CN112401881A - 一种穿戴式fNIRS脑成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种穿戴式fNIRS脑成像系统，包括光源‑光电探测器模块、控制及无线传送模块、电源模块和上位机；本发明的技术方案能够解决在穿戴式fNIRS脑成像系统或EEG‑fNIRS多模态脑成像系统中，探头相对位置无法自由调节和可检测区域有限的问题；本发明的系统能够根据实际情况自由调节光源探头和光电探测器相对位置，自动测量二者间距，既能减小脑血氧信号的测量误差，又能灵活调整大脑检测区域；本发明的系统能够配合脑电信号检测，脑电传感器可以安装在光源探头和光电探测器圆柱壳的底面四周，其间距随探头同步变化，既实现了EEG‑fNIRS多模态脑成像，又能采集不同密度的脑电信号。

Description

一种穿戴式fNIRS脑成像系统
技术领域
本发明属于生物医学工程、脑成像技术领域，尤其涉及一种探头位置可调节、间距可测量的穿戴式fNIRS脑成像系统。
背景技术
近红外光能到达一定深度的生物组织。血液中的氧合血红蛋白(HbO2)和还原血红蛋白(Hb)是600-900nm的近红外光的主要吸收物质。功能性近红外光谱(functional nearinfrared spectroscopy,fNIRS)技术使用近红外光照射大脑，并在距入射光源几厘米处放置光电探测器接收出射光。出射光携带了大脑皮层HbO2和Hb的浓度信息。大脑进行神经活动时会在短时间内会引起局部的HbO2浓度相对上升和Hb浓度相对下降。因此通过测量大脑皮层HbO2和Hb的浓度变化，可以反映大脑的功能活动，实现脑功能成像。fNIRS脑成像系统具备实时、安全、成本低、较高的时间和空间分辨率等优点，在神经科学领域和临床医学方面都得到了大量应用。
fNIRS脑成像系统使用时一般是将采集帽戴在头部，然后在采集帽上预留的固定孔位里插入光源探头和光电探测器。光源经头皮向大脑发出近红外光，经组织散射后被光电探测器接收并转化为电信号。电信号传输至后端处理系统中，被转变为脑血氧浓度信号。传统的后端处理系统体积较大且较重，需要固定放置，使用者的可活动区域被限制在一定范围内。目前fNIRS脑成像系统向着“便携化、可穿戴”方向发展，主要是通过减小后端处理系统体积来实现。如NIRx公司推出的NIRSPORT 2产品，使用者可以将后端处理系统绑在腰间；又如日立公司的WOT-100，整个系统可直接戴在头上。
但在目前的穿戴式fNIRS脑成像系统中，采集帽孔位或探头位置是固定的，使用者无法根据实际情况自由调节光源探头与光电探测器的相对位置。因为可检测的大脑区域位于光源探头与光电探测器之间，系统的检测区域也受到了限制。
近年来出现了一些可调整探头位置的fNIRS脑成像系统，如可调节光电探测器与头皮距离的fNIRS脑成像系统和使用柔性镂空头套的fNIRS脑成像系统。但这些系统中光源探头与光电探测器的连接部件仍然是固定的，因而调节能力十分有限，无法更大范围地调整光源探头与光电探测器之间的空间角度和间距，也无法更大范围地改变检测区域。
发明内容
为了解决上述已有技术存在的不足，解决在穿戴式fNIRS脑成像系统或EEG-fNIRS多模态脑成像系统中，探头相对位置无法自由调节和可检测区域有限的问题，本发明提供一种探头位置可调节、间距可测量的穿戴式fNIRS脑成像系统。具体技术方案如下：
一种穿戴式fNIRS脑成像系统，其特征在于，包括光源-光电探测器模块、控制及无线传送模块、电源模块、上位机，其中，
所述光源-光电探测器模块包括至少一个光源-光电探测器组件，每个所述光源-光电探测器组件包括内嵌于圆柱形外壳的光源探头和光电探测器，所述光源探头和所述光电探测器的圆柱形外壳之间通过可伸缩拉杆连接，所述可伸缩拉杆绕所述光电探测器具有水平和垂直两个方向的旋转自由度，所述光源探头绕所述可伸缩拉杆具有三个方向的旋转自由度，所述可伸缩拉杆上设置至少一个限位孔，用于调节所述光源探头和所述光电探测器之间的距离；
