脊髓損傷部位神經(jīng)元活性檢測系統(tǒng)及檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種脊髓損傷部位神經(jīng)元活性檢測系統(tǒng)及檢測方法，主要解決傳統(tǒng)醫(yī)學設備無法準確獲得脊髓受損的位置神經(jīng)元活性信息的問題。本系統(tǒng)包括光源子系統(tǒng)、分光子系統(tǒng)、反光鏡、檢測子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理和圖像處理子系統(tǒng)和顯示器。光源子系統(tǒng)產(chǎn)生的近紅外光經(jīng)過分光子系統(tǒng)后，通過反射鏡改變光路，投射至脊髓損傷部位，數(shù)據(jù)處理和圖像處理子系統(tǒng)通過對檢測子系統(tǒng)檢測到的漫反射光譜和透射光譜的分析，獲得神經(jīng)遞質和神經(jīng)元特異性核蛋白的定位、定性、定量關系，并繪制成神經(jīng)元活性信息圖在顯示器顯示。本發(fā)明能獲得脊髓損傷部位神經(jīng)元狀態(tài)的詳細信息，用于為脊髓損傷的治療及脊髓損傷后神經(jīng)功能重建研究提供依據(jù)。
【專利說明】脊髓損傷部位神經(jīng)元活性檢測系統(tǒng)及檢測方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于電子設備【技術領域】，特別涉及一種醫(yī)學檢測設備，可用于測量患者脊髓損傷部位神經(jīng)遞質和神經(jīng)元特異性核蛋白的近紅外吸收譜，定位檢測神經(jīng)元的活性，為脊髓損傷的診斷、治療和科學研究提供可視化檢測手段和依據(jù)。

【背景技術】
[0002]近年來，隨著交通事故、高空跌落、機械撞擊等事故的頻發(fā)，導致的脊髓損傷患者的數(shù)量大幅增加。據(jù)2013年統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，全世界脊髓損傷患病率為(258~785人)/百萬人口，每年新發(fā)病率為(13.8~86人)/百萬人口。目前全世界有脊髓損傷患者約480~530萬人，每年新增60萬人左右。脊髓損傷將中斷人體神經(jīng)信號的傳輸信道，造成患者大多高位截癱，喪失肢體功能，大小便失禁，導致終生殘疾，生活異常艱難，這不僅會給患者本人帶來身體和心理的嚴重傷害，還會對家庭和社會造成巨大的經(jīng)濟負擔。脊髓損傷的預防、治療和康復，已成為是世界醫(yī)學一大難題。
[0003]迄今為止，醫(yī)生和科研人員只能使用常規(guī)的儀器和檢查方式，如X射線檢查、CT檢查、磁共振MRI檢查、體感誘發(fā)電位SEP和運動誘導電位MEP檢查等傳統(tǒng)方式。盡管這些儀器能夠判斷急性脊髓損傷受損的大概位置，但是這種檢查只是形態(tài)學和影像學方面的觀察，不能夠檢查患者脊髓損傷部位神經(jīng)元的活性及隨時間變化情況，也不能夠準確判斷脊髓受損的位置，難以精確判斷受損脊髓的空洞和結痂的情況，也不能夠為患者的康復提供可供比較的影像資料。
[0004]目前，醫(yī)學領域針對脊髓損傷后神經(jīng)功能重建所采取的研究方法主要可分為三大類:一是神經(jīng)營養(yǎng)因子和神經(jīng)元再生、二是神經(jīng)元移植，三是神經(jīng)電生理和人工微電子搭橋。
