光在三维结构组织中传输的MC模拟及脑功能成像研究

【摘要】： 功能近红外光谱术(fNIRS)是新兴的非侵入性脑功能检测技术,具有非电离辐射、便携等多种优势,有重大意义和应用前景,但由于光在人脑中传输特性的理论研究不足,使得技术发展受到限制,应用尚处于起步阶段。本文通过解决光传输理论研究问题来提高fNIRS技术,基于应用探索和fNIRS同步技术研究,开展了fNIRS和事件相关脑电位(ERPs)双模式检测应用研究。主要研究内容和创新如下： (1)提出了光在体素化三维结构组织中传输的Monte Carlo模型,开发了相应软件MCVM。模型中,采用标识组织类型的三维矩阵引入结构约束；根据光源入射中心与组织表面的空间关系建立光子入射规则；建立依赖体素大小的伪连续吸收权重、确定光子在体素面的反应点、光子与三维组织边界相互作用的数学模型；借用采样间隔概念实现稳态／瞬态智能模拟；提供计算宽光束影响的卷积方法和光子包分配方法。MCVM,其精度、灵活性和稳定性得到多种组织的验证,还具有应用限制小、速度快、操作简单、编程简明等优点,为光在组织中传输的研究提供了新的手段。 (2)利用可视中国人数据集(VCH)最逼真地描述人体解剖结构这一特点,率先将MCVM与VCH结合,建立了VCH的光传输特性获取、可视化和分析平台。利用该平台,优化fNIRS设计参数,确定检测算法,对实际问题给出定量分析,并建立信号分析方法及配套程序包,提高fNIRS的可靠性、准确性和方便性。 (3)从功能评估、机制研究和脑疾病识别方面探索了fNIRS的应用。①在真实生活环境评估多种任务下的工作记忆功能,脑激活模式与fMRI数据相符,并发现血氧变化幅度与任务负荷正相关,表明fNIRS能较好地评估功能；②研究语言工作记忆中前额叶(PFC)响应,鉴别了多参数的性别特异性,发现女性行为水平与男性无差异但激活的区域更集中幅度更小,并独有行为-脑激活相关关系,对揭示性别机制具有重要价值。③研究汉语阅读障碍儿童在汉字语音任务中的左侧PFC响应,发现障碍者响应模式异常,血氧供应水平较低,为该类疾病的识别和机理研究提供了新依据。 (4)建立了fNIRS的无损同步测量技术,开展了视觉非随意注意和认知冲突处理的fNIRS-ERPs研究,均发现fNIRS-ERPs缩小了功能源定位范围。并且,在视觉非随意注意源定位区域,观察到fNIRS信号先于相关ERPs波出现并在相关波消失时突然增强的现象,为深入探讨神经血管耦联机制提供证据；在汉字-颜色Stroop效应冲突处理全程,发现PFC区ERPs典型波参数的线性组合与fNIRS信号相关,且ERPs积分波的各通道Stroop效应量大小关系与fNIRS信号一致,提示PFC参入整个冲突处理过程,为PFC参入冲突处理哪个过程的争论提供了新观点。