所述控制及无线传送模块采用ARM、DSP或FPGA作为主控芯片，驱动所述光源-光电探测器模块工作，并将信号通过内置的WiFi或蓝牙模组无线传输至所述上位机中；
所述电源模块为所述光源-光电探测器模块和所述控制及无线传送模块供电；
所述上位机接收所述控制及无线传送模块输出的信号，进行信号处理和分析。
进一步地，所述可伸缩拉杆的一端与所述光电探测器的外壳通过双轴铰链连接，通过所述双轴铰链调整所述光源探头与所述光电探测器之间的空间角度；所述可伸缩拉杆的另一端与所述光源探头的外壳通过球形铰链连接，通过所述球形铰链使所述光源探头垂直头皮发光。
进一步地，所述可伸缩拉杆内置直线电位器，根据所述控制及无线传送模块中检测电路的输出电压，实现所述光源探头和所述光电探测器之间间距的自动测量，具体地：
S1：可伸缩拉杆的长度档位由小到大依次为L1,L2,…Li,…Ln，对应的直线电位器阻值依次为R1,R2,…Ri,…Rn，对应的检测电路的理论输出电压依次为U1,U2,…Ui,…Un，其中，i为档位序号，n为档位数量，n≥2；
待检测电压为U，若0.9U1≤U≤1.1Un，令a＝n，b＝1，a为待检测最高档位，b为待检测最低档位，进入步骤S2；
否则间距L＝-1，即检测电路发生故障，结束测量；
S2：令i＝[(a+b)/2]，[·]代表取整；若i＝1，进入步骤S3；若i＝n，进入步骤S4；若1<i<n，进入步骤S5；
S3：若U>(U1+U2)/2，令b＝i+1，重复步骤S2；若0.9U1≤U≤(U1+U2)/2，间距L＝L1，结束测量；
S4：若U<(Un-1+Un)/2，令a＝i-1，重复步骤S2；若(Un-1+Un)/2≤U≤1.1Un，间距L＝Ln，结束测量；
S5：若U<(Ui-1+Ui)/2，令a＝i-1，重复步骤S2；若U>(Ui+Ui+1)/2，令b＝i+1，重复步骤S2；若(Ui-1+Ui)/2≤U≤(Ui+Ui+1)/2，间距L＝Li，结束测量。
进一步地，所述可伸缩拉杆上设置五个限位孔，所述可伸缩拉杆的长度有20mm、25mm、30mm、35mm和40mm五个调节档位，用于调节所述光源探头和所述光电探测器之间的距离。
进一步地，所述光源探头和所述光电探测器的圆柱形外壳底面设置孔位，用于安装脑电传感器，实现EEG-fNIRS多模态脑成像。
进一步地，在每个所述光源探头和所述光电探测器的圆柱形外壳底面设置8个孔位，安装干电极脑电传感器，用于采集脑电信号，所述干电极脑电传感器采用长度能够调节的探针结构。
进一步地，所述光源-光电探测器组件包括发光二极管、可伸缩拉杆、雪崩光电二极管。
进一步地，所述光源-光电探测器组件包括四个光源探头、四个可伸缩拉杆、一个光电探测器；或包括二个光源探头、二个可伸缩拉杆、一个光电探测器。
进一步地，所述直线电位器的固定长度为20mm，阻值R0＝2kΩ；活动长度20mm，最大阻值R1＝2kΩ；所述拉杆伸缩时，所述直线电位器的阻值变化范围为2～4kΩ。
进一步地，所述电源模块采用锂电池供电。
本发明的有益效果在于：
1.传统的fNIRS脑成像系统中的光源探头和光电探测器间距固定，但不同人的大脑形状不同；同一个人，大脑不同位置的各层组织厚度也不同；因而最佳间距因人而异、因“地”(指不同的大脑位置)而异。另外，间距也是计算脑血氧浓度的一个重要参数。当间距可变时需对其进行测量，以便后续的脑血氧浓度的计算。本发明的系统能够根据实际情况自由调节光源探头和光电探测器相对位置，还能够自动测量二者间距。既能减小脑血氧信号的测量误差，又能灵活调整大脑检测区域。
2.本发明的系统能够配合脑电信号检测。脑电传感器可以安装在光源探头和光电探测器圆柱壳的底面四周，其间距随探头同步变化，既实现了EEG-fNIRS多模态脑成像，又能采集不同密度的脑电信号。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
图1为fNIRS系统原理图；
图2为本发明一种穿戴式fNIRS脑成像系统结构图；
