CN115153528A - 一种用于全脑网络连接的无创刺激和检测的***与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于全脑网络连接的无创刺激和检测的***与方法，属于生物医学技术领域，***包括架体、控制模块、照明模块、图像采集模块、超声刺激模块和图像处理模块；方法包括：将小鼠固定在架体的组合位移平台内；照明模块向小鼠的脑体同时进行470nm和617nm的照射；图像采集模块采集小鼠脑体图像信息；超声刺激模块对小鼠全脑超声刺激；图像处理模块将图像信息输出为钙离子荧光信号和脱氧血红蛋白代谢信号以及脑功能连接信号，控制模块控制超声刺激模块对小鼠大脑进行调控治疗。本发明能够自动检测全脑脱氧血红蛋白和钙离子浓度的相对变化，观察超声刺激对神经活动与血氧代谢活动的影响，实现了检测和治疗的一体化。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于全脑网络连接的无创刺激和检测的***与方法，属于生物医学技术领域。
背景技术
跨大脑区域的神经元活动与血氧代谢信号的测量对于理解认知和运动过程(如注意力、决策和行动选择)的神经相关性非常重要。然而，高分辨率的设备往往价格昂贵，并且需要大量的专业基础知识，使用时有很多局限性。多波长的广域光学成像是一种高通量、成本效益高且灵活的方法，用于测量具有高时间分辨率和皮层范围视野的特定细胞群的活动。
低强度经颅超声刺激(TUS)对大脑皮层神经活动、脑血流动力学和神经血管耦合有较强的调节作用。TUS可以在大鼠皮层诱发动作电位(>200赫兹)，产生动作电位的兴奋性神经元和抑制性神经元对超声脉冲重复频率的反应不同。因此，超声刺激对神经振荡(频率>4赫兹)有显著的调制作用，且调制效果与超声参数密切相关。
脑功能连通性是测量脑区之间自发血流动力学信号的相关性指标，被广泛用于无创性脑网络研究。典型的多光谱成像***利用相机和照明在几个波长，允许区分脱氧血红蛋白浓度。然而，多光谱成像***利用白光源和机械滤光轮进行多路复用照明波长缓慢且难以同步高帧率，当外部触发器驱动时，相机通常无法以最大帧速率进行采集；另外，一个滤光轮通常有6个位置，需要为每个位置配置一个滤光片，除非配置完全相同的滤镜，否则会将获取一个波长的帧率限制为相机帧率的1/6，因为每个光谱图像都是在不同的时间点捕获的，这也会影响光谱分析的准确性，导致难以对全脑脱氧血红蛋白浓度变化与钙离子浓度的变化达到高分辨率的实时监测。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于全脑网络连接的无创刺激和检测的***与方法，能够准确、连续、实时、多点位的测量出全脑脱氧血红蛋白浓度变化与钙离子浓度变化，造价便宜。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种用于全脑网络连接的无创刺激和检测的***，包括架体、控制模块、照明模块、图像采集模块、超声刺激模块和图像处理模块；
所述架体上设有固定小鼠的组合位移平台；
所述照明模块用于对小鼠的脑体进行照明；
所述图像采集模块用于采集小鼠脑体的图像信息；
所述超声刺激模块用于对小鼠进行全脑超声刺激；
所述图像处理模块与图像采集模块电连接，用于根据图像信息输出钙离子荧光信号、脱氧血红蛋白代谢信号和脑功能连接信号；
