CN112545457B - 脑成像检测装置及脑成像检测方法 - Google Patents

脑成像检测装置及脑成像检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及脑成像领域，特别是涉及脑成像检测装置及脑成像检测方法。一种脑成像检测装置，包括基底及多组检测模块，所述基底能够穿戴于待检测体上，多组所述检测模块设于所述基底上并能够与所述待检测体接触；所述检测模块包括近红外光源单元、探测单元及超声波发生单元，所述近红外光源单元及所述探测单元分别设于相邻的所述超声波发生单元之间，所述近红外光源单元发射的近红外光能够在待检测体的大脑内传输，所述超声波发生单元发生的超声波能够为所述近红外光的传输提供光通道。本发明的优点在于：能够减少近红外光的衰减程度，有效地增强探测单元接收近红外光的光信号，从而增强脑成像质量。

Description

脑成像检测装置及脑成像检测方法
技术领域
本发明涉及脑成像领域，特别是涉及脑成像检测装置及脑成像检测方法。
背景技术
脑成像作为认知神经科学研究最为主要的技术手段，使人类能够直接观察到待检测体大脑的内部的认知活动，有如研究脑功能的“显微镜”和“望远镜”，对受神经疾病影响的脑区进行定位。
现有的脑成像检测装置，近红外光谱通过光纤将光导向大脑外层，光在大脑中的传输仍然是随机散射的，这样造成光信号强度的大幅衰减，导致探测单元难以接收到有效的光信号，从而导致脑成像质量较差。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种脑成像检测装置，技术方案如下：
一种脑成像检测装置，包括基底及多组检测模块，所述基底能够穿戴于待检测体上，多组所述检测模块设于所述基底上并能够与所述待检测体接触；所述检测模块包括近红外光源单元、探测单元及超声波发生单元，所述近红外光源单元及所述探测单元分别设于相邻的所述超声波发生单元之间，所述近红外光源单元发射的近红外光能够在待检测体的大脑内传输，所述超声波发生单元发生的超声波能够为所述近红外光的传输提供光通道。
如此设置，超声波对于待检测体的大脑组织产生干涉，使得该大脑组织区域的折射率发生改变，形成光通道，近红外光沿着光通道传输，能够减少近红外光的衰减程度，有效地增强探测单元接收近红外光的光信号，从而增强脑成像质量。
在其中一个实施方式中，多个所述近红外光源、多个所述探测单元及多个所述超声波发生单元呈阵列分布。
如此设置，便于检测模块的排布。
在其中一个实施方式中，一组所述检测模块至少包括两个所述超声波发生单元，其中一个所述超声波发生单元到与之相邻的所述近红外光源单元之间的距离，等于另外一个所述超声波发生单元到与之相邻的所述探测单元之间的距离。
如此设置，能够将近红外光准确地引导至目标区域，每个超声波发生单元的频率和相位设置为一样，不需要重新调整超声波发生单元的参数。
在其中一个实施方式中，所述近红外光源单元及所述探测单元分别位于相邻所述超声波发生单元之间的中垂线上。
如此设置，方便检测模块定位排布。
在其中一个实施方式中，所述探测单元与所述近红外光源单元相互交错设置。
如此设置，近红外光源能够给多个相邻的探测单元提供光源。
在其中一个实施方式中，所述超声波发生单元的横截面的外切圆的直径小于或等于5mm；及/或，所述近红外光源单元与所述待检测体接触的一端的端面的外切圆的直径小于或等于2mm，且所述探测单元与所述待检测体接触的一端的端面的外切圆的直径小于或等于2mm。
如此设置，基底上能够排布更多的超声波发生单元，从而能够检测到更多的信号，并能够拨开待检测体的头发，使得近红外光源及探测单元能够与头皮贴合，提高检测精度。
在其中一个实施方式中，所述近红外光源单元包括2-3个微型LED灯，能够交替发出2-3种不同波长的光。
如此设置，微型LED灯尺寸小，便于布置。
在其中一个实施方式中，所述基底为柔性电路板，所述探测单元、所述近红外光源单元及所述超声波发生单元分别通过所述柔性电路板电性连接。
如此设置，柔性电路板能够适应于待检测体的头部的弧度，且在穿戴时，能够让待检测体觉得舒适，通过柔性电路板实现各个器件的电性连接，结构简单，无需额外使用导线连接。
