CN110179472A

CN110179472A - 一种脑功能检测的方法及系统

Info

Publication number: CN110179472A
Application number: CN201910487444.5A
Authority: CN
Inventors: 孙金燕; 杨安平
Original assignee: Foshan University
Current assignee: Foshan University
Priority date: 2019-06-05
Filing date: 2019-06-05
Publication date: 2019-08-30

Abstract

本发明公开了一种脑功能检测的方法及系统，相比现有技术，通过使用双波长测量的方式和修正年龄对DPF的影响，提高近红外脑检测系统的适用性，可适用于不同年龄段的患者，解决了现有技术中的设备由于年龄原因引起的测量偏差问题；同时可测量脑部血氧饱和度，帮助医护人员获取更多的脑部血氧情况的信息，算法通过配合光源和探测器之间对间距的限定设置，优化了脑部血氧饱和度的运算方法，提高了运算速度；本发明实现了对不同年龄段患者进行实时的连续的脑部监护，同时提高了近红外设备检测脑部血氧情况的精确度。

Description

一种脑功能检测的方法及系统

技术领域

本发明涉及脑血氧检测技术领域，特别涉及一种脑功能检测的方法及系统。

背景技术

氧气是生命活动的基础，缺氧是导致许多疾病的根源，严重时直接威胁人的生命，而血液作为一个载体将人体代谢过程中，不可缺少的各种营养成分运送到组织中去，同时运走组织代谢中产生的有害物质。其中，脑组织新陈代谢率高，耗氧量占全身耗氧量的20%，且对缺氧特别敏感，短时间缺氧就可能造成中枢神经系统不可恢复的损伤。因此对于重症病患和中老年人的监护、危重病人抢救、心血管手术等情况下，有需要对大脑的供养情况进行连续的实时监护，从而做好脑保护。

现有技术中，临床上检测脑血氧的方法，是通过不定期采集颅内血样，对血样放置在血气分析仪上进行检测。上述检测方法是有创的，对于中老年人来说，如果止血不到位可能造成体内出血，且无法实现连续的实时检测。随着近红外光谱检测技术的发展，由于该技术具有快速、高效、可连续实时检测等优点，在脑血氧检测方面得到应用，但是会受到检测对象的年龄、状态等属性以及生理噪声、运动伪影、系统噪声等各类噪声的影响，导致获取的信息的精准度不足或者误差较大。若某个近红外脑检测设备适用于成人，而对于小孩或者婴儿等使用对象则会引入较大的误差，反之亦然，可见现有技术中的设备的通用性有待提高。

可见，现有技术还有待改进和提高。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种脑功能检测的方法及系统，旨在提高近红外脑血氧检测系统的精准度和通用性，减少受测对象的年龄因素对检测结果的影响，实现连续监护患者的血氧改变趋势。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种脑功能检测的方法，包括下列步骤：

a.在上位机预先录入受测者的年龄，通过年龄修正运算得出DPF，DPF表示微分光程长因子；

b.设置光源对人的脑部循环发出两种不同波长的近红外光，第一探测器和第二探测器分别对从脑部反射回来的近红外光实时采样并转化为光电信号；

c. 第一探测器和第二探测器分别将光电信号反馈到控制单元进行运算放大以及滤波；

d.控制单元对经过运算放大和滤波后的光电信号进行AD转换并输出至上位机；

e.根据光电信号反馈的信息和对应的DPF，上位机通过脑部血氧情况运算得出并显示受测者的脑部血氧改变趋势。

所述的脑功能检测的方法，其中，所述年龄修正运算包括公式（1.1）：

（1.1）

其中，λ表示近红外光的波长，A表示受测者的年龄。

所述的脑功能检测的方法，其中，所述步骤e的运算步骤如下：

（e1）通过光源发出的近红外光与第一探测器或第二探测器接收的近红外光之间的OD变化得出公式（1.3），从而消除修正的比尔-朗伯定律（1.2）中的G的影响，得出公式（1.4）；