所述控制模块用于控制图像采集模块，采集相机的快门信号，并根据采集到的相机快门信号对超声刺激模块进行外触发实现全脑超声刺激。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述照明模块包括用于发射波长为470nm光波的第一LED组件、用于发射波长为617nm光波的第二LED组件、30mm笼式立方和支架；所述第一LED组件和第二LED组件的输入端与驱动器连接并由电源供电；所述第一LED组件包括470nm LED、LED准直转接件和滤光片套筒，所述470nm LED的发射端与LED准直转接件的输入端通过螺纹连接，所述LED准直转接件的输出端与滤光片套筒的输入端通过螺纹连接，所述滤光片套筒的输出端与笼式立方2的输入端I通过螺纹连接；所述第二LED组件包括617nmLED、LED准直转接件和滤光片套筒，所述617nm LED的发射端与LED准直转接件的输入端通过螺纹连接，所述LED准直转接件的输出端与滤光片套筒的输入端通过螺纹连接，所述滤光片套筒的输出端与笼式立方的输入端Ⅱ通过螺纹连接；所述笼式立方内部安装有二向色镜，用于反射470nm的光并透射617nm的光至同一位置；所述支架用于支撑笼式立方，包括光学接杆和接杆角度夹具，所述光学接杆之间由接杆角度夹具连接且设置于笼式立方上。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述图像采集模块包括相机I、相机Ⅱ、镜头I、镜头Ⅱ、镜头Ⅲ、滤光片安装架I、滤光片安装架Ⅱ和60mm笼式立方，所述相机I、相机Ⅱ分别与镜头I、镜头Ⅱ通过转接环连接，所述镜头I、镜头Ⅱ分别与滤光片安装架I、滤光片安装架Ⅱ通过转接环连接；所述滤光片安装架I、滤光片安装架Ⅱ上分别设有滤光片，所述滤光片安装架I、滤光片安装架Ⅱ与60mm笼式立方通过螺丝连接；所述镜头Ⅲ为倒置镜头，通过转接环与60mm笼式立方连接；所述60mm笼式立方内部安装有二向色镜，用于将荧光数据与脱氧血红蛋白原始数据传入不同的相机；所有连接位置均通过转接环连接，通过光学接杆与接杆转接件安装在架体上。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述超声刺激模块包括函数发生器、功率放大器、超声换能器和准直器，所述函数发生器的输入端与控制模块采集卡的输出端通信连接，所述函数发生器的输出端通过功率放大器与超声换能器的输入端连接，所述超声换能器的发射端与准直器连接，所述准直器用于对超声换能器发射的超声波进行准直。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述控制模块包括PC端和采集卡，所述PC端通过USB与相机连接；所述采集卡通过USB线连接至PC端；采集卡通过数据线连接至相机信号输出端口；函数发生器通过信号线连接到采集卡的输出端口。
一种基于用于全脑网络连接的无创刺激和检测的***的无创刺激和检测方法，包括以下步骤：
S1、将小鼠固定在架体1上的组合位移平台内；
S2、照明模块向小鼠的脑体同时进行波长为470nm和617nm的照射；
S3、图像采集模块采集小鼠脑体图像信息；
S4、超声刺激模块对小鼠的全脑进行超声刺激；
S5、图像处理模块将图像信息输出为钙离子荧光信号和脱氧血红蛋白代谢信号以及脑功能连接信号，控制模块控制超声刺激模块对小鼠大脑进行调控与治疗。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述S5的脱氧血红蛋白与钙离子浓度相对变化的信号处理采用头动校正，数据采集时会有头动，包括三个方向的平动和三个方向转动的状态；使用这六个方向的参数刚体线性变换将图像对齐至第一个时间点，再对齐至平均功能像，每个时间过程首先被带通滤波，以去除缓慢的漂移和高频噪声，减小呼吸心跳等噪声影响，得到排除绝大多数的干扰之后的数字信号；
全脑的脱氧血红蛋白相对变化以及钙离子浓度相对变化公式：
ΔF/F＝(Ft-Fbaseline)/Fbaseline
