CN103445774A - 脑电与血氧信号同步采集的光-电电极 - Google Patents

Abstract

脑电与血氧信号同步采集的光-电电极可同步采集脑电信号与血氧信号。将脑电采集系统的盘状电极与近红外光谱脑功能成像系统的光纤探头集成为一光-电电极，解决大脑神经元电活动与血氧代谢信息无法同步获取的问题。光-电电极设计为可分离的两部分，分别为电极部分和光极部分。电极部分由空心结构的盘状电极和底座组成，可单独用于脑电图的采集；光极部分可直接插入电极部分的底座，并通过L型凹槽确保其牢固性。以国际标准的10-20系统电极分布为基础，可实现64通道脑电信号与42通道血氧信号采集的同步。

Description

脑电与血氧信号同步采集的光-电电极

技术领域

本发明涉及脑科学信息获取领域，特别是脑电采集系统与近红外光谱脑功能成像系统的数据同步采集。 

背景技术

脑电信号是监测神经元电活动的主要技术手段，在临床和科研领域都有广泛的应用。近红外光谱脑功能成像是一种新兴的成像技术，它能够无损检测到组织中大脑活动引起的血氧浓度的变化。由于生物组织在该近红外光波段的吸收较小，近红外光可以穿透头皮、头骨而达到大脑皮层约1.5cm深度，获得能够反映脑组织代谢和血流动力学信息的氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白浓度的变化量。 

大脑皮层神经元的自发电活动会引起血流动力学变化，反之，血氧浓度的变化也会引发神经元电活动变化，这种现象被称为神经血管耦合(Neurovascular coupling)。大规模神经活动与大脑皮层中血流的局部变化之间具有强相关性，某种类型的参数变化会引起其它参数的相应改变。因此在系统中同步记录两种模态的数据将有助于研究功能性大脑活动以及神经血管耦合问题，进而深入揭示脑功能在网络层面的工作机理，为研究提供科学数据。 

脑电电极主要由导电的铜、金、银等金属材料制成，其中使用最多的是银-氯化银(Ag/AgCl)电极，通过导电膏降低皮肤输入阻抗，在临床和科研领域应用广泛。近红外光谱脑功能成像系统中的光强信号通常采用光纤进行传输，置于头部的光纤探头成为光极，光极中光纤的方向与头皮的接触面垂直。光极分为发射端与接收端，近红外光经过发射端光极在头部发生散射，并在一定距离的位置经过接收端光极接收。由于不同浓度的氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白对近红外波段的光吸收程度不同，因此接收到的光强信号中携带了大脑皮层血氧浓度的变化信息。所接收到的近红外光在大脑中呈现香蕉状的传播路径，为了获得1.5cm深度的大脑皮层内血氧浓度变化信息，发射端与接收端光极之间距离需要固定在3-4cm之间。脑电信号与近红外光学信号采集时需要尽可能覆盖到感兴趣区域甚至全脑来实现数据融合分析，而将现有的电极与光极无法有效地同时排布在有限的头皮表面上，因此必须实现电极与光极的集成才能实现两种模态的数据在同一脑区同步采集。 

发明内容

本发明提供了一个用于同步采集脑电信号与血氧信号的光-电电极，解决现有脑电采集系统与近红外光谱脑功能成像系统无法进行信号同步同区采集的问题。 

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种光-电电极。该光-电电极是由头套与光-电电极组成。头套由具有弹性的材料制成，在相应光-电电极所在位置预留了圆孔，光-电电极可稳固地安装在帽子上并与头皮接触位置垂直。光-电电极由两部分组成，分别为电极部分与光极部分，电极部分可脱离光极单独用于记录脑电图。电极部分是银-氯化银材料的盘状电极，为了与光极部分进行集成，在盘状电极外部设计一底座，可将光极直接插入到该底座上，组成光-电电极，用于同时记录神经元电活动与血氧含量的变化值。 

电极部分为管状结构，其中外直径为10mm，内直径为5mm。光极部分内部为传导光纤束，接头处封装为圆柱形。光极部分可直接插入到电极部分底座中，使光纤束与头皮保持最短距离，确保接收光的强度满足系统测量需求。 

被试者在进行脑电图及近红外光谱成像信息记录时，可能会出现头部晃动而使光-电电极的光极部分与电极部分发生松动，导致光极部分与头皮距离加大而降低发射端辐射光功率，或使接收端光信号强度变弱。本发明在光-电电极部分环形底座内侧设计一L型凹槽，同时在光-电电极的光极部分圆形探头外侧设计一正方形凸起。光极部分插入电极部分底座时，只能将该凸起沿底座上L型凹槽向下插入，光极部分与电极部分贴合后，将光极部分沿顺时针方向旋转15度角，使光极无法相对电极底座上下移动，确保两者的紧密结合。 

