CN109998559A - 一种近红外脑氧检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种近红外脑氧检测系统及方法，本发明的近红外脑氧检测系统具有多个检测单元，有利于提高检测分辨率；另外，通过将近红外光源和光电传感器交错排列分布，减少接收干扰信号以降低干扰信号的噪声，可有效提高脑血氧数据的准确度和精度，克服现有技术中近红外光谱脑氧检测系统存在数据精度低下的技术问题。另外，近红外脑氧检测系统，在数据读取环节和数据处理环节中采用生产者/消费者模式，可有效提高程序的运行效率，进而提高脑血氧数据的获取速度，提高数据获取实时性。
Description
技术领域
本发明涉及脑信息采集领域，尤其是一种近红外脑氧检测系统及方法。
背景技术
近年来，作为医学图像技术的新兴力量的近红外光谱术(Near-infraredSpectroscopy，NIRS)，正在逐渐应用于生物医学的领域，现在已经成为研究的热点。NIRS成像的原理是光与脑组织的相互作用，NIRS是以活体组织中各主要色团的吸收光谱为基础，结合光在组织中的传播规律，利用近红外光良好的穿透能力的特点，研究其在组织中经过一系列吸收、散射后出射时所携带的信息。
另外，近红外光谱术作为一种脑氧监测技术得到了广泛的应用，该技术应用近红外频段对生物组织的相对透明性，通过检测组织光学特性得到氧合血红蛋白和去氧血红蛋白浓度的变化。与功能磁共振成像、脑电图等其他监测皮层功能活动的技术相比，近红外光谱技术能够同时具备较高的空间分辨率和时间分辨率。同时，近红外光谱技术能够无创、连续的监测脑功能活动，设备体积小，检测成本低。然而，已知的近红外光谱脑氧检测系统存在数据精度低下的缺陷，因而需要对其进行改进。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的是提供一种近红外脑氧检测系统，用于提高脑血氧数据的准确度。
为此，本发明的第二个目的是提供一种近红外脑氧检测方法，用于实现快速获取脑血氧数据。
本发明所采用的技术方案是：
第一方面，本发明提供一种近红外脑氧检测系统，包括主控电路、用于驱动近红外光源的光源驱动电路和多个检测单元，所述检测单元包括近红外光源和光电传感器，所述近红外光源可发出两种不同波长的近红外光，所述光电传感器的输出端与所述主控电路的输入端连接，所述主控电路的输出端与所述光源驱动电路的输入端连接，所述光源驱动电路的输出端与所述近红外光源的输入端连接，所述检测单元用于向脑部组织发射近红外光并接收经所述脑部组织散射和折射后出射的近红外光，所述近红外光源与所述光电传感器之间交错排列分布。
进一步地，所述脑部组织包括顶叶组织和/或颞叶组织。
进一步地，所述近红外光源与所述光电传感器的水平间距范围为1.8cm～2.5cm。
进一步地，所述光电传感器的水平间距范围为3.6cm～4.8cm。
进一步地，所述光电传感器的纵向间距范围为2.8cm～3.2cm。
进一步地，所述近红外光源发出的近红外光的波长范围为760nm～850nm。
进一步地，所述主控电路包括子主控电路和计算机，所述计算机与子主控电路连接，所述子主控电路的输出端与所述光源驱动电路的输入端连接，所述光电传感器的输出端与所述子主控电路的输入端连接。
进一步地，所述光源驱动电路包括数字模拟转换电路和电压电流转换电路，所述主控电路的输出端与所述数字模拟转换电路的输入端连接，所述数字模拟转换电路的输出端与所述电压电流转换电路的输入端连接，所述电压电流转换电路的输出端与所述近红外光源的输入端连接。
进一步地，所述光源驱动电路还包括低通滤波电路，所述数字模拟转换电路的输出端与所述低通滤波电路的输入端连接，所述低通滤波电路的输出端与所述电压电流转换电路的输入端连接。