[0005]但這些方法的實現(xiàn)需要獲取脊髓損傷部位神經(jīng)元狀態(tài)的詳細信息，如神經(jīng)元活動情況，移植神經(jīng)元與原有神經(jīng)元之間的相容性和排異性情況，受損部位脊髓結痂狀態(tài)，受損脊髓長度等等。而現(xiàn)有的醫(yī)學設備都無法提供以上信息。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有醫(yī)學檢測設備的不足，基于神經(jīng)遞質和神經(jīng)元特異性核蛋白的近紅外譜分析理論和技術，提供一種脊髓損傷部位神經(jīng)元活性檢測系統(tǒng)及檢測方法，以通過對患者脊髓受損部位的近紅外測試、定位、定量和定性分析獲得脊髓受損部位的神經(jīng)元活性信息，并進行成像顯示，為脊髓損傷患者的治療及脊髓損傷后神經(jīng)功能重建的研究提供依據(jù)。
[0007]本發(fā)明的技術方案是這樣實現(xiàn)的:
[0008]一.檢測原理
[0009]醫(yī)學研究表明，神經(jīng)遞質由存活的神經(jīng)元產(chǎn)生，神經(jīng)元特異性核蛋白，能夠特異性識別神經(jīng)元。根據(jù)量子能級理論，每種物質都有自己獨一無二的紅外光譜。通過對脊髓損傷部位神經(jīng)遞質和神經(jīng)元特異性核蛋白的近紅外吸收譜檢測，能夠判斷神經(jīng)元的活性。
[0010]本發(fā)明將光源發(fā)出的近紅外光經(jīng)分光系統(tǒng)和反光鏡，投射至患者脊髓損傷部位。投射的近紅外光一部分被體內(nèi)的各種生物組織及不同物質，如蛋白質、骨骼、水分、電解質、神經(jīng)遞質、神經(jīng)元特異性核蛋白等吸收，一部分被反射出來，還有一部分穿過人體，透射出來。通過漫反射檢測器，得到近紅外漫反射光譜，通過透射檢測器，得到近紅外透射光譜。漫反射光譜和透射光譜經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和圖像處理后，可以對神經(jīng)遞質和神經(jīng)元特異性核蛋白進行定位、定性、定量分析，最后在顯示器成像顯示神經(jīng)元活性信息。
[0011]二.本發(fā)明提出的脊髓損傷部位神經(jīng)元活性檢測系統(tǒng)，包括:
[0012]光源子系統(tǒng):用于為檢測系統(tǒng)提供能覆蓋整個近紅外譜的紅外光；
[0013]分光子系統(tǒng):用于對光源子系統(tǒng)發(fā)出的近紅外光進行分光，使近紅外光以柵格狀傳輸至反光鏡；
[0014]反光鏡:用于改變光路，使柵格狀的近紅外光照射至測試床子系統(tǒng)確定位置；
[0015]測試床子系統(tǒng)，用于承載患者，并通過調(diào)節(jié)測試床的位置使反光鏡傳輸?shù)慕t外光對患者脊髓損傷部位進行照射掃描的一部分近紅外光被吸收，一部分發(fā)生漫反射和透射，產(chǎn)生漫反射光譜和透射光譜；
[0016]檢測器子系統(tǒng):用于對照射掃描后產(chǎn)生的漫反射光譜和透射光譜進行檢測，并將檢測到的光譜信號轉換成數(shù)字信號后輸送給數(shù)據(jù)處理和圖像處理子系統(tǒng)；
[0017]數(shù)據(jù)處理和圖像處理子系統(tǒng):用于對檢測器子系統(tǒng)輸出的數(shù)字信號進行處理，以獲得近紅外線吸收譜圖和神經(jīng)元活性信息圖，輸出給成像顯示器，并建立患者脊髓損傷數(shù)據(jù)庫；
[0018]顯示器:用于對近紅外線吸收譜圖，神經(jīng)元活性信息圖進行成像顯示，以及查看數(shù)據(jù)庫文件。
[0019]作為優(yōu)選，所述的光源子系統(tǒng)包括光源器件、聚光器、準直器、控制電路、反饋電路和電源；電源對光源器件提供能量，光源器件的輸出分為兩路:一路為電壓信號，另一路為近紅外光信號；該電壓信號通過反饋電路輸送至控制電路，控制電路對電源輸出電壓進行控制；該近紅外光信號，依次經(jīng)過聚光器聚光，準直器準直后發(fā)送至分光子系統(tǒng)。