光-电电极的全脑分布以国际标准64通道10-20系统为基础，共有62个光-电电极，以及2个参考电极连接在两侧耳垂。脑电电极的通道数量即为光-电电极的数量，而近红外光谱成像的通道数量根据相邻的光发射端光极与光接收端光极组合进行统计，可实现42个通道近红外数据的采集。 

附图说明

图1是检测到的近红外光在头部组织中的传播路径； 

图2(a)是光-电电极的光极部分； 

图2(b)是光-电电极的电极部分； 

图2(c)是光-电电极的电极部分横切面； 

图2(d)是光-电电极的光极部分； 

图3是光-电电极在头部的分布位置。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。 

本发明提供了一个可实现脑电信号与血氧信号同步采集的光-电电极，可用于同时监测最多64通道脑电信号与42通道血氧浓度变化信息。近红外光谱脑功能成像是近年来新兴的脑成像方法，采用两个或两个以上波长的近红外光探测组织中氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白浓度的变化量。近红外光由发射端光极散射到大脑组织中，并在一定3-4cm距离的位置采用接收端光极接收，近红外光在大脑组织中传播的路径呈香蕉状，如图1所示。 

如图2所示，光-电电极由电极部分和光极部分所组成。电极部分具有管状结构的底座(3)，其内直径与圆柱形光极部分的外直径相同，均为5mm。在佩戴电极帽时，首先选择合适尺寸的光-电电极帽佩戴好，接着在光-电电极所在头皮位置注入导电膏降低皮肤输入阻抗，并安装光-电电极的电极部分。电极部分安装好之后可以将光极部分直接插入电极部分底座(3)的空心之中，插入时需将光极部分外部的突起(7)对准电极部分底座内侧的L型凹槽(6)，插入到最低端后顺时针旋转15度，使其紧固与电极部分。 

电极部分为管状结构，外直径为10mm，内直径为5mm。其底部为盘状电极(5)，通过导线(6)连接到脑电放大器。电极部分内部垂直高度为7mm，与光极部分圆柱形探头的高度相同。在光-电电极的光极部分，其内部的光纤(1)旋转了90度角，可使光纤束线缆与电极导线一起沿头皮捆绑，防止头部动作而影响光-电电极的稳固性。光极的发射端通过光纤(1)连接到近红外脑功能成像系统中的激光二极管，用于将固定波长的近红外光散射到大脑皮层；光极的接收端则通过光纤(1)连接到系统中的光电二极管，用于将光强信号转换为电压信号。 

电极部分内侧L型凹槽(6)垂直高度为5mm，与光极部分中突起到圆柱形探头顶端距离相等，并且凹槽(6)与突起(7)的宽度相等，可使光极部分完全与电极部分紧密结合，不会由于头部动作而发生相对移动。 

如图3所示，光-电电极帽的光-电电极分布符合64通道的10-20国际标准。所有光-电电极均可作为脑电电极用于采集神经元活动的电位信号，两个耳垂的电极为单独的参考 电极而非光-电电极。图中○代表没有安装光极部分而只有电极部分的光-电电极，只用于采集脑电信号。●代表其光极部分为光发射端的光-电电极，

代表其光极部分为光接收端的光-电电极。 

图3中光-电电极包括了12个发射端光极和20个接收端光极，共组成42个近红外脑功能成像通道。每一个近红外通道由一个发射端光极和一个与其相邻的接收端光极组成，两者之间的距离为3cm。光极的发射端和接收端分别用字母和数字标识，而每个通道使用字母和数字共同标识。●代表其光极部分为光发射端的光-电电极，

代表其光极部分为光接收端的光-电电极。 

Claims (2)

1.一种用于脑电信号与血氧信号同步测量的光-电电极，其特征为：由电极和光极两部分组成，光极安装在电极部分的底座内；电极部分与光极部分均为圆柱形结构，电极部分为空心结构，其内直径与光极部分的外直径相等。

2.如权利要求1所述的一种用于脑电信号与血氧信号同步测量的光-电电极，其特征为：电极部分底座内侧有一L型凹槽，光极部分有一突起，突起插入电极部分底座凹槽；或者电极和光极通过卡槽方式固定。

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