本发明还提供如下技术方案：
一种脑成像检测方法，所述脑成像检测方法用于一种脑成像检测装置，所述脑成像检测装置用于检测待检测体的大脑内的信号，所述脑成像检测装置包括多个超声波发生单元、多个近红外光源单元及多个探测单元，该脑成像检测方法包括以下步骤：
多个所述超声波发生单元朝向待检测体的大脑发射超声波，超声波在大脑组织中传输并形成多条光通道；
所述近红外光源单元发射的近红外光沿着其中一条光通道传输，并到达目标区域；
所述近红外光采集到目标区域的信息，从另一条光通道传输至所述探测单元。
在其中一个实施方式中，所述超声波的空间峰值时间平均声强小于或等于720mW/cm2，所述超声波的机械指数小于或等于1.9。
如此设置，能够保护待检测体免受损伤。
与现有技术相比，本发明提供的脑成像检测装置，通过在近红外光源单元与探测单元之间设置超声波发生单元，超声波发生单元能够为近红外光在待检测体的传输提供光通道，从而减少近红外光的衰减，进而提高脑成像质量。
附图说明
图1为本发明提供的其中一个实施例的脑成像检测装置的结构示意图；
图2为另外一个实施例的脑成像检测装置的结构示意图；
图3为其中一个实施例的贴片式脑成像检测装置的结构示意图；
图4为另外一个实施例的贴片式脑成像检测装置的结构示意图；
图5为其中一个实施例的头套式脑成像检测装置的结构示意图；
图6为另外一个实施例的头套式脑成像检测装置的结构示意图；
图7为脑成像检测装置的检测过程。
图中各符号表示含义如下：
100、脑成像检测装置；10、基底；20、检测模块；21、超声波发生单元；22、近红外光源单元；23、探测单元；200、待检测体。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为“装设于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。
请参见图1至图7，本发明提供的一种脑成像检测装置100，该脑成像检测装置100用于检测大脑皮层血红蛋白浓度变化，从而测量大脑皮层神经活动，对于精神病等疾病进行研究和诊治。在其他实施中，还可根据不同的设计，对大脑的结构进行成像，研究大脑结构。
请参见图3至图6，具体地，脑成像检测装置100包括基底10及多组检测模块20，检测模块20设于基底10上，检测模块20能够与待检测体200的头部贴合，用于检测待检测体200脑部的信息。基底10可为贴片式或头套式，贴片式基底10贴于待检测体200的头部，用于检测局部的脑信息，例如贴于人体前额头部，贴片式基底10可通过医用双面胶或通过环形头箍、头带等方式设于头部，头套式基底10套于待检测体200的头部能够检测全脑信息。
检测模块20包括超声波发生单元21、近红外光源单元22及探测单元23，近红外光源单元22及探测单元23分别位于相邻的超声波发生单元21之间。超声波发生单元21能够发射超声波，近红外光源单元22发射近红外光，超声波在待检测体200的大脑组织内传输，并对于大脑组织形成干涉，从而改变该区域的大脑组织的折射率，形成光通道，近红外光沿着其中一个光通道传输至目标组织，采集到目标组织的信号后，沿着另一条光通道传输至探测单元23。可以理解，超声波发生单元21为近红外光的传输提供了光通道，将近红外光指引至目标区域，能够减小近红外光在传输过程中的损耗，从而加强探测单元23接收到的信号的强度，以提高成像质量。待检测体200可为人体、动物体、模体等，本发明并不对待检测体200的类型进行限制，只要能够检测的物体即可。
在本实施例中，基底10为柔性电路板，探测单元23、近红外光源单元22及超声波发生单元21分别通过柔性电路板电性连接，柔性电路板与外部控制单元(图未示)电性连接。可以理解，柔性电路板质地柔软、质量轻、厚度薄，能够给待检测体200以舒适感，且能够贴合弧形的待检测体200的脑壳。在其他实施例中，基底10还可采用聚二甲基硅氧烷、水凝胶、聚氨酯、聚多巴氨、形状记忆聚合物、介电弹性体的一种或多种材料制作，探测单元23、近红外光源单元22及超声波发生单元21分别通过导线电性连接。
多个近红外光源单元22、多个探测单元23及多个超声波发生单元21呈阵列分布，方便排布。
