CN211704590U - 一体化眼脑部视觉功能成像系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种一体化眼脑部视觉功能成像系统，包括：视觉刺激呈现设备，呈现包含多种刺激诱发范式的图片和视频；眼部视觉成像设备，是基于多光谱的视网膜和瞳孔成像设备；脑部视觉成像设备，是基于近红扩散相关谱技术的视觉脑皮层血流信号成像设备；协同工作站，包括成像采集控制模块和图像分析模块，用于协同控制眼部视觉成像设备和脑部视觉成像设备，并将获取到的多光谱视网膜、瞳孔图像和视觉脑皮层血流图像进行处理与分析。通过该系统能够实现眼部视网膜、瞳孔和大脑视觉皮层神经功能响应的同步记录，对多模态多参数的视觉生理信号进行联合分析，为视觉信息编解码、视觉重建机理研究、视觉神经调控定量评估受损定位等提供方案。
Description
技术领域
本实用新型涉及医疗成像技术领域，特别是涉及一种一体化眼脑部视觉功能成像系统。
背景技术
由于视觉功能的重要性，国内外在视觉神经功能方面的研究一直是个热点。在大脑视觉神经功能成像方面，常用的设备有功能磁共振成像仪(fMRI)、脑电仪(EEG)、近红外脑功能成像仪(fNIRS)。fMRI的原理是利用动态磁共振成像来测量神经元活动所引发的血氧水平的改变。运用fMRI能实现对人类视觉系统相关脑皮层的功能定位、颜色识别、视觉加工等的研究，然而，fMRI的时间分辨率较低，不能测量瞬时的脑神经活动变化。EEG可以检测大脑神经活动产生的电信号，但是EEG测量的是头表面的电信号，由于脑神经活动的电传导会受到头颅组织的影响，测量空间的EEG信号会在一定程度上偏离真实的颅内脑神经电信号，因此通常需要联合功能磁共振成像才能实现脑活动的准确定位。fNIRS对现有的fMRI、EEG技术是一个非常有益的补充，是一种通过安全的近红外光来评估大脑皮层含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白成分变化的功能性近红外光脑成像系统，但由于fNIRS测量的是缓慢变化的血氧代谢活动，因此仍不能准确记录神经活动过程。
在眼部视觉神经功能成像方面，常用的设备有光学相干断层扫描技术(OCT)、眼底镜、瞳孔仪。OCT是一种非接触、高分辨率层析和生物显微镜成像设备，它可用于眼后段结构(包括视网膜、视网膜神经纤维层、黄斑和视盘)的活体上查看、轴向断层以及测量，是特别用作帮助检测和管理眼疾的诊断设备。眼底镜主要用于眼底视网膜成像，眼底镜不仅可以针对常见的白内障、青光眼等眼科疾病检查，而且可早期诊断高血压、糖尿病等全身系统性疾病，已经成为临床医学和现代科学研究的热门对象。瞳孔仪主要用于瞳孔对光反射、瞳孔传导阻滞、眼震测量以及眼动跟踪等领域，另外，其还是多种眼科仪器的精密对准核心组件。但是，这些设备仅限被用于静态眼部成像，无法连续、动态地对眼部进行成像，并且，无法定量测量瞳孔对光反射完整的神经回路。
综上分析，目前对视觉神经功能成像的都是采用一种成像设备，或采用多种成像设备分时、分部位对视觉神经功能进行成像，并在此基础上进行分析。其中，对视网膜神经元活动的监测多基于侵入式或离体测量的方式进行；而当前对眼底的研究多只针对视网膜及周边血管结构的明显病变，尚缺少对活体眼底神经活动的检测手段。然而，视觉加工是从眼部视网膜至大脑视觉皮层的动态神经反应，现有设备的简单组合无法对眼部视网膜和大脑视觉皮层的动态神经反应进行瞬时、动态的功能成像。本技术能够提供一种同时对眼部视网膜和大脑视觉皮层功能进行活体成像的方法，研制能够同时用于视网膜-视觉皮层同步功能成像的设备，为研究视觉重建机理、视觉神经调控定量评估、视觉受损定位等临床问题提供新方法，具有重要的科学研究价值和临床应用价值。
实用新型内容
本实用新型主要解决的技术问题是当前现有设备的简单组合无法对眼部视网膜和大脑视觉皮层的动态神经反应进行瞬时、动态的功能成像的问题。