[0020]作為優(yōu)選，所述的分光子系統(tǒng)，包括光柵、驅動電路、掃描控制器；掃描控制器通過驅動電路對光柵分辨率和掃描速率進行調(diào)節(jié)。
[0021]作為優(yōu)選，所述的檢測器子系統(tǒng)，包括溫度控制器、測試艙、光檢測器、光電轉換器、放大電路、A/D轉換電路；溫度控制器用于控制測試艙溫度，光檢測器置于測試艙內(nèi)，用于對漫反射光譜和透射光譜進行檢測，光電轉換器將檢測到的光譜變?yōu)槟M電信號，該模擬電信號依次經(jīng)放大電路放大、A/D轉換，輸出數(shù)字信號給數(shù)據(jù)處理和圖像處理子系統(tǒng)。
[0022]作為優(yōu)選，所述的數(shù)據(jù)處理和圖像處理子系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)處理器、近紅外分析儀；該數(shù)據(jù)處理器包括:
[0023]紅外去噪模塊，用于對數(shù)字信號進行紅外去噪，將紅外去噪后的數(shù)字信號輸出至近紅外分析儀進行分析，以獲得近紅外吸收譜圖，并將該近紅外吸收譜圖輸出至近紅外吸收譜圖數(shù)據(jù)庫和近紅外吸收譜分析模塊；
[0024]近紅外吸收譜圖數(shù)據(jù)庫，用于存儲近紅外吸收譜圖；
[0025]近紅外吸收譜分析模塊，用于對近紅外吸收譜圖進行分析，獲得初步神經(jīng)元活性信息圖，并將初步神經(jīng)元活性信息圖輸出至圖像去噪模塊；
[0026]圖像去噪模塊，用于對初步神經(jīng)元活性信息圖進行圖像去噪處理，以獲得神經(jīng)元活性信息圖，并將神經(jīng)元活性信息圖輸出至神經(jīng)元活性信息圖數(shù)據(jù)庫和顯示器進行存儲和顯不O
[0027]三.本發(fā)明提出的脊髓損傷部位神經(jīng)元活性檢測方法，包括如下步驟:
[0028](I)采用聚類算法計算神經(jīng)遞質和神經(jīng)元特異性核蛋白樣品的聚類距離矩陣0? ={dpq},其中dM表示P樣品Xp和q樣品Xq的歐氏距離；
[0029](2)采用偏最小二乘PLS算法計算神經(jīng)遞質和神經(jīng)元特異性核蛋白樣品的回歸系數(shù)矩陣B ；
[0030](3)以人體脊髓每節(jié)段的底部切面中心為原點，垂直于身體平面為X軸，平行于身體平面為Y軸，平行于脊椎為Z軸，建立三維立體坐標系；
[0031](4)利用光源器件產(chǎn)生覆蓋整個近紅外譜的紅外光；
[0032](5)利用光柵對光源器件產(chǎn)生的近紅外光進行分光處理，得到柵格狀近紅外光；
[0033](6)柵格狀的近紅外光經(jīng)過反光鏡改變光路，對脊髓損傷部位進行三維照射掃描，產(chǎn)生漫反射光譜和透射光譜；
[0034](7)對照射掃描后所產(chǎn)生的漫反射光譜和透射光譜進行檢測，將檢測到的光譜信號轉變?yōu)槟M電信號，再經(jīng)過放大和模數(shù)轉換變?yōu)閿?shù)字信號；
[0035](8)使用小波包閾值消噪方法對數(shù)字信號進行紅外去噪處理，并通過近紅外分析儀輸出近紅外吸收譜圖；
[0036](9)由近紅外吸收譜圖得到初步神經(jīng)元的活性信息圖；
[0037](9a)在近紅外吸收譜圖中讀取未穿過人體的反射光強度為Itl，穿過人體之后的反射光強度I，根據(jù)近紅外光強度與光沿路徑損耗的定量關系I = IcieId，計算三維掃面路徑

一 rf d d的人體厚度值分別為(I1、d2、d3,則該點坐標、y=~T、2=」.，其中μ為衰減系數(shù)，e
4 4 4
為常數(shù)；