（1.2）

（1.3）

（1.4）

其中，OD表示光密度，α表示比消光系数，c表示吸光物质的浓度，d表示光源与第一探测器或第二探测器之间的间距，G表示由于光的散射以及边界因素造成的光强衰减，I₀表示光源发出的近红外光的初始光强，I_b表示测量开始时探测到的近红外光的光强，I_t表示测量过程中时间t时的近红外光的光强，OD_b表示测量开始时探测到的近红外光的光密度，OD_t表示测量过程中时间t时的近红外光的光密度，∆OD表示光密度的改变量，∆c表示吸光物质的浓度改变量；

（e2）由于吸光物质为氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白，结合两种不同波长的近红外光的光强衰减情况，代入公式（1.4）得出公式（1.5），求解公式（1.5）得出氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度变化；

（1.5）

其中，近红外光的两种波长分别表示为λ₁、λ₂。

所述的脑功能检测的方法，其中，所述步骤d之后还包括步骤f，上位机通过脑部血氧情况运算得出并显示受测者的脑部血氧饱和度,运算步骤如下：

（f1）采用吸收系数μ_α的公式（1.6）和两种不同波长的近红外光计算血氧饱和度，得出公式（1.7）：

（1.6）

（1.7）

（f2）在运算中，令，得出公式（1.8）：

（1.8）

（f3）R通过求解近红外光与人体组织相互作用的漫射方程，得到公式（1.9）：

（1.9）

其中， ∆OD^λ1和∆OD^λ2表示不同波长的情况下的两个间距处的OD差值；

（f4）将公式1.9代入公式1.8运算得出受测者的脑部血氧饱和度。

所述的脑功能检测的方法，其中，所述步骤f还包括步骤（f5），所述光源与第一探测器的间距s-d1设置为2.8-3.5cm，所述光源与第二探测器的间距s-d2设置为3.0-4.0cm，在此间距范围内，光密度OD与间距d之间近似呈线性关系，将公式1.9简化为如下公式2.1：

（2.1）。

一种脑功能检测的系统，包括控制单元、放置在人的脑部处的光学探头和用于数据运算和屏幕显示的上位机；所述光学探头包括用于向脑部循环发出两种不同波长的近红外光的光源、用于探测从脑部反射回来的特定波长的近红外光并反馈光电信号至控制单元的第一探测器和第二探测器；所述控制单元包括用于将反馈的光电信号进行运算放大和滤波的预处理模块、用于对运算放大和滤波后的光电信号进行AD转换并输出至上位机的AD转换模块、用于驱动光源工作和对光源调光的光源驱动模块、用于控制光源驱动模块的微控制单元和用于为光学探头、光源驱动模块以及微控制单元供电的电源模块。

所述的脑功能检测的系统，其中，所述预处理模块包括用于对光电信号进行运算放大的放大电路和用于对运算放大后的光电信号滤波并输出至AD转换模块的滤波电路；放大电路由电源模块供电。

所述的脑功能检测的系统，其中，所述放大电路内设有数字电位器，所述数字电位器用于调节放大电路对光电信号的放大倍数且通过微控制单元控制调节。

所述的脑功能检测的系统，其中，所述光源发出的两种不同波长的近红外光，一个波长设置在650-805nm之间，另一个波长设置在805-900nm之间。

所述的脑功能检测的系统，其中，所述第一探测器和第二探测器均为光电倍增管。

有益效果：

本发明提供了一种脑功能检测的方法和系统，相比现有技术，通过设置光源使用两种不同波长的近红外光对脑部进行测量和采用算法修正年龄对DPF的影响，提高近红外脑检测系统的适用性，可适用于不同年龄段的患者，解决了现有技术中的设备由于年龄原因引起的测量偏差问题，医院无需再购买多台近红外脑检测设备以针对不同年龄段的患者；本发明实现了对不同年龄段患者进行实时的连续的脑部监护，同时提高了近红外设备检测血氧改变趋势的精确度。

附图说明

图1为本发明脑功能检测的方法的步骤示意图。

图2为本发明脑功能检测的系统的结构示意图。

主要元件符号说明：光学探头100、光源110、第一探测器120、第二探测器130、控制单元200、预处理模块210、放大电路211、过滤电路212、AD转换模块220、光源驱动模块230、微控制单元240、电源模块250、上位机300。