为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：提供一种一体化眼脑部视觉功能成像系统，所述系统包括：
视觉刺激呈现设备，所述视觉刺激呈现设备是包含多种刺激诱发范式的图片和视频呈现设备；
眼部视觉成像设备，所述眼部视觉成像设备是基于多光谱的眼部视网膜和瞳孔图像采集；
脑部视觉成像设备，所述脑部视觉成像设备是基于近红外扩散相关谱技术的视觉脑皮层血流信号采集；
协同工作站，所述协同工作站包括成像采集控制模块和图像分析模块，用于协同控制所述眼部视觉成像设备和所述脑部视觉成像设备，并将获取到的所述多光谱眼部图像和所述视觉脑皮层血流信号进行数据处理。
优选的是，视觉刺激呈现设备包括多种刺激诱发范式的图片和视频，并且保持与眼部成像设备和脑部成像设备的时间一致性。
优选的是，所述眼部视觉成像设备包括多光谱光源模块、图像信号采集与控制模块、图像采集模块和多光谱光源控制模块。
优选的是，所述图像采集模块包括准直透镜、中空反射镜、第一汇聚透镜、第二汇聚透镜、瞳孔相机和视网膜相机；所述多光谱光源模块发出的光经所述准直透镜准直后被所述中空反射镜反射，然后透射所述第一汇聚透镜照射到人眼的瞳孔和视网膜；瞳孔反射的光线进入所述瞳孔相机，视网膜反射的光线透射所述第一汇聚透镜，然后穿过所述中空反射镜中部再透射所述第二汇聚透镜，达到所述视网膜相机。
优选的是，所述多光谱光源控制模块包括多光谱控制单元、一键采集单元和环境光控制单元。
优选的是，所述视觉刺激呈现设备包括左刺激显示模块和右刺激显示模块。
优选的是，所述脑部视觉成像设备包括脑血流号采集模块和数据处理模块，所述脑血流号采集模块包括多个光源和若干个探头，所述多个光源和所述若干个探头形成脑血流信号采集通道，所述数据处理模块用于对所述脑血流信号采集模块采集到的信号进行处理后得到所述视觉脑皮层血流信号的量化指标。
优选的是，所述脑血流信号采集模块为图像采集帽，所述多个光源和若干个探头环绕分布在所述图像采集帽上。
优选的是，所述光源为近红外激光光源；所述光源包括4个，所述探头包括16个。4个光源和16个探头形成20个脑电信号采集通道。
优选的是，所述探头包括近红外激光器、单光子探测器和单模/多模光纤。
优选的是，所述协同工作站包括成像采集控制模块和视觉成像分析模块，所述成像采集控制模块用于协同控制所述眼部成像设备和所述脑部视觉成像设备，所述视觉成像分析模块通过功能磁共振图像，提取出脑功能成像空间特征，结合所述多光谱眼部图像和所述视觉脑皮层血流信号进行多模态谱聚类分析。
本实用新型的有益效果是：区别于现有技术的情况，本实用新型通过一体化的神经功能成像系统，利用医用光学技术，同时采集眼部及脑部的视觉神经活动信号，提供更全面丰富的视觉神经功能检测信息；同时，本申请基于眼部视神经活动的动态多光谱成像技术和基于近红外光谱的视觉皮层脑电成像技术能够实现活体成像；本申请还利用协同工作站对一体采集的多光谱眼部图像和视觉脑皮层血流信号进行多态谱聚类分析及图像重建，从而能够提供更加精准的疾病分析。
附图说明
图1是本实用新型的一体化眼脑部视觉功能成像系统一实施方式的结构示意图；
图2是图1中眼部视觉成像设备的结构示意图；
图3是图2中图像采集模块的光路结构示意图；
图4是图1脑部视觉成像设备的结构示意图；
图5是图1协同工作站的结构示意图；
图6是图4中视觉成像分析模块对功能磁共振图像进行提取脑功能成像空间特征的算法流程示意图。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本实用新型所提供的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型所提供的一种一体化眼脑部视觉功能成像系统进行详细阐述。
请参阅图1，本实用新型一体化眼脑部视觉功能成像系统一实施方式，包括视觉刺激呈现设备10、眼部视觉成像设备11、脑部视觉成像设备12和协同工作站13。