请参见图1，在其中一个实施例中，多个近红外光源单元22、多个探测单元23及多个超声波发生单元21分别呈阵列分布，即，一行为超声波发生单元21，一行为探测单元23，一行为超声波发生单元21，一行为近红外光源单元22，或者，一列为超声波发生单元21，一列为探测单元23，一列为超声波发生单元21，一列为近红外光源单元22。
请参见图2，优选地，在另外一个实施例中，近红外光源单元22及探测单元23之间相互交错设置，则近红外光源单元22能够给多个相邻的探测单元23提供光源，即，近红外光源单元22能够给位于其四周的探测单元23提供光源。当然，超声波发生单元21、近红外光源单元22及探测单元23不限于上述的排布方式。
一组检测模块20至少包括两个超声波发生单元21，其中一个超声波发生单元21到与之相邻的近红外光源单元22的距离，等于另外一个超声波发生单元21到与之相邻的探测单元23的距离。可以理解，如此设置，通过统一调整好超声波发生单元21的频率及相位，能够将近红外光引导至指定的目标区域，能够将每个超声波发生单元21的频率及相位设置为相同。
优选地，近红外光源单元22及探测单元23分别位于相邻的超声波发生单元21之间的中垂线上，方便各个器件定位排布。
超声波发生单元21的横截面的外切圆的直径小于或等于5mm，即，若超声波发生单元21为圆形，则其直径小于或等于5mm，若超声波发生单元21为方形，则超声波发生单元21的长、宽、对角线均小于或等于5mm。如此设置，能够利于超声波发生单元21的充分排布。
超声波发生单元21能够使超声波的频率在20kHz-30MHz的范围内调节，以能够调整超声波的参数。
超声波发生单元21发出的超声波的空间峰值时间平均声强IspTA小于或等于720mW/cm2，机械指数MI小于或等于1.9，可以理解，如此设置，能够保护待检测体200的大脑组织免受损伤。
在本实施例中，超声波发生单元21包括压电换能器，在其他实施例中，超声波发生单元21还可包括其他能够产生超声波的器件。
近红外光源单元22至少包括2-3个微型LED灯，可以发出2-3种不同波长的光，2-3种波长的范围为650nm-950nm，至少2-3种不同波长的光在外部控制单元的控制下能够交替闪烁，探测单元23包括光电探测器。由于人体血液中脱氧血红蛋白和氧合血蛋白对于650nm-950nm波段的光具有良好的散射效应，利用该波段的光配合光电探测器进行检测，以获得特定区域的大脑皮层内的光谱信号。
在其中一个实施例中，近红外光源单元22包括2个微型LED灯，可以发出660nm和850nm的光，可以选择650nm、800nm、900nm或其它波长的光，并选择两种不同波长的近红外光作为光源。当然，在其他实施例中，根据不用的检测需求，还可选择三种及以上波长范围在650nm-950nm且波长不同的光作为光源。
在另外一个实施例中，近红外光源单元22包括3种微型LED灯，可以交替发出730nm、800nm和850nm三种不同波长的光。
优选地，近红外光源单元22与待检测体200接触的一端的端面的外切圆的直径小于或等于2mm，且探测单元23与待检测体200接触的一端的端面的外切圆的直径小于或等于2mm，即，若近红外光源单元22或探测单元23为圆形，则其直径小于或等于2mm，若近红外光源单元22或探测单元23为方形，则近红外光源单元22或探测单元23的长、宽、对角线分别小于或等于2mm。如此设置，能够使得近红外光源单元22及探测单元23与待检测体200的头皮接触。
近红外光源单元22的功率能够在10mW-100mW的范围内调节，探测单元23能够探测400nm-1000nm波长的光信号，若近红外光源单元22的功率太大，则会损伤待检测体200的头皮，若近红外光源单元22的功率太小，则近红外光源单元22发射的近红外光的信号太弱，无法被探测单元23检测到。
请参见图7，本发明还提供一种脑成像检测方法，该检测方法用于上述的脑成像检测装置100，该脑成像检测装置100包括多个超声波发生单元21、多个近红外光源单元22及多个探测单元23，脑成像检测方法包括：
S1多个超声波发生单元21朝向待检测体200的大脑发射超声波，超声波在大脑组织中传输并形成多条光通道；
S2近红外光源单元22发射的近红外光沿着其中一条光通道传输至目标区域；
