大腦體積測量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種大腦體積測量系統(tǒng)，利用光線通過大腦時，大腦結構的不同影響光學訊號在大腦中的分布情形來進行造影與量化分析，上述的該大腦體積測量系統(tǒng)至少包含一光學裝置及一評估置；其中該光學裝置進一步包含至少一光學探頭與復數個檢測器，用以發(fā)射及接收光線并得到一第一光學訊號，再經由該評估裝置處理該第一光學訊號以得到一第二光學訊號，以測量受測者的大腦體積。本發(fā)明在門診時便可直接對病患做實時的測量來輔助診斷，對于居家照護方面可提供病患的長時間監(jiān)控數據來幫助醫(yī)師做長期的追蹤與診斷，也可以針對病患的治療過程做長時間的療效評估。
【專利說明】大腦體積測量系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明是有關于一種大腦體積測量系統(tǒng)，尤其是一種利用近紅外光擴散光譜造影技術來分析并觀察大腦體積結構性變化的大腦體積測量系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]大腦萎縮，是一種不可逆的腦部病變，主要會對于人類的認知與記憶功能造成相當大的影響，產生諸如:輕度知能障礙、阿茲海默癥、多發(fā)性硬化癥、精神分裂癥、酒精中毒與失智癥等。大腦萎縮的病理機制主要牽涉了大腦中漸進式地生化以及結構上的改變，這些改變剛開始發(fā)生于細胞以及突觸階段，最后將會導致神經元死亡進而造成神經細胞的損失以及大腦灰質與白質組織的萎縮。而且，這些在大腦皮層與皮層下區(qū)域的神經與突觸的損失將會導致受影響區(qū)域嚴重萎縮，其包含:顳葉、頂葉、海馬回與額葉的退化等。
[0003]基本上，引起大腦萎縮的原因很多，如:顱腦外傷、腦栓塞、腦膜炎、腦血管畸形、腦部腫瘤、癲癇、長期飲酒、營養(yǎng)不良、甲狀旁腺功能低下、腦發(fā)育不良、濫用鎮(zhèn)靜藥、煤氣中毒、酒精中毒、化學藥品中毒等均可導致腦萎縮。大腦萎縮的臨床表現分早期，中期和晚期三個階段。最常見的早期癥狀是記憶力減退，思維能力下降。接著，中期癥狀為記憶力明顯下降，近期事遺忘尤為嚴重，同時也表現出遠事遺忘，開始有明顯認知功能障礙的情形。最后，晚期階段的病人明顯呆傻，行走明顯困難，需要攙扶，常臥床不起或呆在座椅中，各種定向能力均喪失。因此，如前文所述，大腦萎縮不僅是一種不可逆的病變，且其為漸進式，故大腦體積的變化變成一個臨床上極為重要的觀察指標。
[0004]神經造影及相關的分析研究為一種準確、再現性高且定量的評估方法，近來益發(fā)受到重視而被廣泛被應用在觀 察大腦體積機構上的變化。目前一些比較先進的儀器可用于鑒別大腦區(qū)域萎縮特性的型態(tài)，并藉由這些型態(tài)去探討是否可以幫助預測輕度認知障礙患者認知能力的衰退及其大腦萎縮的體積結構性改變，如:核磁共振造影(MRI)、計算機斷層掃瞄(CT)或正子斷層造影(PET)。
[0005]然而，由于大腦萎縮多半發(fā)生于老年人身上，但以核磁共振造影的例子來說，由于儀器體積過大，此技術卻受限于空間因素而無法任意搬動往往導致病患無法輕易進行測量、無法實時造影等問題，自然也就不可能針對病變的狀況進行長期監(jiān)測。再者，患有幽閉癥的病患也無法使用此技術來進行測量。