[0038](9b)在近紅外吸收譜圖中讀取波長對應的吸收度數(shù)據(jù)集合y，分別計算吸收度數(shù)據(jù)集合I與樣品Xp和Xq的歐氏距離dyp和(1?，如果所計算的歐氏距離dyp和Clyq均不大于聚類距離矩陣Dn中的元素dM，則認為神經(jīng)遞質或者神經(jīng)元特異性核蛋白存在。
[0039](9c)在近紅外吸收譜圖中選定波長與吸收帶，建立檢測光譜矩陣Χ.Λ，利用檢測光譜矩陣Xs?和回歸系數(shù)矩陣B確定該次照射掃描部位神經(jīng)遞質和神經(jīng)元特異性核蛋白的含量Y = X _ B ；
[0040](9d)將脊髓損傷部位的神經(jīng)遞質和神經(jīng)元特異性核蛋白存在情況繪制在脊髓的三維立體坐標系中，得到初步神經(jīng)元的活性信息圖；
[0041](10)利用小波圖像去噪方法對初步神經(jīng)元的活性信息圖進行圖像去噪處理，得到最終神經(jīng)元活性信息圖，并成像顯示。
[0042]本發(fā)明與現(xiàn)有脊髓損傷部位檢測系統(tǒng)相比，具有以下優(yōu)點:
[0043]I)本發(fā)明由于根據(jù)近紅外光強度與光沿路徑損耗的定量關系確定神經(jīng)元的位置，所以定位更加準確；
[0044]2)本發(fā)明由于使用了聚類算法對近紅外吸收譜圖的波長及吸收度進行分析，所以能夠對神經(jīng)元進行準確的定性分析；
[0045]3)本發(fā)明由于使用了偏最小二乘算法對近紅外吸收譜圖的波長及吸收帶進行分析，能夠對神經(jīng)元的含量進行定量評估；
[0046]4)本發(fā)明基于三維立體坐標，繪制的神經(jīng)元活性信息圖更加直觀；
[0047]5)本發(fā)明采用近紅外光譜技術進行實時檢測，約3-5分鐘即可提供脊髓損傷部位的神經(jīng)元活性信息，為患者的臨床治療爭取了寶貴時間；
[0048]6)本發(fā)明是無創(chuàng)檢測，檢測過程僅是對患者受損部位進行近紅外掃描，使患者近紅外掃描部位體溫升高0.5-1.2°C，不僅有利于血液循環(huán)，而且不會造成新的創(chuàng)傷；
[0049]7)本發(fā)明不僅僅局限于對脊髓損傷神經(jīng)元活性的檢測，在獲取其它物質的近紅外光譜的條件下，還可用于其它疾病的臨床檢測，具有廣泛的適用性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0050]圖1是本發(fā)明系統(tǒng)的結構示意圖；
[0051]圖2是本發(fā)明系統(tǒng)的實現(xiàn)原理圖；
[0052]圖3是本發(fā)明系統(tǒng)的結構框圖；
[0053]圖4是本發(fā)明檢測方法的實現(xiàn)總流程圖；
[0054]圖5是本發(fā)明中的數(shù)字信號處理子流程圖。

【具體實施方式】
[0055]以下結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。
[0056]參照圖1，構成本發(fā)明檢測系統(tǒng)的部件包括:電機控機器、測試床、檢測艙、近紅外光分析儀、數(shù)據(jù)處理器及顯示器。其中電機控機器、測試床和近紅外光分析儀均為現(xiàn)有設備，電機控制器對測試床進行控制，使脊髓損傷部位位于檢測艙內(nèi)特定位置，檢測艙對患者脊髓損傷部位進行檢測，再將檢測數(shù)據(jù)輸出至數(shù)據(jù)處理器進行初步數(shù)據(jù)處理；將初步數(shù)據(jù)處理結果輸出至近紅外分析儀進行分析，獲得近紅外吸收譜圖并輸出至數(shù)據(jù)處理器再處理；數(shù)據(jù)處理器對近紅外吸收譜圖進行再次處理，得到神經(jīng)元活性信息圖并在顯示器顯示。
