CN108056777A - 测量含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白的装置及脑成像设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测量大脑皮层含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白的装置及近红外脑成像设备。其中装置包括：接口模块、近红外收发模块和控制器，其中，近红外收发模块设有即插即用接口，近红外收发模块通过即插即用接口接插至接口模块，近红外收发模块用于在控制器的驱动下，向被测大脑皮层发射预设波长的近红外光，并接收近红外光通过被测大脑皮层反射的光强信号；控制器与接口模块相连，用于接收近红外收发模块输出的光强信号，并根据光强信号测量被测大脑皮层的含氧血红蛋白参数和脱氧血红蛋白参数。由此，通过近红外收发模块支持热插拔的特点，可以实现增减功能和通道数的目的，并可以提高本发明装置的复用性、以及部件的使用率。

Description

测量含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白的装置及脑成像设备

技术领域

本发明涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种用于测量大脑皮层含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白的装置以及一种近红外脑成像设备。

背景技术

光学成像技术的发展，为认知活动脑机制研究提供了新的重要研究手段。光学成像可在不同层次揭示神经系统的结构和功能信息，从新的角度为解释认知活动提供重要实验依据。光学成像中以近红外谱技术(Near Infrared Spectroscopy，英文简称NIRS)发展迅速，它能够提供观察脑皮质功能柱的高分辨图像。近红外谱技术可穿过颅骨，已用于动物和儿童的无创性脑功能研究。

相关技术中，可通过近红外脑成像系统来绘制大脑活跃区域的图像。现有的近红外脑成像系统主要采用整体式设计，通过固定在连接面板上的光学接口连接测试帽或直接从设备机体上伸延出测试帽。然而，这种整体式结构检测路数与位置相对固定，不易调整，并且体积比较大，需要足够的空间才能操作，且不同测试帽需要的通道数不同，可能会浪费设备资源；另外，现有技术中的一体化、集中处理的结构，会造成维修、更换、升级的不易，影响使用效率。

发明内容

本发明的目的旨在至少在一定程度上解决上述的技术问题之一。

为此，本发明的第一个目的在于提出一种用于测量大脑皮层含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白的装置。该装置通过近红外收发模块支持热插拔的特点，可以实现增减功能和通道数的目的，并可以提高本发明装置的复用性、以及部件的使用率。

本发明的第二个目的在于提出一种近红外脑成像设备。

为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出的用于测量大脑皮层含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白的装置，包括：接口模块、近红外收发模块和控制器，其中，所述近红外收发模块设有即插即用接口，所述近红外收发模块通过所述即插即用接口接插至所述接口模块，所述近红外收发模块用于在所述控制器的驱动下，向被测大脑皮层发射预设波长的近红外光，并接收所述近红外光通过所述被测大脑皮层反射的光强信号；所述控制器与所述接口模块相连，用于接收所述近红外收发模块输出的所述光强信号，并根据所述光强信号测量所述被测大脑皮层的含氧血红蛋白参数和脱氧血红蛋白参数。

本发明实施例的装置，由多个模块组成，即采用模块化的设计，将各个功能分布在不同的模块上，且每个功能模块通过接口模块连接到控制器上，通过控制器控制以实现协同工作；并且，近红外收发模块支持热插拔，即插即用，配置简单，使用方便，这样，可以根据实际需求决定近红外收发模块的个数，以实现增减功能和通道数的目的；另外，本发明的装置功能、性能不固定，可以通过模块替换、升级进行调整，提高复用性，且，在发生故障时，可直接更换或拆卸故障模块，其余部分可继续使用，提高了部件的使用率。

为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出的近红外脑成像设备，包括：本发明第一方面实施例所述的用于测量大脑皮层含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白的装置。

本发明实施例的近红外脑成像设备，通过用于测量大脑皮层含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白的装置，采用模块化的设计，将各个功能分布在不同的模块上，且每个功能模块通过接口模块连接到控制器上，通过控制器控制以实现协同工作；并且，近红外收发模块支持热插拔，即插即用，配置简单，使用方便，这样，可以根据实际需求决定近红外收发模块的个数，以实现增减功能和通道数的目的；另外，本发明的装置功能、性能不固定，可以通过模块替换、升级进行调整，提高复用性，且，在发生故障时，可直接更换或拆卸故障模块，其余部分可继续使用，提高了部件的使用率。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的用于测量大脑皮层含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白的装置的结构示意图；