[0006]目前舊有的近紅外擴散光學技術可以用來偵測腦部相關的功能性神經活動情形，主要通過使用在近紅外光范圍內不同波長的光線針對含氧血紅素與缺氧血紅素不同的吸收系數進行演算進而可以得到隨著大腦活動而產生不同的血氧濃度。來針對腦部的組織血氧變化做實時測量。然而，目前沒有任何研究使用光學造影技術來針對大腦萎縮的體積結構性變化的測量。

【發(fā)明內容】

[0007]有鑒于此，本發(fā)明提供一種大腦體積測量系統(tǒng)，用以測量受測者的大腦體積變化。進一步來說，大腦萎縮將會造成大腦體積結構改變，最明顯的萎縮現象就是灰質與白質的減少，而且灰質與白質的減少會造成大腦中腦脊髓液的體積增加?；旧?，由于腦脊髓液的低散射與低吸收的光學特性，使其在大腦中形成導光效率很好的光通道效應，配合上大腦萎縮的不對稱性以及光通道的擴大，便可利用近紅外光線透過大腦結構改變影響光學訊號在大腦中的分布情形來進行造影與量化分析。
[0008]為實現上述的目的，本發(fā)明的大腦體積測量系統(tǒng)至少包含:一光學裝置及一評估置。其中，該光學裝置進一步包含至少一光學探頭與復數個檢測器，而該光學探頭發(fā)出一光線，并由該復數個檢測器接收復數個散射光子；其中，該光學探頭平貼于該受測者頭部的光線射入位置使該光線射入受測者頭部，利用該光線通過該受測者大腦時，因大腦結構的不同影響光學訊號在大腦中的分布，再利用該復數個檢測器置于該受測者頭部的復數個光線接收位置，用以接收復數個散射光子以得到一第一光學訊號，并經由該評估裝置處理該第一光學訊號以得到一第二光學訊號。
[0009]在本發(fā)明的一實施例中，其中，該受測者頭部的該光線射入位置與該復數個光線接收位置，排列于受測者頭部的一橫狀切面、一矢狀切面或一冠狀切面上，且各位置互相不重迭；當該光線射入位置與該復數個光線接收位置分布于橫狀切面或矢狀切面上時，該光線射入位置位于受測者額頭中央并距其頭頂6公分深度處。而當該光線射入位置與該復數個光線接收位置分布于冠狀切面時，該光線射入位置位于受測者頭頂中間；上述該光線射入位置與該復數個光線接收位置的距離分別為I至5公分。
[0010]在本發(fā)明的一實施例中，其中光學裝置更包含一訊號處理電路，用以放大及濾波處理第一光學訊號。而上述大腦體積測量系統(tǒng)更包含至少一傳輸裝置，此傳輸裝置設于光學裝置與評估裝置之間，用來將第一光學訊號傳送到評估裝置。較佳地，傳輸裝置為一數據擷取卡、一數字模擬轉換器、一模擬數字轉換器或一單芯片。
[0011]在本發(fā)明的一實施例中，其中光學探頭所發(fā)射的光線為單波段或多波段的一近紅外光線。較佳的，光學探頭可為一 mXn數組式光學探頭，此時第一光學訊號為一大腦光學數組式訊號，評估裝置系利用一 mXn多點式大腦體積測量算法來處理第一光學訊號，此時第二光學訊號為一大腦體積光學訊號。另外，評估裝置可用以進一步比對第二光學訊號與一數據庫中的不同病理分類的復數個大腦結構退化程度以得出一結果。其中，上述數據庫包含有復數個病理分類，且每一病理分類分別包含有復數個不同的大腦結構退化程度，根據不同臨床病理的統(tǒng)計進行大腦結構退化程度分級而建立該數據庫。因此，數據庫比對過程為:首先，將第二光學訊號分類到數據庫的該些病理分類的其中一者。接著，判斷第二光學訊號是否符合該些病理分類的其中一者的一臨界值，若是，受測者具有一大腦結構異常狀況。隨后，再比對上述大腦結構異常狀況與該些大腦結構退化程度以得到一結果，將此結果對應于這些大腦結構退化程度的其中一個，且該數據庫會持續(xù)累積檢測結果來進行系統(tǒng)更新。
[0012]在本發(fā)明的一實施例中，其中該大腦體積測量系統(tǒng)可同時測得大腦血氧濃度訊號。可根據含氧血紅素與缺氧血紅素不同的吸收系數進行演算，并呈現該大腦皮質血氧濃度變化影像。