[0057]參照圖2,本系統(tǒng)包括光源子系統(tǒng)I,分光子系統(tǒng)2,反光鏡3,測試床子系統(tǒng)4,檢測器子系統(tǒng)5，數(shù)據(jù)處理和圖像處理子系統(tǒng)6以及顯示器7。整個系統(tǒng)的工作原理是:由光源子系統(tǒng)I產(chǎn)生的近紅外光先經(jīng)過分光子系統(tǒng)2進行分光，變?yōu)闁鸥駹畹慕t外光，再通過反光鏡3改變光路，投射至測試床4上患者脊髓損傷部位；投射的柵格狀近紅外光一部分被體內(nèi)的各種生物組織及不同物質所吸收，一部分發(fā)生漫反射，還有一部分穿過人體，透射出來。通過檢測子系統(tǒng)5中的漫反射檢測器A和B，檢測發(fā)生漫反射的近紅外光譜，通過檢測子系統(tǒng)5中的透射檢測器，檢測發(fā)生透射的近紅外光譜；將檢測到的漫反射光譜信號和透射光譜信號轉換成數(shù)字信號后輸出至數(shù)據(jù)處理和圖像處理子系統(tǒng)6 ;數(shù)據(jù)處理和圖像處理子系統(tǒng)6將數(shù)字信號進行近紅外去噪后，再用近紅外分析儀進行分析，獲得近紅外光吸收譜圖；通過對近紅外吸收譜圖中波長、吸收帶、光強度等計算，可以對體內(nèi)的神經(jīng)遞質和神經(jīng)元特異性核蛋白進行定位、定性、定量分析，并繪制成神經(jīng)元活性信息圖；最后將神經(jīng)元活性信息圖經(jīng)圖像去噪后在顯示器7顯示。
[0058]參照圖3，本發(fā)明各子系統(tǒng)的結構及工作關系如下:
[0059]所述光源子系統(tǒng)1，由電源11、光源器件12、反饋電路13、控制電路14、聚光器15、準直器16組成；
[0060]所述分光子系統(tǒng)2，由掃描控制器21、驅動電路22、光柵23組成；
[0061]所述測試床子系統(tǒng)4，由電機控制器41、步進電機42、測試床43組成；
[0062]所述檢測子系統(tǒng)5，由溫度控制器51、測試艙52、光檢測器53、光電轉換器54、放大電路55、A/D轉換電路56組成；
[0063]所述數(shù)據(jù)處理和圖像處理子系統(tǒng)6，由數(shù)據(jù)處理器61和近紅外分析儀62組成。
[0064]光源子系統(tǒng)I中的電源11對光源器件提供能量，光源器件12的輸出分為兩路:一路為電壓信號，另一路為近紅外光信號；該電壓信號通過反饋電路13輸送至控制電路14，控制電路14對電源11輸出電壓進行控制；該近紅外光信號，依次經(jīng)過聚光器15聚光，準直器16準直后發(fā)送至分光子系統(tǒng)2中的光柵。
[0065]分光子系統(tǒng)2中的掃描控制器21通過驅動電路22對光柵進行調(diào)節(jié)，使光源子系統(tǒng)發(fā)出的近紅外光經(jīng)過光柵后以柵格狀傳輸至反光鏡3。
[0066]反光鏡3改變光路，使柵格狀的近紅外光照射至測試床43上。通過電機控制器41對步進電機42進行控制，使照射至測試床43上的柵格狀近紅外光對患者脊髓損傷部位進行掃描，一部分近紅外光被吸收，一部分發(fā)生漫反射和透射，產(chǎn)生漫反射光譜和透射光譜。
[0067]檢測子系統(tǒng)5中的溫度控制器51對測試艙52內(nèi)溫度進行控制，光檢測器53置于測試艙52內(nèi)，對漫反射光譜和透射光譜進行檢測，光電轉換器54將檢測到的光譜變?yōu)槟M電信號，該模擬電信號依次經(jīng)放大電路放大55、A/D轉換56,輸出數(shù)字信號給數(shù)據(jù)處理和圖像處理子系統(tǒng)6。