图3为本发明的一个光源-光电探测器组件结构图；
图4为本发明的另一个光源-光电探测器组件结构图；
图5为图3所示的结构中可伸缩拉杆的旋转角度示意图；
图6为图4所示的结构中可伸缩拉杆的旋转角度示意图；
图7为本发明的直线电位器检测电路图。
附图标号说明：
1-光源探头；2-光电探测器；3-球形铰链；4-双轴铰链；5-可伸缩拉杆；6-限位孔；7-探针式脑电干电极传感器。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
功能性近红外光谱(functional near infrared spectroscopy,fNIRS)技术使用近红外光照射大脑，并在距入射光源几厘米处放置光电探测器接收出射光，如图1所示。
传统的fNIRS脑成像系统中，光源探头和光电探测器间距是固定的，兼顾考虑可穿透深度和信噪比，一般为30mm。但是，不同人的大脑形状是不同的；同一个人，大脑不同位置的各层组织厚度也是不同的。因而最佳的间距也是因人而异、因“地”(指不同的大脑位置)而异的。另外，间距也是计算脑血氧浓度的一个重要参数。当间距可变时就需要对其进行测量，以便后续的脑血氧浓度的计算。本发明的优点在于能根据实际情况自由调节光源探头和光电探测器相对位置，还能够自动测量二者间距。既能减小脑血氧信号的测量误差，又能灵活调整大脑检测区域。
此外，本发明能够配合脑电信号检测。脑电传感器可以安装在光源探头和光电探测器圆柱壳的底面四周，其间距随探头同步变化，既实现了EEG-fNIRS多模态脑成像，又能采集不同密度的脑电信号。
具体地，如图2所示，一种穿戴式fNIRS脑成像系统，其特征在于，包括光源-光电探测器模块、控制及无线传送模块、电源模块、上位机，其中，
光源-光电探测器模块包括至少一个光源-光电探测器组件，每个光源-光电探测器组件包括内嵌于圆柱形外壳的光源探头和光电探测器，光源探头和光电探测器的圆柱形外壳之间通过可伸缩拉杆连接，可伸缩拉杆绕光电探测器具有水平和垂直两个方向的旋转自由度，光源探头绕可伸缩拉杆具有三个方向的旋转自由度，可伸缩拉杆上设置至少一个限位孔，用于调节光源探头和光电探测器之间的距离；采用可伸缩拉杆，能够实现多档间距调节。
控制及无线传送模块采用ARM、DSP或FPGA作为主控芯片，驱动光源-光电探测器模块工作，并将光源探头的亮度控制信号、光电探测器接收到的电信号、直线电位器输出的测量信号和脑电传感器检测到的脑电信号通过内置的WiFi或蓝牙模组无线传输至上位机中；
电源模块为光源-光电探测器模块和控制及无线传送模块供电；
上位机接收控制及无线传送模块输出的信号，将光强变化和光源探头与光电探测器之间的距离转化为脑血氧信号，同脑电信号一起，进行信号处理和分析。
采用双轴铰链和球形铰链连接，能够实现空间角度调节。可伸缩拉杆的一端与光电探测器的外壳通过双轴铰链连接，可伸缩拉杆绕光电探测器有两个旋转自由度，通过双轴铰链调整光源探头与光电探测器之间的空间角度；可伸缩拉杆的另一端(也是直线电位器的活动端)与光源探头的外壳通过球形铰链连接，光源探头绕可伸缩拉杆有三个旋转自由度，通过球形铰链使光源探头垂直头皮发光，球形铰链与光源探头的外壳间打孔并插入螺丝，光源探头的角度调整完毕，旋紧螺丝固定球形铰链，根据调整后的光源探头位置在采集帽上打孔，再将采集帽套在头上固定光源探头。通过双轴铰链和球形铰链既能自由调节光源探头和光电探测器之间的空间角度，也能调整光源探头与头皮的相对位置，使其正对头皮入射近红外光，减少测量误差。
因为光源探头和光电探测器之间的间距是计算脑血氧浓度的一个重要参数，当间距可变时就需要对其进行测量。可伸缩拉杆内置直线电位器，阻值随光源探头和光电探测器之间的间距变化而线性变化，经过控制及无线传送模块中检测电路输出电压，实现光源探头和光电探测器之间间距的自动测量，具体地：
S1：可伸缩拉杆的长度档位由小到大依次为L1,L2,…Li,…Ln，对应的直线电位器阻值依次为R1,R2,…Ri,…Rn，对应的检测电路的理论输出电压依次为U1,U2,…Ui,…Un，其中，i为档位序号，n为档位数量，n≥2；