第二方面，本发明提供一种近红外脑氧检测方法，应用于所述的近红外脑氧检测系统，包括：
将检测单元放置于脑部以向脑部组织发射近红外光，所述检测单元接收经所述脑部组织散射和折射后出射的近红外光；
主控电路对所述检测单元接收的近红外光进行数据读取、数据处理以得到脑血氧数据，所述脑血氧数据包括氧合血红蛋白浓度和/或去氧血红蛋白浓度；
其中，数据读取环节和数据处理环节的软件结构采用生产者/消费者模式。
本发明的有益效果是：
本发明的近红外脑氧检测系统具有多个检测单元，有利于提高检测分辨率；另外，通过将近红外光源和光电传感器交错排列分布，减少接收干扰信号以降低干扰信号的噪声，可有效提高脑血氧数据的准确度和精度，克服现有技术中近红外光谱脑氧检测系统存在数据精度低下的技术问题。另外，近红外脑氧检测系统，在数据读取环节和数据处理环节中采用生产者/消费者模式，可有效提高程序的运行效率，进而提高脑血氧数据的获取速度，提高数据获取实时性。
另外，本发明还通过将顶叶组织和/或颞叶组织部位作为检测部位，可进一步提高脑血氧数据的准确度。
附图说明
图1是本发明中近红外脑氧检测系统的一具体实施例结构框图；
图2是本发明中近红外脑氧检测系统的头套的一具体实施例示意图；
图3是本发明中近红外脑氧检测系统的头套的另一具体实施例示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
参考图1，图1是本发明中近红外脑氧检测系统的一具体实施例结构框图；近红外脑氧检测系统包括主控电路、用于驱动近红外光源的光源驱动电路和多个检测单元，本实施例中，检测系统具有至少二十个检测单元，检测单元包括近红外光源和光电传感器，近红外光源可发出两种不同波长的近红外光，两种波长的范围均为760nm～850nm，只需要保证选取不同的波长即可，两种波长的光的发射功率范围分别为10mw-15mw以及10mw-18mw；多个检测单元用于向脑部组织发射近红外光并接收经脑部组织散射和折射后出射的近红外光，近红外光源与光电传感器之间交错排列分布，具体地，主控电路的输出端与光源驱动电路的输入端连接，光源驱动电路的输出端与近红外光源的输入端连接以使近红外光源向脑部组织发出近红外光，而光电传感器负责检测经脑部组织散射和折射后出射的近红外光信号，光电传感器的输出端与主控电路的输入端连接以向主控电路传输接收到的近红外光信号，其中，主控电路用于根据光电传感器接收的近红外光信号完成数据读取与分流、解调提取出其中携带的组织血液动力学信息、脑血氧数据保存与显示等功能。本实施例中，主控电路包括子主控电路和计算机，子主控电路与计算机连接以接收计算机的控制指令，子主控电路的输出端与光源驱动电路的输入端连接，光电传感器的输出端与子主控电路的输入端连接。具体地，子主控电路包括微控制器，微控制器采用USB微控制芯片CY7C68013以实现微控制器与计算机之间的USB通信。
本发明的近红外脑氧检测系统具有多个检测单元，近红外光源和光电传感器的数目的增加有利于被检测部位分辨率的全面提高；通过引入通信领域的分频复用技术和调制解调技术，实现多通道的同步检测；另外，通过将近红外光源和光电传感器交错排列分布，减少接收干扰信号以降低干扰信号的噪声，可有效提高脑血氧数据的准确度和精度，克服现有技术中近红外光谱脑氧检测系统存在数据精度低下的技术问题。具体地，对检测单元的近红外光源的信号进行编码，一个光电传感器对应接收一个近红外光源的信号，光电传感器根据编码不同可以滤除干扰信号以检测对应编码的近红外光源射出的近红外光；再加上近红外光源和光电传感器交错排列分布，可进一步减少光电传感器接收到其他编码的近红外光信号，以降低干扰信号的噪声。