[0013]在本發(fā)明的一實施例中，其中評估裝置更可用以建置該受測者的一大腦組織模型。通過一蒙地卡羅方法結合第一光學訊號與受測者頭部的一核磁共振影像以建構一大腦組織模型。較佳的，其中該評估裝置可包含一顯示單元，用以實時顯示上述各測量結果。而該評估裝置為可程控的一計算機或一單芯片微處理裝置。
[0014]因此，本發(fā)明所揭露的大腦體積測量系統(tǒng)，可實時輸出三個切面因大腦萎縮造成大腦結構性改變而呈現出不同光衰減訊號以及影像，可應用在腦造影與腦神經臨床領域，可幫助了解大腦萎縮的體積結構性變化，并結合數據庫比對進行大腦結構退化程度分級，此外，本發(fā)明同時可測得大腦血氧濃度，結合大腦結構上及功能上的測量。
[0015]由下文的說明，可更進一步了解本發(fā)明的特征及其優(yōu)點，閱讀時請參考圖2至圖5。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1顯示本發(fā)明一實施例的大腦體積測量系統(tǒng)架構示意圖；
[0017]圖2顯示本發(fā)明一實施例的大腦體積測量系統(tǒng)實施流程圖；
[0018]圖3A和圖3B顯示本發(fā)明一實施例中光線射入位置與檢測器的分布位置示意圖；
[0019]圖4A顯示本發(fā)明一實施例中正常受測者受測后的擴散光學影像；
[0020]圖4B顯示本發(fā)明一實施例中大腦萎縮病患受測后的擴散光學影像；
[0021]圖5A至圖5C分別顯示本發(fā)明一實施例中于頭部三個切面上光線射入位置一檢測器間距與光強度的關系圖。
[0022]主要組件符號說明
[0023]100大腦系統(tǒng)測量系統(tǒng)
[0024]I受測者
[0025]2光學裝置
[0026]21 光源
[0027]22光學探頭
[0028]23檢測器
[0029]24訊號處理電路
[0030]3評估裝置
[0031]4傳輸裝置
[0032]Tl橫狀切面
[0033]T2矢狀切面
[0034]T3冠狀切面
[0035]LI正常受測者的測量結果
[0036]L2患有阿茲海默癥的受測者的測量結果正常受測者的測量結果
[0037]R光線接收位置
[0038]I光線射入位置
【具體實施方式】
[0039]近來，由于 近紅外擴散光譜造影技術具有非侵入性、價格較便宜、非游離輻射、可長時間監(jiān)控、不受空間限制以及簡易操作等優(yōu)點，而逐漸成為受到重視的測量技術。因此，有鑒于習知技術所遭遇的問題，本發(fā)明提供一種利用近紅外光擴散光譜造影技術對大腦萎縮所造成的體積結構性改變進而影響光在大腦中分布的特性來對大腦的萎縮程度進行造影與量化分析。然而，由于生物組織對于近紅外光具有高散射的特性，因此光的能量將隨著光在生物組織中行走的距離產生嚴重的衰減，這樣的效應自然也會嚴重地影響光在組織中能行走的深度。不過，即使近紅外光在大腦組織中大約只可到達三公分的深度，此距離也已經足夠使本發(fā)明測量到大腦皮質活動以及大腦萎縮所造成的體積結構變化。
[0040]首先，請參考圖1與圖2，其中圖1顯示本發(fā)明一