具体实施方式

本发明提供一种脑功能检测的方法和系统，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。

为方便了解本发明，需要说明的是，在近红外脑检测技术中，近红外光的光强变化主要源于脑部的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度改变，因此通过检测由脑部反射回来的近红外光在一定光程内的光强衰减情况，然后经过运算得出的脑部血氧改变趋势。

由于光在经过人体组织时，组织对光同时有吸收和散射作用，除了会引起光强的部分衰减外，还会使得光子在被探测之前走过的距离大于光源和探测器之间的距离d，因此引入微分光程长因子DPF（又称为微分光路长因子、差分路径因子），DPF与d的乘积才等于实际的光程长，因此DPF的值会直接影响到脑检测的结果。

请参阅图1-2，本发明提供一种脑功能检测的方法，包括下列步骤：

a.在上位机300预先录入受测者的年龄，通过年龄修正运算得出DPF，DPF表示微分光程长因子。由于不同年龄段的人的脑部解剖厚度以及组成成分占比具有一定区别，尤其成年人与婴儿之间的差异较大，所以检测时，不同波长的近红外光在不同年龄的受测者的脑部走过的实际光程长有所差异，影响检测结果的精准度。因此通过上述设置，在运算中引入“年龄”这一因素，对DPF进行修正，提高系统对不同年龄段的患者的通用性，确保脑检测系统对患者的实时监护的数据精准，避免由于结果偏差而没有及时完成保护工作。

在某些实施方式中，经过对不同波长的近红外光以及不同年龄段的人群的分组试验，得出所述年龄修正运算包括下列公式（1.1）：

（1.1）

其中，λ表示近红外光的波长，A表示受测者的年龄。

b.设置光源110对人的脑部循环发出两种不同波长的近红外光，第一探测器120和第二探测器130分别对由脑部反射回来的两种不同波长的近红外光实时采样并转化为光电信号。其中，第一探测器进行采样的近红外光波长为λ₁，第二探测器进行采样的近红外光的波长为λ₂，通过上述设置，本发明可同时采集两种不同波长的近红外光在脑部的光强衰减情况。

c. 第一探测器120和第二探测器130分别将光电信号反馈到控制单元200进行先运算放大后滤波的信号处理工作，将反馈回来的微弱的光电信号放大，并除去光电信号中的噪声，提高探测回来的信号的精确度。

d.控制单元200对经过运算放大和滤波后的光电信号进行AD转换并输出至上位机300，所述AD转换（模数转换）即为将前述的光电信号（模拟信号的一种）转化为数字信号。

e.根据光电信号反馈的信息和对应的DPF，上位机300通过脑部血氧情况运算得出并显示受测者的脑部血氧改变趋势，其中，所述上位机可优选为台式计算机。在本实施例中，脑部血氧改变趋势的运算方法如下：

所述脑部血氧情况运算包括以下的修正的比尔-朗伯定律（1.2）：

（1.2）

其中，OD表示光密度，α表示比消光系数，c表示吸光物质的浓度，d表示光源与探测器之间的间距，G表示由于光的散射以及边界因素造成的光强衰减。

并通过光源110发出的近红外光与第一探测器120或第二探测器130接收的近红外光之间的OD变化消除G的影响，在本实施例中，下面运算采用光源与第一探测器之间的间距，运算公式（1.3、1.4）如下：

（1.3）

（1.4）

其中，I₀表示光源发出的近红外光的初始光强，I_b表示测量开始时探测到的近红外光的光强，I_t表示测量过程中时间t时的近红外光的光强，OD_b表示测量开始时探测到的近红外光的光密度，OD_t表示测量过程中时间t时的近红外光的光密度，∆OD表示光密度的改变量，∆c表示吸光物质的浓度改变量。

进一步地，由于近红外光测量中光强吸收的变化主要来源于HbO₂（氧合血红蛋白）和Hb（脱氧血红蛋白）浓度改变，因此通过上述设置得出的两个不同波长的近红外光的光强衰减情况，结合公式1.3和1.4进行运算，得出如下公式（1.5），求解可得出HbO₂和Hb的浓度变化。