进一步地，近红外光源采用发光二极管(LED)来实现，由于LED为非线性器件，直接用电压信号驱动LED光源会导致光源发出的光强信号失真，因此，本实施例中，光源驱动电路采用电流信号来驱动LED光源。参考图1，光源驱动电路包括数字模拟转换电路、低通滤波电路和电压电流转换电路，主控电路的输出端与数字模拟转换电路的输入端连接，数字模拟转换电路的输出端与低通滤波电路的输入端连接，低通滤波电路的输出端与电压电流转换电路的输入端连接，电压电流转换电路的输出端与近红外光源的输入端连接。其中，数字模拟转换电路接收主控电路输出的控制指令(如数字频率信号)以输出近红外光源所需要的正弦载波信号，再由低通滤波电路滤除正弦载波信号中由电源或其他干扰产生的高频噪声，最后由电压电流转换电路将电压信号转化为电流信号以驱动近红外光源。
更进一步地，脑部组织包括顶叶组织和/或颞叶组织，本实施例中，多个检测单元的检测范围覆盖在头部左右顶叶组织和部分左右颞叶组织所在的区域，通过将顶叶组织和颞叶组织作为检测部位，可进一步提高脑血氧数据的准确度。
值得注意的是，脑氧检测深度主要由两个参数决定：波长和光源与光电传感器之间的距离，光源与光电传感器之间的距离决定光能否穿过神经组织：一般情况下，光源与光电传感器之间的距离越远检测的越深，然而距离过远会使到达光电传感器的光强太弱。理想的距离由被试者的毛细血管深度和人口统计学参数共同决定，对于中国人来说，黑色皮肤和黑色头发会吸收多数波长的光，因此应选择较短的光源与光电传感器间距以提高检测到的光强，在标准的人体大脑穿透颅骨研究中，光穿透的路径是光源与光电传感器之间距离的六倍。因此可以得出，光源与光电传感器两者的距离太近会使得检测深度太浅而无法到达皮层组织，距离太远则会使射出组织的近红外光衰减过多而无法检测或使得检测到的信号中噪声过多，所以，将每对光源与光电传感器进行交错排列，同时设定了相应的距离范围，具体地，近红外光源与光电传感器的水平间距范围为1.8cm～2.5cm。而光电传感器的水平间距范围为3.6cm～4.8cm，光电传感器的纵向间距范围为2.8cm～3.2cm。实际使用时，将光电传感器和近红外光源设置在检测头套上，为了使系统适应更多的测试情况，检测头套需要便于穿戴、尽量减少对被试者的妨碍。同时，检测头套也要求具有遮蔽环境光、提高检测信号信噪比的作用，参考图2，图2是本发明中近红外脑氧检测系统的头套的一具体实施例示意图；本实施例中，检测头套D上设置有20个光源-光电传感器对，即20个检测通道，近红外光源A与光电传感器B交错排列分布，近红外光源A与光电传感器B之间的间距是2cm，光电传感器B之间的水平间距为4.2cm，光电传感器B之间的纵向间距为3cm。检测头套D的检测区域为15cm×8cm，能够覆盖成人头部左右顶叶和部分左右颞叶脑区。另外，为了方便穿戴，检测头套D的两侧设置有耳挂F，以及方便固定头套的下巴挂环E。其中的近红外光源A选择采用双色波长发光二极管来实现，光源的波长选择分别为760nm和850nm，两种波长的光的最大发射功率分别为15mw和18mw。最后，光电传感器采用的是光电二极管来实现。
当检测单元与国际脑电图(EEG)定位系统同时存在并设置在检测头套上时，参考图3，图3是本发明中近红外脑氧检测系统的头套的另一具体实施例示意图，EEG包括64个脑电极C，为了避免与EEG交叉检测，将近红外光源A和光电传感器B放置在这些脑电极的附近，形成不同长度的相应通道。其中，近红外光源A和光电传感器B不可以与脑电极C设置在同一直线上，避免信号耦合产生干扰。
实施例2
参考图1和图2，一种近红外脑氧检测方法，应用于实施例1的近红外脑氧检测系统，包括：
将检测单元放置于脑部的左右顶叶和部分左右颞叶脑区以向脑部组织发射近红外光，检测单元接收经脑部组织散射和折射后出射的近红外光；