[0041]實施例的大腦體積測量系統(tǒng)架構示意圖，圖2顯示本發(fā)明一實施例的大腦體積測量系統(tǒng)實施流程圖。如圖1所示，本發(fā)明所提供的大腦體積測量系統(tǒng)系用以測量受測者I的大腦體積結構變化。其中，此系統(tǒng)100至少包含一光學裝置2與一評估裝置3。光學裝置2包含一光源21、一光學探頭22與復數個檢測器23。較佳地，光源21為單波段或多波段的一近紅外光源，但光源21更可包含使用任何可發(fā)出近紅外光的發(fā)光組件，例如雷射、LED。較佳地，光學探頭22為單組或多組mXη數組式探頭，其包含全光纖探頭以及非光纖探頭，并包含使用半導體雷射等任何可以發(fā)射、傳導光子的電子組件。較佳地，檢測器23可為光偵測器與光傳感器等任何可接收光學訊號的電子組件。另外，光學裝置2更可包含一訊號處理電路24，用以進一步放大、濾波處理由檢測器23接收到的訊號。
[0042]評估裝置3則可為可程控的一計算機或一單芯片微處理裝置，但本發(fā)明并不僅以上述任一實施例為限。另外，此系統(tǒng)100更包含至少一傳輸裝置4，傳輸裝置4設于光學裝置2與評估裝置3之間，用以將訊號由評估裝置2傳輸到驅動光學裝置2，或將光學裝置2發(fā)出的訊號傳輸到評估裝置3處理。較佳地，傳輸裝置4可為一數據擷取卡、一數字模擬轉換器、一模擬數字轉換器或一單芯片，但本發(fā)明并不僅以此為限。
[0043]接著，將圖1中所示的系統(tǒng)架構圖詳細說明本發(fā)明所提供的大腦體積測量系統(tǒng)的實施方式。首先，提供一光源S200，如前文所述，此處所指的光源即為光學裝置2的光源21。接著，將光學探頭22緊貼于受測者I頭部的光線射入位置I，此時光源發(fā)出的光線便會經由光學探頭22自受測者I頭部的光線射入位置射入頭內S201。而復數個檢測器23則分別設置在受測者I頭部的復數個光線接收位置R用以接收復數個散射光子以得到第一光學訊號S202。最后，在傳輸裝置4接收第一光學訊號并`將其傳送至評估裝置3后，便由評估裝置3處理第一光學訊號以得到第二光學訊號S203。由于光學探頭為一mXn數組式光學探頭，第一光學訊號較佳地為一大腦光學數組式訊號，另外評估裝置3是利用一mXn多點式大腦體積測量算法來處理第一光學訊號，而第二光學訊號為一大腦體積光學訊號。
[0044]如圖3A至B所示本發(fā)明一實施例中光線射入位置與檢測器的分布位置示意圖。本發(fā)明是利用不同的光線射入位置與檢測器間的距離來獲取光衰減訊號造影，也就是說光源通過光學探頭使其發(fā)出的光線射入受測者的頭部，而光學探頭所在的光線射入位置與復數個檢測器所在的復數個光線接收位置可分布于頭部的一橫狀切面T1、一矢狀切面T2或一冠狀切面T3上。
[0045]如圖3A所示，圓形標記I即代表光學探頭所在位置(也就是光線射入頭部的位置，或稱光線射入位置)，由于檢測器為復數個，標記R為多個且其所在的復數個光線接收位置彼此是不重迭的。較佳地，當上述光線射入位置(圓形標記I)與上述復數個光線接收位置(星星標記R)分布于橫狀切面T1或矢狀切面T2上時，光線射入位置位于受測者額頭中央并距其頭頂6公分深度處，且光線射入位置與復數個光線接收位置的距離分別為I至5公分，也就是前文所提的:光線與復數個檢測器具有復數個間距，且該些間距彼此不同。在另外一個實施例中，如圖3B所示，當光線射入位置與復數個光線接收位置分布于冠狀切面T3時，第一位置位于受測者頭頂中間，且第一位置與該些第二位置的距離分別為I至5公分。
[0046]如圖2所示，本發(fā)明所提供的大腦體積測量系統(tǒng)實施流程圖更包含下列步驟:經由檢測器陸陸續(xù)續(xù)接收到的第一光學訊號，并將該些第一光學訊號傳送至評估裝置處理而得到復數個第二光學訊號后，評估裝置可以通過目前臨床已知的診斷與大腦結構醫(yī)學影像信息(如核磁共振與計算機斷層掃描)進行大量數據搜集，并與上述測量而得的第二光學訊號相對比而形成復數個不同的病理分類。即，經由本發(fā)明的第二光學訊號便可進行不同病理的不同大腦體積的分類S300。