（1.5）

其中，近红外光的两种波长分别表示为λ₁、λ₂。

通过上述设置，修正由于受测者年龄和G引起的误差，大大提高了测量的精确度，可以适用测量不同年龄的受测者的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度变化，可用于反映脑功能，清楚知道受测者的脑部血氧改变趋势，实现对患者的实时的连续的脑部监护。

在某些实施方式中，所述检测方法还包括步骤f，根据光电信号反馈回来的信息，上位机300还可以通过脑部血氧情况运算得出并显示受测者的脑部血氧饱和度，具体的运算方法如下：

（f1）由于脑部组织内对近红外波段光源的吸收主要是HbO₂和Hb，因此吸收系数μ_α：

（1.6）

在本实施例中，使用两种不同波长的近红外光测量血氧饱和度（SO₂），那么由公式（1.6）运算得出：

（1.7）

（f2）在上位机的运算中，可令，则上式可简化为：

（1.8）

（f3）其中，R通过求解近红外光与人体组织相互作用的漫射方程，可以得到：

（1.9）

其中，∆OD^λ1和∆OD^λ2表示不同波长的情况下的两个间距处的OD差值，I_{t_d1}表示光源110到第一探测器120的间距s-d1处的光强，I_{t_d2}表示光源到第二探测器130的间距s-d2处的光强；∆OD^λ1和∆OD^λ2通过以下运算方式求得：

（2.0）

同理地，∆OD^λ2同样通过上述公式2.0求得。

（f4）将公式1.9代入公式1.8，上位机即可运算得出受测者脑部的血氧饱和度，配合血氧改变趋势，更加直接地反映受测者的脑部血氧情况，医护人员能从中获取更多的实时信息。

进一步地，还包括步骤f5，所述光源110与第一探测器120的间距s-d1设置为2.8-3.5cm，所述光源与第二探测器130的间距s-d2设置为3.0-4.0cm；作为一种优选，s-d1为3cm，s-d2为4cm。通过设置上述间距范围，此时光密度OD与间距d的关系近似线性，可以进一步优化上位机的运算方法，提高运算速度，提高血氧设备对受测者的血氧情况跟踪能力。由于此时光密度OD与间距d的关系近似线性，因此上述公式1.9公式可以近似简化为如下公式：

（2.1）

将公式2.1代入公式1.8即可求得血氧饱和度SO₂，进一步提高了血氧饱和度的运算速度。

请参阅图2，为实现上述的脑功能检测的方法，本发明还提供一种脑功能检测的系统，包括控制单元200、放置在人的脑部处的光学探头100和用于数据运算和屏幕显示的上位机300；所述光学探头包括用于向脑部循环发出两种不同波长的近红外光的光源110、用于探测从脑部反射回来的特定波长的近红外光并反馈光电信号至控制单元的第一探测器120和第二探测器130；所述控制单元200包括用于将反馈的光电信号进行运算放大和滤波的预处理模块210、用于对运算放大和滤波后的光电信号进行AD转换并输出至上位机的AD转换模块220、用于驱动光源工作和对光源调光的光源驱动模块230、用于控制光源驱动模块的微控制单元240和用于为光学探头、光源驱动模块以及微控制单元供电的电源模块250。

其中，光源110优选为近红外波段的LED或者LD，AD转换模块220优选为NI数据采集卡，微控制单元240优选为单片机。

在某些实施方式中，所述预处理模块210包括用于对光电信号进行运算放大的放大电路211和用于对运算放大后的光电信号滤波并输出至AD转换模块的滤波电路212；放大电路由电源模块250供电。其中，放大电路选用的运算放大芯片优选为TL084ACDP。

在某些实施方式中，所述放大电路211内设有数字电位器，所述数字电位器用于调节放大电路对光电信号的放大倍数且通过微控制单元240控制调节。通过上述设置，操作人员便于通过微控制单元对光电信号的放大倍数进行调整。

在某些实施方式中，所述近红外光的波长，一个设置在650-805nm之间，另一个设置在805-900nm之间；作为一种优选，一个设置为760nm，另一个设置为850nm，提高血氧检测的精度。