其中，Ft是不同时间点的脱氧血红蛋白或荧光信号强度，Fbaseline是全脑超声刺激前两秒数据的平均值。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术效果有：
本发明采用LED进行照明，经过二向色镜照射到小鼠全脑，由串联的镜头组对光进行收集并汇聚到相机传感器，允许相机以最大的帧率进行成像，不受外部限制的影响。经过滤波等数据的处理环节去除原始信号中的绝大多数的干扰信号，最终在PC端上输出全脑网络连接信号。
本发明能够自动检测全脑脱氧血红蛋白相对变化和钙离子浓度相对变化，并能够观察超声刺激对神经活动与血氧代谢活动的影响，可以在对全脑数据进行采集检测的同时给予超声刺激信号，由于不需要清除小鼠颅骨，因此可以进行长期稳定的成像监测，真正的做到了检测和治疗的一体化。
附图说明
图1是本发明用于全脑网络连接的无创刺激和检测***的结构示意图；
图2是本发明用于全脑网络连接的无创刺激和检测方法的流程图；
图3是本发明采集到的视觉皮层钙离子荧光信号以及脱氧血红蛋白信号；
其中，1、架体，2、笼式立方，3、第一LED组件，4、第二LED组件，5、相机I，6、相机Ⅱ，7、镜头I，8、镜头Ⅱ,9、镜头Ⅲ，10、函数发生器，11、功率放大器，12、超声换能器，13、准直器，14、PC端，15、采集卡。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明：
一种用于全脑网络连接的无创刺激和检测的***，包括：架体1、控制模块、照明模块、图像采集模块、超声刺激模块和图像处理模块。
所述架体1上设有固定小鼠的组合位移平台；
所述照明模块用于对小鼠的脑体进行照明，包括用于发射波长为470nm光波的第一LED组件3、用于发射波长为617nm光波的第二LED组件4、30mm笼式立方2和支架；所述第一LED组件3和第二LED组件4的输入端与驱动器连接并由电源供电；所述第一LED组件3包括470nm LED、LED准直转接件和滤光片套筒，所述470nm LED的发射端与LED准直转接件的输入端通过螺纹连接，所述LED准直转接件的输出端与滤光片套筒的输入端通过螺纹连接，所述滤光片套筒的输出端与笼式立方2的输入端I通过螺纹连接。第二LED组件4包括617nmLED、LED准直转接件和滤光片套筒，所述617nm LED的发射端与LED准直转接件的输入端通过螺纹连接，所述LED准直转接件的输出端与滤光片套筒的输入端通过螺纹连接，所述滤光片套筒的输出端与笼式立方2的输入端Ⅱ通过螺纹连接。所述笼式立方2内部安装有二向色镜，用于反射470nm的光并透射617nm的光至同一位置。所述支架用于支撑包括光学接杆和接杆角度夹具，所述光学接杆之间由接杆角度夹具连接且设置于笼式立方2上。
所述图像采集模块用于采集小鼠脑体的图像信息，包括相机I5、相机Ⅱ6、镜头I7、镜头Ⅱ8、镜头Ⅲ9、滤光片安装架I、滤光片安装架Ⅱ和60mm笼式立方2，所述相机I5、相机Ⅱ6分别与镜头I7、镜头Ⅱ8通过转接环连接，所述镜头I7、镜头Ⅱ8分别与滤光片安装架I、滤光片安装架Ⅱ通过转接环连接；所述滤光片安装架I、滤光片安装架Ⅱ上分别设有滤光片，所述滤光片安装架I、滤光片安装架Ⅱ与60mm笼式立方2通过螺丝连接。所述镜头Ⅲ9为倒置镜头，通过转接环与60mm笼式立方2连接。所述60mm笼式立方2内部安装有二向色镜，用于将荧光数据与脱氧血红蛋白原始数据传入不同的相机。所有连接位置均通过转接环连接，通过光学接杆与接杆转接件安装在架体1上。
所述超声刺激模块用于对小鼠进行全脑超声刺激，包括函数发生器10、功率放大器11、超声换能器12和准直器13，所述函数发生器10的输入端与控制模块采集卡15的输出端通信连接，所述函数发生器10的输出端通过功率放大器11与超声换能器12的输入端连接，所述超声换能器12的发射端与准直器13连接，所述准直器13用于对超声换能器12发射的超声波进行准直。