S3近红外光源单元22将在目标区域采集到的信息沿着另外一条光通道传输给探测单元23。
需要说明的是，S1中的光通道及S3中的光通道由两个不同的超声波发生单元21形成，为两条不同的光通道。
在工作过程中，近红外光源单元22朝向待检测体200的头部发射近红外光，超声波发生单元21产生超声波，超声波在大脑组中传输，对于大脑组织形成干涉，改变大脑组织中不同区域的折射率，为近红外光提供光通道，引导近红外光传输至目标区域，采集到信号后，沿着另一个超声波发生单元21产生的光通道传输至探测单元23，再将信号传递给外部控制单元，将大脑皮层内部信号进行数据处理。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种脑成像检测装置，包括基底(10)及多组检测模块(20)，所述基底(10)能够穿戴于待检测体(200)上，多组所述检测模块(20)设于所述基底(10)上并能够与所述待检测体(200)接触；
其特征在于，所述检测模块(20)包括近红外光源单元(22)、探测单元(23)及超声波发生单元(21)，所述近红外光源单元(22)及所述探测单元(23)分别设于相邻的所述超声波发生单元(21)之间，所述近红外光源单元(22)发射的近红外光能够在所述待检测体(200)的大脑内传输，所述超声波发生单元(21)发生的超声波能够为所述近红外光源单元(22)的传输提供光通道；一组所述检测模块(20)至少包括两个所述超声波发生单元(21)，其中一个所述超声波发生单元(21)到与之相邻的所述近红外光源单元(22)之间的距离，等于另外一个所述超声波发生单元(21)到与之相邻的所述探测单元(23)之间的距离。
2.根据权利要求1所述的脑成像检测装置，其特征在于，多个所述近红外光源单元(22)、多个所述探测单元(23)及多个所述超声波发生单元(21)呈阵列分布。
3.根据权利要求1所述的脑成像检测装置，其特征在于，所述近红外光源单元(22)及所述探测单元(23)分别位于相邻的所述超声波发生单元(21)之间的中垂线上。
4.根据权利要求1所述的脑成像检测装置，其特征在于，所述探测单元(23)与所述近红外光源单元(22)相互交错设置。
5.根据权利要求1所述的脑成像检测装置，其特征在于，所述超声波发生单元(21)的横截面的外切圆的直径小于或等于5mm；及/或，所述近红外光源单元(22)与所述待检测体(200)接触的一端的端面的外切圆的直径小于或等于2mm，且所述探测单元(23)与所述待检测体(200)接触的一端的端面的外切圆的直径小于或等于2mm。
6.根据权利要求1所述的脑成像检测装置，其特征在于，所述近红外光源单元(22)包括2-3个微型LED灯，能够交替发出2-3种不同波长的光。
7.根据权利要求1所述的脑成像检测装置，其特征在于，所述基底(10)为柔性电路板，所述探测单元(23)、所述近红外光源单元(22)及所述超声波发生单元(21)分别通过所述柔性电路板电性连接。
8.一种脑成像检测方法，其特征在于，所述脑成像检测方法用于一种脑成像检测装置，所述脑成像检测装置用于检测待检测体(200)的大脑内的信号，所述脑成像检测装置包括多个超声波发生单元(21)、多个近红外光源单元(22)及多个探测单元(23)，一组所述检测模块(20)至少包括两个所述超声波发生单元(21)，其中一个所述超声波发生单元(21)到与之相邻的所述近红外光源单元(22)之间的距离，等于另外一个所述超声波发生单元(21)到与之相邻的所述探测单元(23)之间的距离，该脑成像检测方法包括以下步骤：
多个所述超声波发生单元(21)朝向所述待检测体(200)的大脑发射超声波，超声波在大脑组织中传输并形成多条光通道；
所述近红外光源单元(22)发射的近红外光沿着其中一条所述光通道传输，并到达目标区域；
所述近红外光采集到所述目标区域的信息，从另一条所述光通道传输至所述探测单元(23)。
9.根据权利要求8所述的脑成像检测方法，其特征在于，所述超声波的空间峰值时间平均声强小于或等于720mW/cm2，所述超声波的机械指数小于或等于1.9。
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