图2是根据本发明一个具体实施例的用于测量大脑皮层含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白的装置的结构示意图；

图3是根据本发明另一个具体实施例的用于测量大脑皮层含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白的装置的结构示意图；

图4是根据本发明一个实施例的近红外脑成像设备的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

近年来，脑成像技术成为认知神经科学方面研究的新宠，而认知神经科学为心理学的蓬勃发展做出了重要的贡献。目前已有几种脑成像技术被引用，例如，功能磁共振成像(Functional Magnetic Resonance Imaging，英文简称fMRI)、正电子发射计算机断层显像(Positron Emission Computed Tomography，英文简称PET)、单光子发射计算机断层显像和光成像等。

近红外脑成像技术是一种通过安全的近红外光来评估大脑皮层含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白成分变化的功能性近红外光脑成像系统。近红外脑成像技术对现有的fMRI、PET技术是一个非常有益的补充，它以组织中的血容和血氧为信息载体，通过测量大脑皮层中血容、血氧的分布和变化情况来了解大脑的活动。

近红外脑成像技术能够进行实时的非侵入式测量，具有时间精度高、灵活、易用、低成本、不会引起被试的“幽闭恐惧”等优点。而且，近红外脑成像技术不需要回旋加速器这类的附加设备和将放射线中核注入人体这样的操作，在安全性方面对人体更为有利，可对被试进行多次较长时间的测量。被试测试时活动的受限程度相当小，确保可以一边接受大脑功能测试，一边进行近似于日常生活中的活动，更适合以对儿童进行研究。

因此，近红外脑成像技术在大脑活动的大空间尺度研究上具备了很大的优越性，引起了国际神经生物学界的广泛关注。

当前近红外脑成像技术，由于发展尚不成熟，存在一些问题：1)使用适应性不足：通道数相对固定且不易扩展；2)产品的体积较大，多为箱式或台车式；3)不能灵活的配置资源，例如，进行较简单检测也需要大体积、高成本的复杂系统。

为此，为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种用于测量大脑皮层含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白的装置、以及一种包含该装置的近红外脑成像设备。具体地，下面参考附图描述本发明实施例的用于测量大脑皮层含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白的装置、以及近红外脑成像设备。

图1是根据本发明一个实施例的用于测量大脑皮层含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白的装置的结构示意图。如图1所示，该装置10可包括：接口模块100、近红外收发模块200和控制器300。

具体地，近红外收发模块200可设有即插即用接口，近红外收发模块200可通过该即插即用接口接插至接口模块100。近红外收发模块200可用于在控制器300的驱动下，向被测大脑皮层发射预设波长的近红外光，并接收近红外光通过被测大脑皮层反射的光强信号。

控制器300与接口模块100相连，控制器300可用于接收近红外收发模块200输出的光强信号，并根据光强信号测量被测大脑皮层的含氧血红蛋白参数和脱氧血红蛋白参数。

在本发明的一个实施例中，该接口模块100可包括多个接口。优选地，在本发明的实施例中，该接口的个数可大于近红外收发模块200的个数。红外收发模块200的个数可由实际测量时所需通道的个数来确定的。

也就是说，本发明是将用于测量大脑皮层含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白的装置进行模块化：该装置可由不同模块组合而成，除电源和控制器外，其余模块(如近红外收发模块200等)的物理尺寸和接口均一致，支持热插拔，可通过即插即用接口接插至接口模块100中的接口上。

例如，假设根据实际测量时所需通道的个数为5个，则可将5个红外收发模块200通过自身的即插即用接口接插到接口模块100的相应接口上，这样，可以根据实际需求实现多通道并行的测量目的。