所述控制模块用于控制相机的运行，采集相机的快门信号，并根据采集到的相机信号对函数发生器10进行外触发实现全脑超声刺激。所述控制模块包括PC端14和采集卡15，所述PC端14通过USB与相机连接；所述采集卡15通过USB线连接至PC端14；采集卡15通过数据线连接至相机信号输出端口；函数发生器10通过信号线连接到采集卡15的输出端口。
所述图像处理模块与图像采集模块电连接，用于根据图像信息输出钙离子荧光信号、脱氧血红蛋白代谢信号和脑功能连接信号。
一种用于全脑网络连接的无创刺激和检测的方法，如图2所示，包括以下步骤：
S1、将小鼠固定在架体1上的组合位移平台内；
S2、照明模块向小鼠的脑体同时进行波长为470nm、波长为617nm的照射
运行两个LED，分别发出波长为470nm、617nm的光波，所述光波经滤光片、二向色镜后对小鼠全脑进行照明。
S3、图像采集模块采集小鼠脑体图像信息
调整照明模块到合适的位置，当得到清晰的图像时控制模块控制两个相机同时运行，实时采集小鼠的全脑图像，采集的同时由采集卡15开始计数。如图1所示，图像采集模块选用两个定焦镜头异向串联得到合适的放大倍数，且可以随需要自由切换，具有良好的灵活性。
S4、超声刺激模块对小鼠的全脑进行超声刺激
采集卡15根据相机的帧频计算到设定的时间输出一个数字信号对函数发生器10进行外触发，函数发生器10输出的信号经功率放大器11、超声换能器12与准直器13后刺激到小鼠的脑部，对小鼠全脑进行超声刺激。
S5、图像处理模块将图像信息输出为钙离子荧光信号和脱氧血红蛋白代谢信号以及脑功能连接信号
将采集的照射后的脑部图像信息传输到图像处理模块，如图3所示，由matlab读取采集到的图像并使用相应的算法公式输出结果为钙离子荧光信号和全脑的脱氧血红蛋白代谢信号，超声刺激会引起钙离子浓度上升，脱氧血红蛋白浓度下降，钙离子浓度的反应更快达到峰值并恢复基线水平，脱氧血红蛋白反应速度相对较慢且持续时间较长。
全脑的脱氧血红蛋白与钙离子浓度相对变化的信号处理采用头动校正，数据采集时难免会有头动，包括三个方向的平动和三个方向转动的状态。使用这六个方向的参数刚体线性变换将图像对齐至第一个时间点，再对齐至平均功能像，尽量减小采集数据时头部运动的影响。每个时间过程首先被带通滤波(0.1～2赫兹，二阶巴特沃斯)，以去除缓慢的漂移和高频噪声，减小呼吸心跳等噪声影响，得到排除绝大多数的干扰之后的数字信号。
全脑的脱氧血红蛋白相对变化以及钙离子浓度相对变化公式：
ΔF/F＝(Ft-Fbaseline)/Fbaseline
其中，Ft是不同时间点的脱氧血红蛋白或荧光信号强度，Fbaseline是全脑超声刺激前两秒数据的平均值。
在大脑中选择一个区域作为种子点，计算出该区域的平均脱氧血红蛋白与钙离子信号时间序列，再计算其他区域与该区域之间的平均脱氧血红蛋白与钙离子信号时间序列的相关性，可以得到该种子点的功能连接信息。利用时间域中的皮尔逊相关系数(PPC)，对钙振荡与HBO、HBr和HBT之间的相关性进行了分析。对于矩阵X中的列Xa和矩阵Y中的列Yb，
皮尔逊相关系数定义为：
其中，n表示每列的长度，PPC值的范围从-1到1，-1和+1的值分别表示完全的负相关和正相关，而0值表示这两段时间序列相互独立。因此，两个脑区脱氧血红蛋白与钙离子浓度信号呈正相关表示功能协同，而负相关则说明两个脑区之间表现出拮抗。
由于种子点的选择需要一定基础知识，且可能遗漏一些重要信息，分析方法改良为将全脑划分为若干个脑区，然后提取出各个脑区的平均数据的时间序列，接着计算任意两个脑区的时间序列之间的皮尔逊相关系数，进而得到任意两个脑区之间的功能连接，最后得到全脑功能连接网络。
