精细复杂的器官时，这种方法就显得力不从心了。 功能成像技术的出现使我们可以在体的观察脑的各部分的活动过程，从而开创了 脑科学研究领域的新纪元。 内源光学功能成像技术是一种新兴的脑功能成像方法，相对于其他成像手段， 内源光学拥有出众的时间和空间分辨率及低成本的优势，所以吸引了全球众多研 究者的目光。本篇论文主要研究了内源光学数据时空分析方法及其在低频自发振 荡信号特性分析中的应用。做为论文的首章，本章将首先介绍内源光学成像的生 理学和物理学基础、成像系统的核心组成，然后叙述了论文的研究内容、贡献和 结构安排。对于论文所研究的几个问题的进展和现状，将在相应各章中分开介绍。 1 2 脑功能成像概述 脑功能成像技术是研究脑的工作机制的重要手段之一。它以与神经活动相关 的血流、代谢或电、磁信号的变化为基础，运用成像技术和图像处理方法，将脑 的活动以直观的图像形式表达出来。因为可以在体的研究脑在工作状态时的活动 过程，这使得我们可以探究脑的各部分的功能及其整合原理。现代科学及工艺的 发展大大增强了脑功能成像技术的探测能力，使我们对大脑的研究从整体系统、 神经网络到细胞乃至分子水平都成为可能。 目前已有的脑功能成像技术主要有功能磁共振成像技术( f u n c t i o n a lm a g n e t i c r e s o l l a l l c ei m a g i n g ，f m r i ) 、正电子发射断层显像技术( p o s i t r o ne m i s s i o nt o m o g r a p h y ， 第l 页 国防科学技术人学研究生院博士学位论文 p e t ) 、脑电图( e l e c t r o e n c e p h a l o g r a p h ，e e g ) 、脑磁图( m 8 9 n e t o e n 。印h a l o g m p h ， m e g ) 、电刺激成像( e l e c t r i c a ls t i m u l a t i o nm a p p i n g ，e s m ) 、单光了发射断层显 像( s i n g l e p h o t o ne m i s s i o nc o m p u t e dt o m o g r a p h y ，s p e c t ) 、近红外谱成像 ( n e a r - i n f r a r e ds p e c t r o s c o p y ，n i r s ) 、光学断层成像( o p t i c a lt o m o g r a p h y ，o t ) 、 体感诱发电位( s o m a t o s e n s o t ye v o k e d p o t e n t i a l s ，s s e p s ) 阱及内源光学成像( o p t i c a l i m a g i n g ，o i ) 等。在这些脑功能成像技术中，o i 是上世纪末才兴起的一种新兴成 像技术口j 【”。同其它研究手段相比，内源o i 在时、空分辨率上都有较大优势。皮 层神经活动的增加会导致相应区域血流速度、去氧血红蚩白( t t b r ) 浓度等血液参 数的变化，进而引起其所在皮层对特定波长光吸收率的变化。光学功能成像系统 止是利用吸收率的变化来研究皮层的神经活动。 衡量脑功能成像技术性能的指标主要有时间、守问分辨率和对生物体的创伤 干牛等。图1 一l 给出了这些主流脑成像技术的性能对比1 4j ，从中可见，0 i 拥有较高 的时间和空间分辨率。虽然单电极的时空分辨率更高，但如果考虑到o i 的空间成 像视野，单电极就显得很简陋( 单电极只能测得其周围很小范围的神经活动) 。 因为o i 成像需要在开颅条件下进行所以相比较p e t 、f m k i 等有较大的伤害性。 但是从发表论文的数量看，光学功能成像还处在发展阶段，该领域给研究者们留 有广阔的天地去) f 拓。 1 。s 画。 翼俘 槲 划1 0 2 纠 搿1 0 1 罔i - i 主流脑成像手段的性能对比 1 3 内源o i 成像的生理学基础 本节将和1 4 节一起，阐述利用内源o i 成像手段监测大脑神经活动的原理。 第2 页 国防科学技术大学研究生院博十学位论文 o i 并不能直接测量神经元的活动，其直接记录的信号是皮层内血液特征参数( 比 如 l b r 浓度) 的波动。但是神经元的活动同血液特征参数之间胄紧密的耦台关系， 通过光学信号可以间接考察皮层的神经活动，这种问接的成像手段称为二次手段。 神经元兴奋时t 其电、化学活动消耗的能量和氧是静息州能耗的数倍，血液循环 系统为了满足皮层大量增加代谢原料的需求，会增加兴奋皮层的血流和血量，引 起血液巾的发色团( 比如h b r ) 的浓度发生改变。在特定单色光的照射下，皮层的 反射光强度会拉生相应变化，就形成我们所说的内源光学信号。 内源o i 的原理涉及到生理学和物理学两方面的内容。本节的生理学基础主要 包括神经元的电化学活动及其能量消耗( 1 3l 小节) 和血液微循环的原理( 13 2 小节) ：1 4 节的物理学基础包括神经血液一光学信号的耦台过程( 1 4 1 及1 42 小节) 和耦合的特点( 】43 小节) 。 13 1 神经学基础 神经元 细胞体 图i 2 神经元及突触的结构和工作原理 图1 - 2 为神经元的结构和神经冲动的传递示意图。