进一步地，在本发明的一个实施例中，每个近红外收发模块200可提供至少两组激光单元接口。如图2所示，每组激光单元可包含：多个发射单元210和至少一个接收单元220。其中，多个发射单元210可用于在控制器300的驱动下，发射预设波长的近红外光。至少一个接收单元220可用于接收多个发射单元210发射的近红外光通过被测大脑皮层反射的光强信号。

需要说明的是，在本发明的实施例中，该多个发射单元210和至少一个接收单元220均可采用标准模块形成。

也就是说，可将每组激光单元中所包含的发射单元和接收单元进行标准化，例如，可采用标准模块形成。在本发明的实施例中，该多个发射单元210可均具备同样的外形和对内、对外接口；至少一个接收单元220也可均具备同样的外形和对内、对外接口。

可选地，在本发明实施例中，该发射单元210可为发光二极管或激光二极管、或其他更高精度的元器件。接收单元220可为光敏二极管、光敏三极管、雪崩光电二极管、或PMT(Photomultiplier Tube，光电倍增管)、或其他更高精度的元器件。其中，该多个发射单元210可以是采用不同波长及波长组合的发射单元。

为了提高本发明的可用性以及可行性，进一步地，在本发明的一个实施例中，如图3所示，该装置10还可包括：电源模块400。该电源模块400可与控制器300相连，用于对控制器300提供多路直流电源。其中，在本发明的实施例中，控制器300在上电时，驱动红外收发模块200进行近红外光的发射和接收操作。

在本发明的实施例中，该电源模块400可采用标准化的独立电源，例如，电源模块400符合医疗标准220V 50Hz或110V 60Hz输入(两种可选，不兼容)。该电源模块400可为控制器300提供多路直流电源(例如，模拟、数字、功率等)。电源模块400可采用与其他模块通用的标准接口或专用的特殊接口。由此，可通过电源模块为装置提供电源供应，以保证控制器在正常上电时，驱动近红外收发模块发射近红外光、以及接收被测大脑皮层反射的光强信号。

为了提高本发明的可用性以及可行性，并提高本发明的扩展性，进一步地，在本发明的实施例中，如图3所示，该装置10还可包括：外部接口500。外部接口500可与控制器300相连，用于配接外部设备模块。其中，该外部设备模块可包括但不限于神经电生理检测设备模块和非近红外的检测设备模块等。

也就是说，本发明的装置还可通过外部接口500来兼容其他神经电生理检测设备模块，或配接其他非近红外的检测设备模块等外部设备模块，其中，各类模块的物理尺寸与接口均一致。由此，各类模块的插口非特化，保证了不同检测模块在一定条件下可任意插接在任意接口位置上，不影响各个功能的使用，并且，各种检测设备可以任意组合，组合方式比较灵活，且通道数可以任意扩展，不同模块可以协同工作，实现同步检测的目的。

需要说明的是，为了保证本发明的兼容性，同一类型的模块(如电源模块、近红外收发模块等)可具备多种型号和配置。其中，多种同类模块的物理尺寸与接口均可一致。由此，可以保证同类模块之间可在一定程度上相互替换，且并不影响使用。

进一步地，在本发明的实施例汇总，如图3所示，该装置10还可包括：打标模块600。其中，打标模块600可通过接口模块100连接到控制器300上。打标模块600用于连接刺激电脑，并分别将刺激开始和刺激结束的时间信号发送给所述控制器300。也就是说，在对被测大脑皮层进行测量的过程中，可通过刺激电脑向该被测大脑皮层进行外界刺激，此时，打标模块600可分别获取对该被测大脑皮层进行外界刺激时的刺激开始时间信号和刺激结束时间信号，并将该刺激开始时间信号和刺激结束时间信号发送给控制器300，以使控制器300可根据该刺激开始时间信号和刺激结束时间信号，并结合其他测试数据进行相应的测试分析。

本发明实施例的装置，由多个模块组成，即采用模块化的设计，将各个功能分布在不同的模块上，且每个功能模块通过接口模块连接到控制器上，通过控制器控制以实现协同工作；并且，近红外收发模块支持热插拔，即插即用，配置简单，使用方便，这样，可以根据实际需求决定近红外收发模块的个数，以实现增减功能和通道数的目的；另外，本发明的装置功能、性能不固定，可以通过模块替换、升级进行调整，提高复用性，且，在发生故障时，可直接更换或拆卸故障模块，其余部分可继续使用，提高了部件的使用率。