待检测电压为U，若0.9U1≤U≤1.1Un，令a＝n，b＝1，a为待检测最高档位，b为待检测最低档位，进入步骤S2；
否则间距L＝-1，即检测电路发生故障，结束测量；
S2：令i＝[(a+b)/2]，[·]代表取整；若i＝1，进入步骤S3；若i＝n，进入步骤S4；若1<i<n，进入步骤S5；
S3：若U>(U1+U2)/2，令b＝i+1，重复步骤S2；若0.9U1≤U≤(U1+U2)/2，间距L＝L1，结束测量；
S4：若U<(Un-1+Un)/2，令a＝i-1，重复步骤S2；若(Un-1+Un)/2≤U≤1.1Un，间距L＝Ln，结束测量；
S5：若U<(Ui-1+Ui)/2，令a＝i-1，重复步骤S2；若U>(Ui+Ui+1)/2，令b＝i+1，重复步骤S2；若(Ui-1+Ui)/2≤U≤(Ui+Ui+1)/2，间距L＝Li，结束测量。
可伸缩拉杆上设置五个限位孔，可伸缩拉杆的长度有20mm、25mm、30mm、35mm和40mm五个调节档位，用于调节光源探头和光电探测器之间的距离。
光源探头和光电探测器的圆柱形外壳底面设置孔位，用于安装脑电(electroencephalo-graph,EEG)传感器，实现EEG-fNIRS多模态脑成像。脑电传感器间的距离也能够随探头间距同步改变，实现不同密度的脑电信号采集，使系统更加灵活。
在每个光源探头和光电探测器的圆柱形外壳底面设置8个孔位，安装干电极脑电传感器，在测量脑血氧浓度的同时采集脑电信号，干电极脑电传感器采用长度能够调节的探针结构，能保持与头皮的良好接触。
在一些实施方式中，光源-光电探测器组件包括发光二极管、可伸缩拉杆、雪崩光电二极管。
在一些实施方式中，光源-光电探测器组件包括四个光源探头、四个可伸缩拉杆、一个光电探测器；或包括二个光源探头、二个可伸缩拉杆、一个光电探测器。
较佳地，如图3和图4所示，光源-光电探测器组件包括四个发光二极管(LED)、四个可伸缩拉杆、一个雪崩光电二极管(APD)，命名为4S1D，；或包括二个发光二极管(LED)、二个可伸缩拉杆、一个雪崩光电二极管(APD)，命名为2S1D。具体地，LED与APD分别内嵌于圆柱形外壳中，二者外壳之间由可伸缩拉杆连接，可伸缩拉杆内有直线电位器，用于自动测量LED与APD的间距。LED外壳与可伸缩拉杆间以球形铰链连接，APD外壳与可伸缩拉杆间以双轴铰链连接。通过双轴铰链调整LED与APD间的空间角度，通过可伸缩拉杆调节LED与APD间的间距，通过球形铰链使LED垂直头皮发光。LED发出760nm和850nm两种波长的近红外光实现测量。
如图5，对于4S1D结构，对于可伸缩拉杆绕APD的水平旋转角度范围为-45°～45°，垂直旋转角度为-90°～90°。
如图6所示，对于2S1D结构，可伸缩拉杆绕APD的水平旋转角度范围为-90°～90°，垂直旋转角度为-90°～90°。
如图7所示，直线电位器的固定长度为20mm，阻值R0＝2kΩ；活动长度20mm，最大阻值R1＝2kΩ；拉杆伸缩时，直线电位器的阻值变化范围为2～4kΩ。
电源模块采用锂电池供电，无需线缆，减小了系统体积和重量。
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。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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种穿戴式fNIRS脑成像系统，其特征在于，包括光源-光电探测器模块、控制及无线传送模块、电源模块、上位机，其中，
所述光源-光电探测器模块包括至少一个光源-光电探测器组件，每个所述光源-光电探测器组件包括内嵌于圆柱形外壳的光源探头和光电探测器，所述光源探头和所述光电探测器的圆柱形外壳之间通过可伸缩拉杆连接，所述可伸缩拉杆绕所述光电探测器具有水平和垂直两个方向的旋转自由度，所述光源探头绕所述可伸缩拉杆具有三个方向的旋转自由度，所述可伸缩拉杆上设置至少一个限位孔，用于调节所述光源探头和所述光电探测器之间的距离；