[0068]數(shù)據(jù)處理和圖像處理子系統(tǒng)6中的數(shù)據(jù)處理器61對數(shù)字信號進行紅外去噪，將紅外去噪后的數(shù)字信號輸出至近紅外分析儀62進行分析，以獲得近紅外吸收譜圖，并輸出至數(shù)據(jù)處理器61 ;數(shù)據(jù)處理器61對該近紅外吸收譜圖進行分析，獲得初步神經(jīng)元活性信息圖；將初步神經(jīng)元活性信息圖進行圖像去噪處理后，獲得最終神經(jīng)元活性信息圖并輸出至顯示器7進行成像顯示。
[0069]參照圖4，利用上述系統(tǒng)進行脊髓損傷部位神經(jīng)元活性檢測的方法，其實現(xiàn)步驟如下:
[0070]步驟1，采用聚類算法計算神經(jīng)遞質和神經(jīng)元特異性核蛋白樣品的聚類距離矩陣Dn。
[0071]1.1)對于每一種神經(jīng)遞質和神經(jīng)元特異性核蛋白試劑樣品，使用紅外光譜儀，對η份不同濃度樣品進行近紅外光譜測量，兩個樣品Xi和\光譜在k波長點處的吸收度值分別為Xik和X#,計算每兩個樣品之間的歐氏距離

【權利要求】
1.一種脊髓損傷部位神經(jīng)元活性檢測系統(tǒng)，包括: 光源子系統(tǒng):用于為檢測系統(tǒng)提供能覆蓋整個近紅外譜的紅外光； 分光子系統(tǒng):用于對光源子系統(tǒng)發(fā)出的近紅外光進行分光，使近紅外光以柵格狀傳輸至反光鏡； 反光鏡:用于改變光路，使柵格狀的近紅外光照射至測試床子系統(tǒng)確定位置； 測試床子系統(tǒng)，用于承載患者，并通過調(diào)節(jié)測試床的位置使反光鏡傳輸?shù)慕t外光對患者脊髓損傷部位進行照射掃描的一部分近紅外光被吸收，一部分發(fā)生漫反射和透射，產(chǎn)生漫反射光譜和透射光譜； 檢測器子系統(tǒng):用于對照射掃描后產(chǎn)生的漫反射光譜和透射光譜進行檢測，并將檢測到的光譜信號轉換成數(shù)字信號后輸送給數(shù)據(jù)處理和圖像處理子系統(tǒng)； 數(shù)據(jù)處理和圖像處理子系統(tǒng):用于對檢測器子系統(tǒng)輸出的數(shù)字信號進行處理，以獲得近紅外線吸收譜圖和神經(jīng)元活性信息圖，輸出給成像顯示器，并建立患者脊髓損傷數(shù)據(jù)庫； 顯示器:用于對近紅外線吸收譜圖，神經(jīng)元活性信息圖進行成像顯示，以及查看數(shù)據(jù)庫文件。
2.根據(jù)權利I所述的脊髓損傷部位神經(jīng)元活性檢測系統(tǒng)，其中所述的光源子系統(tǒng)包括光源器件、聚光器、準 直器、控制電路、反饋電路和電源；電源對光源器件提供能量，光源器件的輸出分為兩路:一路為電壓信號，另一路為近紅外光信號；該電壓信號通過反饋電路輸送至控制電路，控制電路對電源輸出電壓進行控制；該近紅外光信號，依次經(jīng)過聚光器聚光，準直器準直后發(fā)送至分光子系統(tǒng)。
3.根據(jù)權利I所述的脊髓損傷部位神經(jīng)元活性檢測系統(tǒng)，其中所述的分光子系統(tǒng)，包括光柵、驅動電路、掃描控制器；掃描控制器通過驅動電路對光柵分辨率和掃描速率進行調(diào)節(jié)。
4.根據(jù)權利I所述的脊髓損傷部位神經(jīng)元活性檢測系統(tǒng)，其中所述的檢測器子系統(tǒng)，包括溫度控制器、測試艙、光檢測器、光電轉換器、放大電路、A/D轉換電路；溫度控制器用于控制測試艙溫度，光檢測器置于測試艙內(nèi)，用于對漫反射光譜和透射光譜進行檢測，光電轉換器將檢測到的光譜變?yōu)槟M電信號，該模擬電信號依次經(jīng)放大電路放大、A/D轉換，輸出數(shù)字信號給數(shù)據(jù)處理和圖像處理子系統(tǒng)。