[0047]在步驟S300之后，進一步根據不同的病理分類通過統(tǒng)計方法
[0048]分別建立復數個光學大腦結構退化程度分級S301。也就是說，各種疾病可依據不同大腦體積而區(qū)分為復數種病理分類，每一個病理分類中又可以區(qū)分為不同程度等級的癥狀，例如:萎縮的嚴重程度等。最后，將上述病理分類及其中所包含的復數個大腦結構退化程度整理而建置一個數據庫S302。
[0049]因此，本發(fā)明所提供的大腦體積測量系統(tǒng)實施流程更包含下列步驟:
[0050]首先，將第二光學訊號分類至數據庫的該些病理分類的其中一個S204。接著，判斷第二光學訊號是否符合該些病理分類的其中一個的臨界值S205，若否，則判定受測者正常S206。反之，若是，則判 定受測者具有一大腦結構異常狀況S207。
[0051]然后，比對上述所建置的數據庫，確認受測者的狀況屬于此病理分類中哪一等級的大腦結構退化程度S208以得到一結果，此時上述結果自應對應于上述復數個大腦結構退化程度的其中一個。最后，顯示上述結果S209。由此可知，評估裝置可進一步設置有一顯示單元以顯示上述結果，然而本發(fā)明并不僅以此為限，也可以外接一顯示單元。
[0052]如圖4A和B、圖5A至C，圖4A顯示本發(fā)明一實施例中正常受測者受測后的擴散光學影像，圖4B顯示本發(fā)明一實施例中大腦萎縮病患受測后的擴散光學影像，圖5A至C分別顯示本發(fā)明一實施例中于頭部三個切面上光線射入位置一檢測器間距與光強度的關系圖。圖4A與圖4B中的大腦組織模型可通過一蒙地卡羅方法結合第一光學訊號與受測者頭部的一核磁共振影像來完成。由圖4A與圖4B可以清楚觀察出大腦萎縮造成灰質、白質以及腦脊髓液的體積改變的確會對光強度訊號產生顯著的影響。
[0053]另外，如圖5A至C所示，圖中的橫軸代表光線射入位置與復數個檢測器的間距為I至5公分，縱軸則為光強度，LI為一正常受測者的測量結果，而L2則為一患有阿茲海默癥的病患的測量結果，由三個切面的數據分析便可以判斷出大腦萎縮造成結構改變影響光強度的變化趨勢。其中，由矢狀切面結果顯示由于大腦萎縮的不對稱性造成光強度影像的劇烈變化。然而由冠狀切面結果顯示由于大腦萎縮造成灰質與白質體積的減小以及腦脊髓液的體積增加，此腦脊髓液光導效應在萎縮病患的訊號上呈現較平穩(wěn)的衰減，相對在正常受測者的測量結果中由于灰質與白質體積較大而對光訊號產生多重的散射與吸收作用，破壞光傳播路徑導致光強度衰減呈現劇烈變化。透過對影像的呈現不僅有助于了解大腦萎縮的結構性差異，并可通過光強度訊號波形分析將測得的數據分類，可作為臨床醫(yī)護人員診斷大腦萎縮程度疾病類型的參考指標，甚至更進一步了解治療的有效程度。[0054]綜上所述，本發(fā)明是透過光學技術測量大腦的體積結構變化，目前并沒有任何研究或產品是透過光學技術來測量大腦的體積結構性變化，而且因為光學技術不受測量空間與時間的限制，醫(yī)生透過手持式探頭，在門診時便可直接對病患做實時的測量來輔助診斷，完全以病患為導。另外，由于光學技術設備可制作成可攜式測量系統(tǒng)，因此對于居家照護方面可提供病患的長時間監(jiān)控數據來幫助醫(yī)師做長期的追蹤與診斷，也可以針對病患的治療過程做長時間的療效評估。