具体地，视觉刺激呈现设备10内包括多种刺激诱发范式的图片和视频，并且保持与眼部成像设备和脑部成像设备的时间一致性。所述视觉刺激呈现设备10包括左刺激显示模块和右刺激显示模块。用于分别对使用者的左眼和右眼提供视觉刺激，瞳孔图像由眼部视觉成像设备11中的瞳孔相机1145采集。
眼部视觉成像设备11是基于动态视觉刺激的多光谱眼部图像采集。眼部视觉成像设备用于采集人眼瞳孔图像和视网膜图像。
当前对眼部视觉神经功能成像的设备主要有OCT、眼底镜、瞳孔仪。OCT是一种非接触、高分辨率层析和生物显微镜成像设备。它可用于眼后段结构(包括视网膜、视网膜神经纤维层、黄斑和视盘)的活体上查看、轴向断层以及测量，是特别用作帮助检测和管理眼疾(包括但不限于黄斑裂孔、黄斑囊样水肿、糖尿病性视网膜病变、老年性黄斑变性和青光眼)的诊断设备。该设备主要利用眼底不同组织所含的含氧/脱氧血红蛋白对不同光谱的吸收不同，对不同组织进行精确成像。由于神经元活动会引起局部血流/血氧变化，因此，基于OCT的多光谱成像技术可能有助于对眼底神经活动进行测量。眼底镜主要用于眼底视网膜成像，眼底镜不仅可以针对常见的白内障、青光眼等眼科疾病检查，而且可早期诊断高血压、糖尿病等全身系统性疾病，已经成为临床医学和现代科学研究的热门对象。瞳孔仪主要用于瞳孔对光反射、瞳孔传导阻滞、眼震测量以及眼动跟踪等领域，另外，其还是多种眼科仪器的精密对准核心组件。但是，这些设备仅限被用于静态眼部成像，无法连续、动态地对眼部进行成像，并且，无法定量测量瞳孔对光反射完整的神经回路。
针对该问题，本实用新型创造性地提出了基于多光谱眼部视觉成像设备11，能够利用不同光谱监测眼部视网膜视神经活动如血氧饱和度等导致光学性质变化实现动态眼底及瞳孔功能成像。
脑部视觉成像设备12是基于近红外光谱的视觉脑皮层血流信号采集。此处的视觉脑皮层血流信号可选为视觉脑皮层血流信号。利用近红外光谱的刺激监测大脑皮层血流量。
上述眼部视觉成像设备11可选为眼罩式形式，脑部视觉成像设备12可选为抹额形式或帽子形式，这两个设备集成为一体，能够减小体积，便于携带。
协同工作站13，协同工作站13用于协同控制眼部视觉成像设备11和眼部视觉成像设备12，并将获取到的多光谱眼部图像和视觉脑皮层血流信号进行数据处理。
协同工作站13基于不同的研究目标，需要考虑多种刺激诱发范式和诱发呈现方式，并且保持刺激与成像的时间一致性。协同工作站13处理的是包括多光谱眼部图像和视觉脑皮层血流信号在内的复合的视觉神经活动信号，因此需要完成协同的光源1211控制、数据采集、数据传输、数据处理等功能，需要对眼部视觉成像设备11、眼部视觉成像设备12的多模态、多通道的各功能部件进行协调，是整个系统的协同枢纽。协同工作站13还要负责眼底、瞳孔、视觉脑皮层血流信号的定位、配准、融合等数据处理工作以及复杂的功能分析、记录与存储等工作。
通过上述方式，能够实现一体化的眼脑部神经功能成像，同时采集到的多光谱眼部图像(视网膜图像和瞳孔图像)和视觉脑皮层血流信号能够提供更全面丰富的视觉神经功能检测信息，基于空间配准和特定算法能显著提高疾病早期诊断的可靠性和及时性。
请参阅图2，该眼部视觉成像设备11包括多光谱光源模块113、图像信号采集与控制模块111、图像采集模块114和多光谱光源控制模块112。
请参阅图3，所述图像采集模块包括准直透镜1141、中空反射镜1142、第一汇聚透镜1143、第二汇聚透镜1144、瞳孔相机1145和视网膜相机1146；所述多光谱光源模块发出的光经所述准直透镜1141准直后被所述中空反射镜1142反射，然后透射所述第一汇聚透镜1143照射到人眼的瞳孔和视网膜；瞳孔反射的光线进入所述瞳孔相机1145，视网膜反射的光线透射所述第一汇聚透镜1143，然后穿过所述中空反射镜1142中部再透射所述第二汇聚透镜1144，达到所述视网膜相机1146。准直透镜1141、中空反射镜1142、第一汇聚透镜1143、第二汇聚透镜1144可集成设置在光学镜头内。中空反射镜1142中部设置缝隙，供视网膜反射光线通过。人眼的瞳孔图像通过瞳孔相机1145采集，视网膜图像通过视网膜相机1146采集。