5.根據(jù)權利I所述的脊髓損傷部位神經(jīng)元活性檢測系統(tǒng)，其中所述的數(shù)據(jù)處理和圖像處理子系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)處理器、近紅外分析儀；該數(shù)據(jù)處理器包括: 紅外去噪模塊，用于對數(shù)字信號進行紅外去噪，將紅外去噪后的數(shù)字信號輸出至近紅外分析儀進行分析，以獲得近紅外吸收譜圖，并將該近紅外吸收譜圖輸出至近紅外吸收譜圖數(shù)據(jù)庫和近紅外吸收譜分析模塊； 近紅外吸收譜圖數(shù)據(jù)庫，用于存儲近紅外吸收譜圖； 近紅外吸收譜分析模塊，用于對近紅外吸收譜圖進行分析，獲得初步神經(jīng)元活性信息圖，并將初步神經(jīng)元活性信息圖輸出至圖像去噪模塊； 圖像去噪模塊，用于對初步神經(jīng)元活性信息圖進行圖像去噪處理，以獲得神經(jīng)元活性信息圖，并將神經(jīng)元活性信息圖輸出至神經(jīng)元活性信息圖數(shù)據(jù)庫和顯示器進行存儲和顯/Jn ο
6.一種脊髓損傷部位神經(jīng)元活性檢測方法，包括如下步驟: (1)采用聚類算法計算神經(jīng)遞質和神經(jīng)元特異性核蛋白樣品的聚類距離矩陣Dn={dpq},其中dM表示P樣品Xp和q樣品Xq的歐氏距離； (2)采用偏最小二乘PLS算法計算神經(jīng)遞質和神經(jīng)元特異性核蛋白樣品的回歸系數(shù)矩陣B ; (3)以人體脊髓每節(jié)段的底部切面中心為原點，垂直于身體平面為X軸，平行于身體平面為Y軸，平行于脊椎為Z軸，建立三維立體坐標系； (4)利用光源器件產(chǎn)生覆蓋整個近紅外譜的紅外光； (5)利用光柵對光源器件產(chǎn)生的近紅外光進行分光處理，得到柵格狀近紅外光； (6)柵格狀的近紅外光經(jīng)過反光鏡改變光路，對脊髓損傷部位進行三維照射掃描，產(chǎn)生漫反射光譜和透射光譜； (7)對照射掃描后所產(chǎn)生的漫反射光譜和透射光譜進行檢測，將檢測到的光譜信號轉變?yōu)槟M電信號，再經(jīng)過放大和模數(shù)轉換變?yōu)閿?shù)字信號； (8)使用小波包閾值消噪方法對數(shù)字信號進行紅外去噪處理，并通過近紅外分析儀輸出近紅外吸收譜圖； (9)由近紅外吸收譜圖得到初步神經(jīng)元的活性信息圖； (9a)在近紅外吸收譜圖中讀取未穿過人體的反射光強度為Itl，穿過人體之后的反射光強度1，根據(jù)近紅外光強度與光沿路徑損耗的定量關系I = Ic^ud，計算三維掃面路徑的人體厚度值分別為dp d2、d3,則該點坐標
，其中μ為衰減系數(shù)，e為常數(shù)； (9b)在近紅外吸收譜圖中讀取波長對應的吸收度數(shù)據(jù)集合y，分別計算吸收度數(shù)據(jù)集合I與樣品Xp和Xq的歐氏距離dyp和心，如果所計算的歐氏距離dyp和Clyq均不大于聚類距離矩陣Dn中的元素dM，則認為神經(jīng)遞質或者神經(jīng)元特異性核蛋白存在； (9c)在近紅外吸收譜圖中選定波長與吸收帶，建立檢測光譜矩陣Xsm，利用檢測光譜矩陣Xs?和回歸系數(shù)矩陣B確定該次照射掃描部位神經(jīng)遞質和神經(jīng)元特異性核蛋白的含量Y = ^檢測B ; Od)將脊髓損傷部位的神經(jīng)遞質和神經(jīng)元特異性核蛋白存在情況繪制在脊髓的三維立體坐標系中，得到初步神經(jīng)元的活性信息圖； (10)利用小波圖像去噪方法對初步神經(jīng)元的活性信息圖進行圖像去噪處理，得到最終神經(jīng)元活性信息圖，并成像顯示。