为了实现上述实施例，本发明还提出了一种近红外脑成像设备。

图4是根据本发明一个实施例的近红外脑成像设备的结构示意图。如图4所示，该近红外脑成像设备20可以包括：装置10和脑成像模块30。

其中，装置10可用于测量大脑皮层含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白参数。装置10的具体功能和结构描述可参见上述图1至图3所示的装置的具体描述，在此不再赘述。

脑成像模块30可用于接收装置10检测到的被测大脑皮层的含氧血红蛋白参数和脱氧血红蛋白参数，并根据含氧血红蛋白参数和脱氧血红蛋白参数生成近红外脑成像图谱。

也就是说，脑成像模块30可根据接收装置10检测到的被测大脑皮层的含氧血红蛋白参数变化和脱氧血红蛋白参数变化，来绘制的被测的大脑活跃区域的图像。

本发明实施例的近红外脑成像设备，通过用于测量大脑皮层含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白的装置，采用模块化的设计，将各个功能分布在不同的模块上，且每个功能模块通过接口模块连接到控制器上，通过控制器控制以实现协同工作；并且，近红外收发模块支持热插拔，即插即用，配置简单，使用方便，这样，可以根据实际需求决定近红外收发模块的个数，以实现增减功能和通道数的目的；另外，本发明的装置功能、性能不固定，可以通过模块替换、升级进行调整，提高复用性，且，在发生故障时，可直接更换或拆卸故障模块，其余部分可继续使用，提高了部件的使用率。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种用于测量大脑皮层含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白的装置，其特征在于，包括：接口模块、近红外收发模块和控制器，其中，

所述近红外收发模块设有即插即用接口，所述近红外收发模块通过所述即插即用接口接插至所述接口模块，所述近红外收发模块用于在所述控制器的驱动下，向被测大脑皮层发射预设波长的近红外光，并接收所述近红外光通过所述被测大脑皮层反射的光强信号；

所述控制器与所述接口模块相连，用于接收所述近红外收发模块输出的所述光强信号，并根据所述光强信号测量所述被测大脑皮层的含氧血红蛋白参数和脱氧血红蛋白参数。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述接口模块包括多个接口，其中，所述接口的个数大于所述近红外收发模块的个数，所述近红外收发模块的个数由实际测量时所需通道的个数来确定的。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，每个近红外收发模块提供至少两组激光单元接口，每组激光单元包含：

多个发射单元，用于在所述控制器的驱动下，发射预设波长的近红外光；

至少一个接收单元，用于接收所述多个发射单元发射的近红外光通过被测大脑皮层反射的光强信号。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述多个发射单元和所述至少一个接收单元均采用标准模块形成。

5.如权利要求3或4所述的装置，其特征在于，所述发射单元为发光二极管或激光二极管。

6.如权利要求3或4所述的装置，其特征在于，所述接收单元为光敏二极管、光敏三极管、雪崩光电二极管、或光电倍增管PMT。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

与所述控制器相连的电源模块，用于对所述控制器提供多路直流电源；

其中，所述控制器在上电时，驱动所述近红外收发模块进行近红外光的发射和接收操作。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

外部接口，用于配接外部设备模块，其中，所述外部设备模块包括神经电生理检测设备模块和非近红外的检测设备模块。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

与所述控制器相连的打标模块，用于连接刺激电脑，并分别将刺激开始和刺激结束的时间信号发送给所述控制器。

10.一种近红外脑成像设备，其特征在于，包括：

如权利要求1至9中任一项所述的用于测量大脑皮层含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白的装置；

脑成像模块，用于接收所述装置检测到的被测大脑皮层的含氧血红蛋白参数和脱氧血红蛋白参数，并根据所述含氧血红蛋白参数和脱氧血红蛋白参数生成近红外脑成像图谱。