主控电路对检测单元接收的近红外光进行数据读取、数据处理以得到脑血氧数据，脑血氧数据包括氧合血红蛋白浓度和/或去氧血红蛋白浓度；其中，进行数据处理以获取脑血氧数据的方法采用现有数据处理方法，在此不做赘述；
值得注意的是，数据读取环节和数据处理环节的软件结构采用生产者/消费者模式。
本实施例中，计算机中的数据处理采用LabVIEW软件系统来实现，软件结构采用生产者/消费者设计模式，数据读取环节和数据处理环节两个并列的While循环共享同一个缓存队列，在数据读取环节的While循环中读取USB中的数据并写入缓存队列中；在数据处理环节的while循环中读取缓存队列中的数据并进行进一步处理，这种并行多循环结构的优点在于数据读取环节无需等在到数据处理环节完成即可进行下一次读取，而数据处理环节无需等到数据读取环节结束即可连续进行数据处理，应用这种设计模式可以提高程序的运行效率，提高程序的实时性，进而提高脑血氧数据的获取速度，提高数据获取实时性。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种近红外脑氧检测系统，其特征在于，包括主控电路、用于驱动近红外光源的光源驱动电路和多个检测单元，所述检测单元包括近红外光源和光电传感器，所述近红外光源可发出两种不同波长的近红外光，所述光电传感器的输出端与所述主控电路的输入端连接，所述主控电路的输出端与所述光源驱动电路的输入端连接，所述光源驱动电路的输出端与所述近红外光源的输入端连接，所述检测单元用于向脑部组织发射近红外光并接收经所述脑部组织散射和折射后出射的近红外光，所述近红外光源与所述光电传感器之间交错排列分布。
2.根据权利要求1所述的近红外脑氧检测系统，其特征在于，所述脑部组织包括顶叶组织和/或颞叶组织。
3.根据权利要求1所述的近红外脑氧检测系统，其特征在于，所述近红外光源与所述光电传感器的水平间距范围为1.8cm～2.5cm。
4.根据权利要求1至3任一项所述的近红外脑氧检测系统，其特征在于，所述光电传感器的水平间距范围为3.6cm～4.8cm。
5.根据权利要求1至3任一项所述的近红外脑氧检测系统，其特征在于，所述光电传感器的纵向间距范围为2.8cm～3.2cm。
6.根据权利要求1至3任一项所述的近红外脑氧检测系统，其特征在于，所述近红外光源发出的近红外光的波长范围为760nm～850nm。
7.根据权利要求1至3任一项所述的近红外脑氧检测系统，其特征在于，所述主控电路包括子主控电路和计算机，所述计算机与子主控电路连接，所述子主控电路的输出端与所述光源驱动电路的输入端连接，所述光电传感器的输出端与所述子主控电路的输入端连接。
8.根据权利要求1至3任一项所述的近红外脑氧检测系统，其特征在于，所述光源驱动电路包括数字模拟转换电路和电压电流转换电路，所述主控电路的输出端与所述数字模拟转换电路的输入端连接，所述数字模拟转换电路的输出端与所述电压电流转换电路的输入端连接，所述电压电流转换电路的输出端与所述近红外光源的输入端连接。
9.根据权利要求8所述的近红外脑氧检测系统，其特征在于，所述光源驱动电路还包括低通滤波电路，所述数字模拟转换电路的输出端与所述低通滤波电路的输入端连接，所述低通滤波电路的输出端与所述电压电流转换电路的输入端连接。
10.一种近红外脑氧检测方法，应用于权利要求1至9任一项所述的近红外脑氧检测系统，其特征在于，包括：
将检测单元放置于脑部以向脑部组织发射近红外光，所述检测单元接收经所述脑部组织散射和折射后出射的近红外光；
主控电路对所述检测单元接收的近红外光进行数据读取、数据处理以得到脑血氧数据，所述脑血氧数据包括氧合血红蛋白浓度和/或去氧血红蛋白浓度；
其中，数据读取环节和数据处理环节的软件结构采用生产者/消费者模式。
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