CN114176522A - 一种通道可灵活配置的近红外脑功能成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通道可灵活配置的近红外脑功能成像系统,包括控制调节模块、数据处理模块以及多个光学收发模块;光学收发模块一端分别与控制调节模块及数据处理模块连接,另一端通过传输光纤与光纤探头连接;多个光纤探头用于向大脑皮层发射探测光信号或接收经大脑皮层反射回的光谱信号;光学收发模块用于向传输光纤发射探测光信号或接收传输光纤传回的光谱信号;控制调节模块用于调节光学收发模块发出探测光的功率,以及控制切换光学收发模块的工作模式;数据处理模块用于处理经传输光纤传回的光谱信号。本发明的光学收发模块既可以作为光发射模块使用,也可以作为光接收模块使用,极大地增加了检测通道的数量,提高了检测效率。
Description
技术领域
本发明属于近红外脑功能成像技术领域,具体涉及一种通道可灵活配置的近红外脑功能成像系统。
背景技术
作为脑功能成像技术的代表,功能核磁共振成像(fMRI)、正电子发射断层成像(PET)和脑电(EEG)等技术在脑功能研究领域和脑疾病诊断治疗方面发挥着重要的作用,但是高昂的成本、较低的时间分辨率、对被试或病患本身的限制要求以及可能带来的副作用等缺点使这些技术的应用都有一定的局限。近红外光谱成像技术(NIRS)以低成本、时间分辨率高、无副作用伤害、对被试或病患无限制要求等优点成为脑功能成像技术的重要组成部分。
国外近红外光谱成像技术发展较早,已有比较成熟的产品,例如日本日立公司的ETG系列、岛津的FOIRE系列、美国TechEn公司的CW系列。国内相关技术则比较落后,还没有比较成熟的产品。现有的近红外光谱成像系统尽管能够完成血氧信息检测,但是在具体模块的设计上,光接收单元和光接收单元整体的集成都存在不足。
公开号为CN103156620A的中国专利公开了一种多通道并行近红外光谱成像系统,采用多波长LED完成近红外光的发射,雪崩光电二极管进行微弱光信号的检测,采用模拟锁定放大器技术实现信号放大,并可以采用中国专利申请CN200520002784.8中公开的近红外光谱脑功能成像头盔来改善自适应头部部分设计的不合理。该专利的多通道并行近红外光谱成像系统可实现对大脑血氧信号持续快速准确的检测和采集,解决了现有功能近红外系统的不足,真正发挥了功能近红外光谱成像技术相对于其他脑功能成像技术的优势。
该专利虽然可以实现多通道并行检测,提高检测效率;但是还存在以下缺陷:其一,接收探头和发射探头不能灵活配置,同一个位置只能布置发射探头或接收探头;其二,自检操作麻烦,不能在不改变探头位置的前提下将发射探头和接收探头互换来做自检对比;其三,发射探头和接收探头不能共用一个,导致发射探头和接收探头都需要各自配置一路光纤,增加了系统成本就;其四,在不改变探头位置的前提下,检测通道数过少,不能通过灵活配置探头来增加检测通道。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题,提供一种通道可灵活配置的近红外脑功能成像系统。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案是:
一种通道可灵活配置的近红外脑功能成像系统,包括控制调节模块、数据处理模块以及多个光学收发模块;所述光学收发模块一端分别与控制调节模块及数据处理模块连接,另一端通过传输光纤与光纤探头连接;多个所述光纤探头分布式安装到大脑外侧,用于向大脑皮层发射探测光信号或接收经大脑皮层反射回的光谱信号;所述光学收发模块用于向传输光纤发射探测光信号或接收传输光纤传回的光谱信号;所述控制调节模块用于调节光学收发模块发出探测光的功率,以及控制切换光学收发模块的工作模式;所述数据处理模块用于处理经传输光纤传回的光谱信号。
具体地,所述光学收发模块包括:
至少两个光发射单元,用于发射多种波长的探测光信号;
光接收单元,用于接收传输光纤传回的光谱信号;
光学接头,用于将多种波长的探测光信号耦合进传输光纤,或者将传输光纤传回的光谱信号导入光接收单元;
所述光发射单元、光接收单元分别与控制调节模块连接;所述数据处理模块与光接收单元连接。
进一步地,所述光发射单元和光接收单元位于光学接头的同一侧,所述传输光纤位于光学接头的另一侧;所述光学接头一端分别与光发射单元和光接收单元耦合,另一端通过传输光纤与光纤探头连接。
进一步地,所述光学收发模块的工作模式包括发射模式和接收模式;
当切换为发射模式时,所述光接收单元停止工作,所述光发射单元正常工作;