上述多光谱光源控制模块111还可包括多光谱控制单元、一键采集单元和环境光控制单元，多光谱控制单元控制发出不同波长的单色激光。一键采集单元进行图像一键采集，环境光控制单元用于控制环境背景光。
在本实用新型另一具体的实施方式中，眼部视觉成像设备11还可包括显示装置，能够便于显示和观察采集的图像，显示装置可选为液晶屏。
该眼部视觉成像设备11可以请求协同工作站13来读取其采集结果，眼部视觉成像设备11与协同工作站13之间的数据通讯选用基于总线的USB、PCI-E传输方式。
如图4所示，脑部视觉成像设备12包括脑电信号采集模块121和数据处理模块122，脑电信号采集模块121包括多个光源1211和若干个探头1212，多个光源1211和若干个探头1212形成脑电信号采集通道，数据处理模块122用于对脑电信号采集模块121采集到的信号进行处理后得到视觉脑皮层血流信号。其中，光源1211为近红外光源。
其中，脑电信号采集模块121为图像采集帽，多个光源1211和若干个探头1212环绕分布在图像采集帽上，多个光源1211可选为4个光源1211，若干个探头1212可选为16个探头1212，4个光源1211和16个探头1212形成20个脑电信号采集通道。
每个光源1211优选为近红外激光光源。也可选为近红外LED光源。
所述探头1212包括近红外激光器、单光子探测器和单模/多模光纤。能够在相干激光照射下实现高速、精确的大脑皮层血流信号数据采集，上述光纤可选为单模光纤。
如图5所示，协同工作站13包括成像采集控制模块131和视觉成像分析模块132，成像采集控制模块131用于协同控制眼部成像系统和眼部视觉成像设备12，视觉成像分析模块132通过从视频库中选取功能磁共振成像，提取出脑功能成像空间特征，结合多光谱眼部图像和视觉脑皮层血流信号进行多模态谱聚类分析。
利用成像采集控制模块131能够实现眼部及脑部视觉神经功能成像采集系统的一体化控制，从而可以得到多模态的眼部图像及脑部电信号，这些图像和信号反映了视网膜和大脑皮层在视觉刺激诱发下的神经活动情况。由于动态多光谱眼部图像、近红外视觉脑皮层血流信号是分别在不同位置上采集的，为了构建三维视觉传导模型，需要进行视觉脑皮层血流信号、动态多光谱眼部图像的多模态聚类分析。
通过多模态聚类分析能够深入挖掘多模态信息之间的相关性，为探讨和推断视觉神经功能的视、脑科学机理提供参考依据。
具体地，如图6所示，首先要利用视觉成像分析模块132从视频库中选取功能磁共振图像，对功能磁共振图像进行三层分割后形成脑组织图像和头皮颅外颅内图像。对脑组织图像进行小脑去除后形成大脑组织图像，对大脑组织图像进行脑组织分割后形成灰质、白质、脑脊液图像，对大脑组织图像进行脑区分割后形成功能脑区图像，对灰质、白质、脑脊液图像和功能脑区图像进行表面重建和脑区划分后形成脑皮层表面图像；对头皮颅外颅内图像进行眼部分割后再结合脑皮层表面图像后形成脑区重建图像，完成对脑功能成像空间特征的提取。
然后基于特定的视觉实验范式，通过考察刺激呈现的位置和明亮程度，确定视网膜神经组织的局部感受野，并进一步依据同步采集的多光谱眼部图像和视觉脑皮层血流信号，建立两者间的感受野层次模型，并依据此模型，深入考察不同视觉特征在人脑视觉加工中的敏感程度，构建可量化的刺激-神经反应模型。
通过构建模型分析能够实现疾病的早期诊断和快速识别，提高疾病诊断的可靠性。
在本实用新型所提供的实施方式中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施方式仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施方式方案的目的。
