脑功能成像技术是人类解析大脑功能,理解疾病造成的大脑功能失调现象的重要手段。在基于动物模型的研究中,脑功能成像大多是对麻醉动物进行的,但是麻醉剂的使用会影响动物的生理病理参数,造成研究结果的偏差,同时也限制了可研究的领域。因此,对清醒自由运动状态下动物进行脑功能成像,成为脑科学研究的一个重要需求。光学成像技术,特别是内源性光学成像技术,结构简单、成像时空分辨率高、无损伤、不需要造影剂和示踪剂,因此在脑功能成像,特别是自由运动状态下小动物的脑功能成像上具有很大的优势。全域的内源性光学成像技术主要包括:激光散斑衬比度成像(LSCI),一种可以实现实时脑皮层血管和血流速度成像的技术;光学内源信号成像(OISI),一种通过多波长光源成像,实时检测脑皮层含氧及去氧血红蛋白变化的技术。随着电子和光学元器件的发展及不断微型化,目前已经开发出基于内源性光学成像技术的头戴式成像装置。其中,有的集成了图像采集设备,质量过大,可能限制动物运动,有的基于光纤束传导图像,减轻系统重量,但存在成像质量较差,外部连接系统较为复杂等缺点。本文基于LSCI和OISI两种技术,开发了两款微型小动物头戴式光学成像设备,用于自由运动状态下小动物的脑功能成像。(1)微型小动物头戴式LSCI成像装置,利用3D打印的尼龙支架集合了CMOS传感器、微型透镜组、照明光纤等。整个装置具有体积小(高度2.2 cm,底面直径1.5 cm)、质量轻(4.5 g)、畸变较小、时空分辨率较好(300×420个像素,46 fps)等优点,并可根据实验应用需求,改变成像区域大小,成像效果较好,外部光路简单,易于用户使用。(2)小动物头戴式OISI成像装置,该系统外置部分利用单片机进行光源高速切换控制,利用两束光纤束分别传导波长为590 nm和625 nm的光进入成像装置,利用双线程方式严格控制光源切换时间,提高帧速率。具有质量轻(3 g)、体积小(高1.2 cm)、成像范围大、系统性能较好(250×250个像素,25 fps)、结构简单等优点,一定程度上解决了现有设备的不足。作为在生物医学工程领域的应用,我们利用此微型成像装置,对自由运动状态下大鼠脑缺血诱导前后脑功能进行了监测,研究了其脑血氧代谢的变化。