所述控制及无线传送模块采用ARM、DSP或FPGA作为主控芯片，驱动所述光源-光电探测器模块工作，并将信号通过内置的WiFi或蓝牙模组无线传输至所述上位机中；
所述电源模块为所述光源-光电探测器模块和所述控制及无线传送模块供电；
所述上位机接收所述控制及无线传送模块输出的信号，进行信号处理和分析。
2.根据权利要求1所述的一种穿戴式fNIRS脑成像系统，其特征在于，所述可伸缩拉杆的一端与所述光电探测器的外壳通过双轴铰链连接，通过所述双轴铰链调整所述光源探头与所述光电探测器之间的空间角度；所述可伸缩拉杆的另一端与所述光源探头的外壳通过球形铰链连接，通过所述球形铰链使所述光源探头垂直头皮发光。
3.根据权利要求1或2所述的一种穿戴式fNIRS脑成像系统，其特征在于，所述可伸缩拉杆内置直线电位器，根据所述控制及无线传送模块中检测电路的输出电压，实现所述光源探头和所述光电探测器之间间距的自动测量，具体地：
S1：可伸缩拉杆的长度档位由小到大依次为L1,L2,…Li,…Ln，对应的直线电位器阻值依次为R1,R2,…Ri,…Rn，对应的检测电路的理论输出电压依次为U1,U2,…Ui,…Un，其中，i为档位序号，n为档位数量，n≥2；
待检测电压为U，若0.9U1≤U≤1.1Un，令a＝n，b＝1，a为待检测最高档位，b为待检测最低档位，进入步骤S2；
否则间距L＝-1，即检测电路发生故障，结束测量；
S2：令i＝[(a+b)/2]，[·]代表取整；若i＝1，进入步骤S3；若i＝n，进入步骤S4；若1<i<n，进入步骤S5；
S3：若U>(U1+U2)/2，令b＝i+1，重复步骤S2；若0.9U1≤U≤(U1+U2)/2，间距L＝L1，结束测量；
S4：若U<(Un-1+Un)/2，令a＝i-1，重复步骤S2；若(Un-1+Un)/2≤U≤1.1Un，间距L＝Ln，结束测量；
S5：若U<(Ui-1+Ui)/2，令a＝i-1，重复步骤S2；若U>(Ui+Ui+1)/2，令b＝i+1，重复步骤S2；若(Ui-1+Ui)/2≤U≤(Ui+Ui+1)/2，间距L＝Li，结束测量。
4.根据权利要求1或2所述的一种穿戴式fNIRS脑成像系统，其特征在于，所述可伸缩拉杆上设置五个限位孔，所述可伸缩拉杆的长度有20mm、25mm、30mm、35mm和40mm五个调节档位，用于调节所述光源探头和所述光电探测器之间的距离。
5.根据权利要求1或2所述的一种穿戴式fNIRS脑成像系统，其特征在于，所述光源探头和所述光电探测器的圆柱形外壳底面设置孔位，用于安装脑电传感器，实现EEG-fNIRS多模态脑成像。
6.根据权利要求1或2所述的一种穿戴式fNIRS脑成像系统，其特征在于，在每个所述光源探头和所述光电探测器的圆柱形外壳底面设置8个孔位，安装干电极脑电传感器，用于采集脑电信号，所述干电极脑电传感器采用长度能够调节的探针结构。
7.根据权利要求1所述的一种穿戴式fNIRS脑成像系统，其特征在于，所述光源-光电探测器组件包括发光二极管、可伸缩拉杆、雪崩光电二极管。
8.根据权利要求1所述的一种穿戴式fNIRS脑成像系统，其特征在于，所述光源-光电探测器组件包括四个光源探头、四个可伸缩拉杆、一个光电探测器；或包括二个光源探头、二个可伸缩拉杆、一个光电探测器。
9.根据权利要求3所述的一种穿戴式fNIRS脑成像系统，其特征在于，所述直线电位器的固定长度为20mm，阻值R0＝2kΩ；活动长度20mm，最大阻值R1＝2kΩ；所述拉杆伸缩时，所述直线电位器的阻值变化范围为2～4kΩ。
10.根据权利要求1-9之一所述的一种穿戴式fNIRS脑成像系统，其特征在于，所述电源模块采用锂电池供电。
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