神经元的活动主要以生物 电的产生、传播为特征。神经元在静息状态下，细胞膜内外保持着内低外高的电 压羞状态，神经元兴奋时，大量带电离子通过细胞膜的离了通道对流细胞膜内 外的电压差会急剧减小并翻转，形成动作电位这是神经元兴奋的标志。动作 电位形成后会沿其轴突传播，到达轴突的末端。轴突的末端存在着与下一级神经 元接触的结构，叫做突触。大部分突触为化学突触，当动作电位传导至突触时， 突触释放神经递质，对下一级的神经元形成刺激，当刺激达到一定程度时，又会 触发该神经元形成动作电位。这样神经冲动就会通过电化学电的传导方式一级一 第3 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 级传递下去。 神经兴奋的产生与传导是耗能过程，所以会引起局部血液动力学参数的变化， 内源o i 成像技术依靠监测血液参数变化来研究皮层的神经活动。本小节将简单介 绍神经冲动的产生与传递及它们的耗能情况。 1 3 1 1 神经元及其电活动 神经元的结构 神经细胞是神经系统的基本结构和功能单位，故又称为神经元( n e u r o n ) 。神 经元具有接受刺激、传递信息和整合信息的功能，这些功能的实现同其结构是密 切相关的。神经元细胞形态千姿百态，大小也差别极大。但总体上来讲，都可以 分为胞体和突起两部分( 图1 2 ) 。 神经元胞体( c e l lb o o y ) 的细胞膜是神经细胞的重要组成部分，属于液态脂质 双层结构。脂质双层是细胞内外之间的屏障，各种离子如k + 、n 矿等都不能自由通 过。脂质双层结构上镶嵌有蛋白质，并且可以在脂质层上流动。细胞膜的主要功 能( 比如离子的跨膜转运) 就是通过膜上的蛋白质来实现的。 神经元突起是神经元结构中另外一个极其重要的部分，对完成神经信息的传 递有着重要作用。可以分为树突和轴突( 图1 2 ) 。树突( d e n d r i t e ) 是从胞体延伸出 来的管状延伸物，一般数量众多，较短，直径粗细不均。树突反复分支，扩大接 受面积，尾端逐渐变细。在树突的小分支上常有大量短而分支的棘状突起，即棘 突( s p i n e ) 。树突的功能主要是接受信息，并将信息传向胞体，经整合后由轴突传出， 也有由树突传出的情况。 在高等动物的神经系统中，大部分神经元都有一跟粗细均匀、表面光滑的轴 突( a x o n ) 。轴突很少分支，外面一般包裹着电绝缘的髓鞘，轴突的末端髓鞘消失， 经反复分支，每一个分支的末端膨大呈纽扣样结构，称为突触终手n ( s y n a p t i cb u t t o n ) ， 它们与其他神经元的胞体或树突甚至轴突相接触，形成突触结构( 图1 2 ) ，向下 一个神经元传递信息。终扣内充满突触囊泡，以储存和释放递质。神经元对其所 有的兴奋性和抑制性输入信息的最终反应，不外乎神经递质在其终末的释放。 动作电位的产生与传导 神经元的活动，以生物电的产生、传播为特征。在静息情况下，神经元都保 持着膜内电压低于膜外电压的状态，这个电位差大都在3 09 0 m v 之间，这就是 所说的静息电位( r e s t i n gp o t e n t i a l ，r p ) 。静息电位的产生是因为膜内外离子浓度 不均衡造成的，最根本的是细胞内k + 浓度远远大于胞外k + 的事实。我们知道，正 离子具有由电势高的地方向电势低的地方、浓度高的地方向浓度低的地方扩散的 特性( 即沿电化学势的梯度方向上扩散) 。而离子浓度不均衡状态能够维持，得 益于神经元膜的存在。前面已提到，脂质双层对离子有阻隔作用，所有离子的扩 第4 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 散都是受膜上镶嵌的蛋白质控制的。当这些门控蛋白打开离予通道时，扩散得以 进行：关闭时，就可以阻隔离子扩散。另外，膜上蛋白质还可以进行逆梯度的离 子转运，这个过程需要消耗能量。因为静息条件下神经元对n a + 有一定的通透能力， 所以存在定量的n 矿内流，造成胞内外电压差下降，下降的电压差不足以组织胞 内k + 外流。n a + 内流和k _ 外流都会刺激钠泵进行n a + 和k + 的逆梯度转运，从而维 持胞内外离子浓度差。其消耗的能量可见图1 4 。 当神经元受到足够刺激时，在静息电位的基础上，膜电位会发生快速翻转和 复原的过程，这时候就会产生动作电位( a c t i o np o t e m i a l ，a p ) 。静息条件下存在 的神经元膜内外电压差内负外正的状态，称为极化( p o l a r i z a t i o n ) ，神经元受到刺 激时，膜内外电压差会减小，这个过程称为去极化( d e p o l a r i z a t i o n ) 。如果刺激足 够强烈，去极化达到某个临界值时，n a + 通道会大量开通，n a + 会大量涌入细胞体， 使得胞内外电势差迅速降低，产生更加强烈的去极化，导致n a + 通透性进一步加强， 会有更多的n a + 涌入胞内，这个正反馈的过程构成了动作电位的上升相( 图1 3 ) 。 当去极化达到一定程度时，k + 通道活化，细胞内k + 大量向胞外移动，细胞膜重新 极化，称为复极化，这个过程胞内电位下降，构成动作电位的下降相。动作电位 的时间尺度是毫秒级，刺激