7.根據(jù)權利6所述的脊髓損傷部位神經(jīng)元活性檢測方法，其中步驟(1)所述的采用聚類算法對神經(jīng)遞質和神經(jīng)元特異性核蛋白樣品定性分析，得到聚類距離矩陣，按如下步驟進行: (1.D對于每一種神經(jīng)遞質和神經(jīng)元特異性核蛋白試劑樣品，使用紅外光譜儀，對η份不同濃度樣品進行近紅外光譜測量，兩個樣品Xi和\光譜在k波長點處的吸收度值分別為Xik和xJk,計算每兩個樣品之間的歐氏距離
，得到距離矩陣
, j取值從I到n，m為波長點數(shù)； (1.2)在距離矩陣D1的非對角元素中選取最小的元素，記為dst，并將第S行和第t行合并為一行，將第s列和第t列合并為一列,使該合并行各元素分別為dsk和dtk中的最小值，使該合并列各元素分別為dks和dkt中的最小值，用合并行與合并列中的各元素及距離矩陣D1中未改變的元素構成新距離矩陣D2 ； (1.3)重復步驟(1.2)n-l次，最后得到聚類距離矩陣為Dn = {dpq}。
8.根據(jù)權利6所述的脊髓損傷部位神經(jīng)元活性檢測方法，其中步驟(2)所述的采用偏最小二乘PLS算法對神經(jīng)遞質和神經(jīng)元特異性核蛋白樣品定量分析，得到回歸系數(shù)矩陣和濃度載荷矩陣，按如下步驟進行: (2.1)對每一種神經(jīng)遞質和神經(jīng)元特異性核蛋白試劑樣品，使用紅外光譜儀，對η份不同濃度樣品進行近紅外光譜測量，得到光譜矩陣為X，樣品濃度矩陣為Y ; (2.2)將X和Y分解為:
X = VPT+E,
Y = UQT+F 其中V和U分別是X和Y的光譜得分矩陣和濃度得分矩陣，P和Q分別是X和Y的載荷，E和F分別為偏最小二乘模型擬合X和Y時所引起的殘差矩陣，上標T表示求矩陣的轉置； (2.3)計算回歸系數(shù)矩陣B = W(PtW)-1Qt,其中W為X的權重矩陣。
9.根據(jù)權利6所述的脊髓損傷部位神經(jīng)元活性檢測方法，其中步驟(8)所述的使用小波包閾值消噪方法對數(shù)字信號進行紅外去噪處理，按如下步驟進行: (8.1)選擇小波包的最大分解尺度J，對數(shù)字信號進行J層小波包分解，得到完整的二叉樹； (8.2)從第J層開始，當兩個子結點的香農(nóng)熵之和小于父結點的香農(nóng)熵時，將這兩個子結點合并，最終得到的小波包分解樹的小波包分解系數(shù)Ci ； (8.3)根據(jù)噪聲方差σ和小波包分解系數(shù)Ci相應層的數(shù)據(jù)點數(shù)M計算表閾值
(8.4)使用閾值τ對小波包分解系數(shù)Ci進行消噪處理，得到新的小波包分解系數(shù)
(8.5)用新的小波包分解系數(shù)Ci’進行小波包重構，獲得紅外去噪后的數(shù)字信號。
10.根據(jù)權利6所述的脊髓損傷部位神經(jīng)元活性檢測方法，其中步驟(10)所述的利用小波圖像去噪方法對初步神經(jīng)元的活性信息圖進行圖像去噪處理，按如下步驟進行: (10.1)對初步神經(jīng)元的活性信息圖進行N層圖像的小波分解，得到小波分解系數(shù)Ci ； (10.2)根據(jù)噪聲方差σ，小波分解系數(shù)Ci相應層的數(shù)據(jù)點數(shù)M計算閾值
(10.3)使用閾值τ對小波包分解系數(shù)Ci進行消噪處理，得到新的小波分解系數(shù)
(10.4)用新的小波分解系數(shù)Ci’進行小波重構，即為最終神經(jīng)元活性信息圖。
【文檔編號】A61B5/00GK104068829SQ201410333564
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年7月14日 優(yōu)先權日:2014年7月14日
【發(fā)明者】聶敏, 王林飛, 楊光, 張美玲, 劉璐 申請人:西安郵電大學