以連續波近紅外光譜與三維模型定量人體腦部光學參數

Abstract

本研究目的為定量活體受試者的頭部光學參數，以非侵入式的連續波近紅外漫反射光譜系統量測受試者的活體光譜，並且以數值模型進行光譜擬合，定量得到受試者右前額的頭皮、頭骨、灰質層的吸收係數與散射係數，可用於分析功能性近紅外光譜量測資料與模擬經顱紅外雷射刺激的能量分布等。 為得到穩定的活體寬頻近紅外光譜，本研究以鹵素燈作為光源並以光譜儀作為偵測儀器，以光纖導光作為光源與多個距離在0.8 cm至4.5 cm之間的偵測器，並且自製弧形探頭以穩定貼附受試者右前額，針對不同偵測器使用不同曝光時間使信號足夠穩定，並且進行多次測量確保量得穩定、具代表性的光譜。量測光譜經過校正仿體進行校正，可得到可用波常在700 nm至900 nm的活體光譜。 在數值模型上，本研究將受試者的核磁共振影像分割為頭皮、頭骨、腦脊髓液、灰質、白質與額竇共六種組織，並轉換為可供蒙地卡羅光學模擬的三維模型。為加快模擬速度，本研究使用大數值孔徑模擬漫反射光譜，經由迴歸模型轉換為與光纖相符的數值孔徑；針對每位受試者以尋找表配合白蒙地卡羅法產生大量訓練資料以訓練類神經網路，所得到的類神經網路可取代蒙地卡羅法，將輸入的光學參數快速計算成漫反射模擬光譜。 將活體光譜作為擬合目標，使用遞迴式曲線擬合調整組織模型的光學參數，使模擬光譜最接近活體光譜，從而得到組織光學參數。本研究共定量五位健康受試者的光學參數，五位受試者的光學參數差異大於因活體量測誤差造成的光學參數誤差，且大多在文獻參數的合理範圍之內。使用擬合得到的光學參數模擬灰質路徑長與雷射刺激能量分布，可發現結果與使用文獻值有顯著差異，可見本方法有其重要性。