[0055]進一步，光學設備技術轉讓門坎與制作成本相對較低，可以大批量生產，加上全世界都將邁入老年化社會，對于居家照護或長時間的病情追蹤都提供非常大的市場導向。因此，不論是提供醫(yī)師方便、實時的測量量數據來幫助診斷或是布局龐大的居家照護市場，上述這些光學診斷設備的優(yōu)點都是傳統(tǒng)核磁共振技術或正子斷層造影技術所無法辦到的。
[0056]上列詳細說明系針對本發(fā)明的一可行實施例的具體說明，但該實施例并非用以限制本發(fā)明的專利范圍，凡未脫離本發(fā)明技藝精神所為的等效實施或變更，均應包含于本發(fā)明的專利范圍 中。
【權利要求】
1. 一種大腦體積測量系統(tǒng)，用以測量一受測者的大腦體積，其特征在于，包含:一光學裝置，包含:至少一光學探頭，平貼于該受測者頭部并發(fā)出至少一光線射入受測者頭部；復數個檢測器，置于該受測者頭部接收復數個散射光子，得到一第一光學訊號；以及一評估裝置，處理該第一光學訊號以得到一第二光學訊號。
2.如權利要求1所述的大腦體積測量系統(tǒng)，其特征在于，該光學頭置于該受測者頭部的該光線射入位置，與該復數個檢測器置于該受測者頭部該復數個光線接收位置，該光線射入位置與該光線接收位置排列于受測者頭部的一橫狀切面、一矢狀切面或一冠狀切面上，且各位置互相不重迭。
3.如權利要求1所述的大腦體積測量系統(tǒng)，其特征在于，該光學裝置更包含一訊號處理電路。
4.如權利要求1所述的大腦體積測量系統(tǒng)，其特征在于，更包含:至少一傳輸裝置，介設于該光學裝置與該評估裝置之間。
5.如權利要求4所述的大腦體積測量系統(tǒng)，其特征在于，該傳輸裝置為一數據擷取卡、一數字模擬轉換器、一模擬數字轉換器或一單芯片。
6.如權利要求1所述的大腦體積測量系統(tǒng)，其特征在于，該光線為單波段或多波段的一近紅外光線。
7.如權利要求1所述的大腦體積測量系統(tǒng)，其特征在于，該光學探頭為一mXn數組式光學探頭。
8.如權利要求1所述的大腦體積測量系統(tǒng)，其特征在于，該評估裝置系利用一mXn多點式大腦體積測量算法來處理該第一光學訊號。
9.如權利要求8所述的大腦體積測量系統(tǒng)，其特征在于，該評估裝置包含一數據庫，可比對該第二光學訊號與該數據庫中不同的病理分類，得到一大腦結構退化程度分級結果。
10.如權利要求9所述的大腦體積測量系統(tǒng)，其特征在于，該數據庫系依照不同臨床病理的統(tǒng)計，進行大腦結構退化程度分級并建立該數據庫，且該數據庫會持續(xù)累積檢測結果來進行系統(tǒng)更新。
11.如權利要求8所述的大腦體積測量系統(tǒng)，其特征在于，該評估裝置更可用以建置該受測者的一大腦組織模型。
12.如權利要求1所述的大腦體積測量系統(tǒng)，其特征在于，該大腦體積測量系統(tǒng)可同時測得大腦皮質血氧濃度訊號。
13.如權利要求12所述的大腦體積測量系統(tǒng)，其特征在于，該評估裝置可依含氧血紅素與缺氧血紅素不同的吸收系數進行演算，并呈現該大腦皮質血氧濃度變化影像。
14.如權利要求1所述的大腦體積測量系統(tǒng)，其特征在于，該評估裝置更包含一顯示單元，用以實時顯示各測量結果。
15.如權利要求1所述的大腦體積測量系統(tǒng)，其特征在于，該評估裝置為可程控的一計算機或一單芯片微處理裝置。
【文檔編號】A61B5/1455GK103565440SQ201210448083
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2012年11月9日 優(yōu)先權日:2012年8月7日
【發(fā)明者】孫家偉, 莊競程, 謝曜聲 申請人:法瑪科技顧問股份有限公司