在各自脑区内计算神经与血管耦合的变化。
钙振荡的时频分析和脱氧血红蛋白信号x(T)相对于小波Ψ的小波变换是一系列卷积：Wx(t,f)＝∫Ψ(t-u)x(u)du＝Ψ*x(t)
使用复数Morlet小波对信号进行时频分析。使用复数Morlet小波，其中实值高斯逐渐变细为复值正弦波。然后将复数Morlet小波与时间序列信号进行卷积。对于时间序列，复数Morlet小波Ψ可以定义为复数正弦波和高斯窗的乘积：
其中i是虚运算符(i＝√(-1))，f是以赫兹为单位的频率。此外，t是以秒为单位的时间。为了避免引入相移，t应以t＝0为中心。σ是高斯分布的宽度，其定义为σ＝n/2πf。参数n定义了时频精度之间的权衡。将时间序列离散化，可以转化为：
其中fb为带宽参数，fc为小波中心频率。由于本研究分析的数据频率较低，我们将FB和Fc分别设置为3和0.3赫兹。然后，计算小波谱的范数|W|。本发明对信号进行的时频分析具有较好的分辨效果，能够识别信号中所表达的时频变化信息。小波谱的计算方法如下。
其中，图像imag(W)和实数real(W)分别表示W的虚部和实部。
对于小波谱|W|，在时间和频率尺度上计算了小波谱的脊线。为了评估不同频率下神经元钙振荡和BOM的时间变化，我们计算了小波谱主要特征随频率的时间变化，作为时间尺度小波脊(TWR)。其中t∈[0，8]。计算TUS后不同频段神经元钙振荡小波脊相对于脱氧血红蛋白信号的相对时间变化。
其中TWRBOM是脱氧血红蛋白的时间尺度小波脊，TWRCa是钙振荡的时间尺度小波脊。为了评估神经元钙振荡和BOM在不同时间的变化，我们计算了小波谱的主要特征频率随时间的增加作为频率尺度的小波脊。
Rt＝max(|W(t,f)|)
其中，f∈[0，2]，计算TUS前后不同时间段神经元钙振荡小波脊相对于脱氧血红蛋白信号的相对频率变化。
ΔFWR/FWR＝(FWRAfter_TUS-TWRBefore_TUS)/TWRBefore_TUs
其中TWRBefore_TUS和FWRAfter_TUS分别代表TUS前后钙振荡和脱氧血红蛋白的频率尺度小波脊。
最后不同脑区得到PPC的值与设置的阈值进行对比，就可以控制超声换能器12工作对大脑进行调控与治疗。
Claims (7)
1.一种用于全脑网络连接的无创刺激和检测的***，其特征在于：包括架体(1)、控制模块、照明模块、图像采集模块、超声刺激模块和图像处理模块；
所述架体(1)上设有固定小鼠的组合位移平台；
所述照明模块用于对小鼠的脑体进行照明；
所述图像采集模块用于采集小鼠脑体的图像信息；
所述超声刺激模块用于对小鼠进行全脑超声刺激；
所述图像处理模块与图像采集模块电连接，用于根据图像信息输出钙离子荧光信号、脱氧血红蛋白代谢信号和脑功能连接信号；
所述控制模块用于控制图像采集模块，采集相机的快门信号，并根据采集到的相机快门信号对超声刺激模块进行外触发实现全脑超声刺激。
2.根据权利要求1所述的一种用于全脑网络连接的无创刺激和检测的***，其特征在于：所述照明模块包括用于发射波长为470nm光波的第一LED组件(3)、用于发射波长为617nm光波的第二LED组件(4)、30mm笼式立方(2)和支架；所述第一LED组件(3)和第二LED组件(4)的输入端与驱动器连接并由电源供电；所述第一LED组件(3)包括470nm LED、LED准直转接件和滤光片套筒，所述470nm LED的发射端与LED准直转接件的输入端通过螺纹连接，所述LED准直转接件的输出端与滤光片套筒的输入端通过螺纹连接，所述滤光片套筒的输出端与笼式立方2的输入端I通过螺纹连接；所述第二LED组件(4)包括617nm LED、LED准直转接件和滤光片套筒，所述617nm LED的发射端与LED准直转接件的输入端通过螺纹连接，所述LED准直转接件的输出端与滤光片套筒的输入端通过螺纹连接，所述滤光片套筒的输出端与笼式立方(2)的输入端Ⅱ通过螺纹连接；所述笼式立方(2)内部安装有二向色镜，用于反射470nm的光并透射617nm的光至同一位置；所述支架用于支撑笼式立方(2)，包括光学接杆和接杆角度夹具，所述光学接杆之间由接杆角度夹具连接且设置于笼式立方(2)上。