进一步地，所述第一探测器120和第二探测器130均为光电倍增管，光电倍增管具有灵敏度高、低噪声的特点，有效提高探测性能，优选为光电倍增管OPT101。

综上所述，本发明一种脑功能检测的方法及系统，通过对DPF的年龄修正运算和采用双波长测量的方式，提高近红外脑检测系统的适用性，可适用于不同年龄段的患者，解决了现有技术中的设备由于年龄原因引起的测量偏差问题，提高了检测血氧改变趋势的精确度；另一方面，本发明可同时测量脑部血氧饱和度，帮助医护人员获取更多的脑部血氧情况的信息，以采取恰当的脑保护措施，且通过对光源和探测器之间的间距的限制设置，对脑部血氧饱和度的运算方法进行了优化，提高了运算速度，提高设备对患者脑部血氧情况的跟踪能力。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种脑功能检测的方法，其特征在于，包括下列步骤：

在上位机预先录入受测者的年龄，通过年龄修正运算得出DPF，DPF表示微分光程长因子；

设置光源对人的脑部循环发出两种不同波长的近红外光，第一探测器和第二探测器分别对从脑部反射回来的近红外光实时采样并转化为光电信号；

第一探测器和第二探测器分别将光电信号反馈到控制单元进行运算放大以及滤波;

控制单元对经过运算放大和滤波后的光电信号进行AD转换并输出至上位机；

根据光电信号反馈的信息和对应的DPF，上位机通过脑部血氧情况运算得出并显示受测者的脑部血氧改变趋势。

2.根据权利要求1所述的脑功能检测的方法，其特征在于，所述年龄修正运算包括公式（1.1）：

（1.1）；

其中，λ表示近红外光的波长，A表示受测者的年龄。

3.根据权利要求2所述的脑功能检测的方法，其特征在于，所述步骤e的运算步骤如下：

（1.2）

（1.3）

（1.4）；

（1.5）；

其中，近红外光的两种波长分别表示为λ₁、λ₂。

4.根据权利要求3所述的脑功能检测的方法，其特征在于，所述步骤d之后还包括步骤f，上位机通过脑部血氧情况运算得出并显示受测者的脑部血氧饱和度,运算步骤如下：

（1.6）

（1.7）；

（f2）在运算中，令，得出公式（1.8）：

（1.8）；

（1.9）；

5.根据权利要求4所述的脑功能检测的方法，其特征在于，所述步骤f还包括步骤（f5），所述光源与第一探测器的间距s-d1设置为2.8-3.5cm，所述光源与第二探测器的间距s-d2设置为3.0-4.0cm，在此间距范围内，光密度OD与间距d之间近似呈线性关系，将公式1.9简化为如下公式2.1：

（2.1）。

6.一种脑功能检测的系统，包括控制单元、放置在人的脑部处的光学探头和用于数据运算和屏幕显示的上位机，其特征在于，所述光学探头包括用于向脑部循环发出两种不同波长的近红外光的光源、用于探测从脑部反射回来的特定波长的近红外光并反馈光电信号至控制单元的第一探测器和第二探测器；所述控制单元包括用于将反馈的光电信号进行运算放大和滤波的预处理模块、用于对运算放大和过波后的光电信号进行AD转换并输出至上位机的AD转换模块、用于驱动光源工作和对光源调光的光源驱动模块、用于控制光源驱动模块的微控制单元和用于为光学探头、光源驱动模块以及微控制单元供电的电源模块。

7.根据权利要求6所述的脑功能检测的系统，其特征在于，所述预处理模块包括用于对光电信号进行运算放大的放大电路和用于对运算放大后的光电信号滤波并输出至AD转换模块的滤波电路；放大电路由电源模块供电。

8.根据权利要求7所述的脑功能检测的系统，其特征在于，所述放大电路内设有数字电位器，所述数字电位器用于调节放大电路对光电信号的放大倍数且通过微控制单元控制调节。

9.根据权利要求6所述的脑功能检测的系统，其特征在于，所述光源发出的两种不同波长的近红外光，一个波长设置在650-805nm之间，另一个波长设置在805-900nm之间。

10.根据权利要求6所述的脑功能检测的系统，其特征在于，所述第一探测器和第二探测器均为光电倍增管。