另外，在本实用新型各个实施方式中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本实用新型的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本实用新型各个实施方式所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅为本实用新型的实施方式，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种一体化眼脑部视觉功能成像系统，其特征在于，所述系统包括：
视觉刺激呈现设备，所述视觉刺激呈现设备是包含多种刺激诱发范式的图片和视频呈现设备；
眼部视觉成像设备，所述眼部视觉成像设备是基于多光谱的眼部视网膜和瞳孔图像采集；
脑部视觉成像设备，所述脑部视觉成像设备是基于近红外扩散相关谱技术的视觉脑皮层血流信号采集；
协同工作站，所述协同工作站包括成像采集控制模块和图像分析模块，用于协同控制所述眼部视觉成像设备和所述脑部视觉成像设备，并将获取到的所述多光谱眼部图像和所述视觉脑皮层血流信号进行数据处理。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述眼部视觉成像设备包括多光谱光源模块、图像信号采集与控制模块、图像采集模块和多光谱光源控制模块。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述图像采集模块包括准直透镜、中空反射镜、第一汇聚透镜、第二汇聚透镜、瞳孔相机和视网膜相机；所述多光谱光源模块发出的光经所述准直透镜准直后被所述中空反射镜反射，然后透射所述第一汇聚透镜照射到人眼的瞳孔和视网膜；瞳孔反射的光线进入所述瞳孔相机，视网膜反射的光线透射所述第一汇聚透镜，然后穿过所述中空反射镜中部再透射所述第二汇聚透镜，达到所述视网膜相机。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述多光谱光源控制模块包括多光谱控制单元、一键采集单元和环境光控制单元。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述视觉刺激呈现设备包括左刺激显示模块和右刺激显示模块。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述脑部视觉成像设备包括脑血流号采集模块和数据处理模块，所述脑血流号采集模块包括多个光源和若干个探头，所述多个光源和所述若干个探头形成脑血流信号采集通道，所述数据处理模块用于对所述脑血流信号采集模块采集到的信号进行处理后得到所述视觉脑皮层血流信号的量化指标。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述脑血流信号采集模块为图像采集帽，所述多个光源和若干个探头环绕分布在所述图像采集帽上。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述光源为近红外激光光源；所述光源包括4个，所述探头包括16个。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述探头包括近红外激光器、单光子探测器和单模/多模光纤。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述协同工作站包括成像采集控制模块和视觉成像分析模块，所述成像采集控制模块用于协同控制所述眼部视觉成像设备和所述脑部视觉成像设备，所述视觉成像分析模块通过功能磁共振图像，提取出脑功能成像空间特征，结合所述多光谱眼部图像和所述视觉脑皮层血流信号进行多模态谱聚类分析。
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