3.根据权利要求1所述的一种用于全脑网络连接的无创刺激和检测的***，其特征在于：所述图像采集模块包括相机I(5)、相机Ⅱ(6)、镜头I(7)、镜头Ⅱ(8)、镜头Ⅲ(9)、滤光片安装架I、滤光片安装架Ⅱ和60mm笼式立方(2)，所述相机I(5)、相机Ⅱ(6)分别与镜头I(7)、镜头Ⅱ(8)通过转接环连接，所述镜头I(7)、镜头Ⅱ(8)分别与滤光片安装架I、滤光片安装架Ⅱ通过转接环连接；所述滤光片安装架I、滤光片安装架Ⅱ上分别设有滤光片，所述滤光片安装架I、滤光片安装架Ⅱ与60mm笼式立方(2)通过螺丝连接；所述镜头Ⅲ(9)为倒置镜头，通过转接环与60mm笼式立方(2)连接；所述60mm笼式立方(2)内部安装有二向色镜，用于将荧光数据与脱氧血红蛋白原始数据传入不同的相机；所有连接位置均通过转接环连接，通过光学接杆与接杆转接件安装在架体(1)上。
4.根据权利要求1所述的一种用于全脑网络连接的无创刺激和检测的***，其特征在于：所述超声刺激模块包括函数发生器(10)、功率放大器(11)、超声换能器(12)和准直器(13)，所述函数发生器(10)的输入端与控制模块采集卡(15)的输出端通信连接，所述函数发生器(10)的输出端通过功率放大器(11)与超声换能器(12)的输入端连接，所述超声换能器(12)的发射端与准直器(13)连接，所述准直器(13)用于对超声换能器(12)发射的超声波进行准直。
5.根据权利要求1所述的一种用于全脑网络连接的无创刺激和检测的***，其特征在于：所述控制模块包括PC端(14)和采集卡(15)，所述PC端(14)通过USB与相机连接；所述采集卡(15)通过USB线连接至PC端(14)；采集卡(15)通过数据线连接至相机信号输出端口；函数发生器(10)通过信号线连接到采集卡(15)的输出端口。
6.基于权利要求1～5任一项所述的用于全脑网络连接的无创刺激和检测的***的无创刺激和检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、将小鼠固定在架体1上的组合位移平台内；
S2、照明模块向小鼠的脑体同时进行波长为470nm和617nm的照射；
S3、图像采集模块采集小鼠脑体图像信息；
S4、超声刺激模块对小鼠的全脑进行超声刺激；
S5、图像处理模块将图像信息输出为钙离子荧光信号和脱氧血红蛋白代谢信号以及脑功能连接信号，控制模块控制超声刺激模块对小鼠大脑进行调控与治疗。
7.根据权利要求6所述的一种用于全脑网络连接的无创刺激和检测的方法，其特征在于：所述S5的脱氧血红蛋白与钙离子浓度相对变化的信号处理采用头动校正，数据采集时会有头动，包括三个方向的平动和三个方向转动的状态；使用这六个方向的参数刚体线性变换将图像对齐至第一个时间点，再对齐至平均功能像，每个时间过程首先被带通滤波，以去除缓慢的漂移和高频噪声，减小呼吸心跳等噪声影响，得到排除绝大多数的干扰之后的数字信号；
全脑的脱氧血红蛋白相对变化以及钙离子浓度相对变化公式：
ΔF/F＝(Ft-Fbaseline)/Fbaseline
其中，Ft是不同时间点的脱氧血红蛋白或荧光信号强度，Fbaseline是全脑超声刺激前两秒数据的平均值。
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