当切换为接收模式时,所述光发射单元停止工作,所述光接收单元正常工作。
进一步地,所述光发射单元包括光源和反射镜,所述反射镜用于将光源发出的探测光反射到光学接头内部;所述光源位于光学接头端口上方两侧,两个反射镜分别对着两个光源;所述光接收单元的接收端正对光学接头的端口;这种设计可以进一步减小模块的体积,使得模块的集成更加紧凑。
进一步地,所述光源采用激光二极管或LED,优选采用激光二极管,激光二极管具有体积小、重量轻、耗电低、驱动电路简单、调制方便、耐机械冲击以及抗震动等优点。
具体地,所述光接收单元采用雪崩光电二极管,与真空光电倍增管相比,雪崩光电二极管具有体积小、不需要高压电源等优点,更适于实际应用;与一般的半导体光电二极管相比,雪崩光电二极管具有灵敏度高、速度快等优点,特别当系统带宽比较大时,能使系统的探测性能获得大的改善。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:本发明的光学收发模块既可以作为光发射模块使用,也可以作为光接收模块使用,具体使用过程中,可以根据实际需求灵活配置;因此,可以在不改变光纤探头位置的前提下,通过切换光学收发模块的工作模式来切换检测通道,极大地提高了检测效率;同时增加了检测通道的数量,以及可以快速将光纤的收发探头进行互换实现系统自检,提高了系统自检效率。另外,本发明中发射光纤和接收光纤共用一路光纤,降低了成本的同时,提高了光纤利用率。
附图说明
图1为本发明一种通道可灵活配置的近红外脑功能成像系统的结构示意框图。
图2为本发明实施例中光学收发模块切换为发射模式时的内部光路示意图。
图3为本发明实施例中光学收发模块切换为接收模式时的内部光路示意图。
图中:1、激光二极管;2、雪崩光电二极管;3、光学接头;4、反射镜。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图,对本发明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条件下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
如图1所示,本实施例提供了一种通道可灵活配置的近红外脑功能成像系统,包括控制调节模块、数据处理模块以及多个光学收发模块;所述光学收发模块一端分别与控制调节模块及数据处理模块连接,另一端通过传输光纤与光纤探头连接;多个所述光纤探头分布式安装到大脑外侧,用于向大脑皮层发射探测光信号或接收经大脑皮层反射回的光谱信号;所述光学收发模块用于向传输光纤发射探测光信号或接收传输光纤传回的光谱信号;所述控制调节模块用于调节光学收发模块发出探测光的功率,以及控制切换光学收发模块的工作模式;所述数据处理模块用于处理经传输光纤传回的光谱信号。
具体地,如图2、3所示,所述光学收发模块包括:
两个光发射单元(具体实施过程中可以根据实际需求设置为更多个),用于发射两种波长的探测光信号;
光接收单元,用于接收传输光纤传回的光谱信号;
光学接头3,用于将两种波长的探测光信号耦合进传输光纤,或者将传输光纤传回的光谱信号导入光接收单元;
所述光发射单元、光接收单元分别与控制调节模块连接;所述数据处理模块与光接收单元连接。
进一步地,所述光发射单元和光接收单元位于光学接头3的同一侧,所述传输光纤位于光学接头3的另一侧;所述光学接头3一端分别与光发射单元和光接收单元耦合,另一端通过传输光纤与光纤探头连接。
进一步地,所述光学收发模块的工作模式包括发射模式和接收模式;
如图2所示,当切换为发射模式时,所述光接收单元停止工作,所述光发射单元正常工作;
如图3所示,当切换为接收模式时,所述光发射单元停止工作,所述光接收单元正常工作。
进一步地,所述光发射单元包括光源和反射镜4,所述反射镜4用于将光源发出的探测光反射到光学接头3内部;所述光源位于光学接头3端口上方两侧,两个反射镜4分别对着两个光源;所述光接收单元的接收端正对光学接头3的端口;这种设计可以进一步减小模块的体积,使得模块的集成更加紧凑。
进一步地,所述光源采用激光二极管1,激光二极管具有体积小、重量轻、耗电低、驱动电路简单、调制方便、耐机械冲击以及抗震动等优点。
本实施例中,两个激光二极管1的波长分别为690nm和830nm。
具体地,所述光接收单元采用雪崩光电二极管2,与真空光电倍增管相比,雪崩光电二极管具有体积小、不需要高压电源等优点,更适于实际应用;与一般的半导体光电二极管相比,雪崩光电二极管具有灵敏度高、速度快等优点,特别当系统带宽比较大时,能使系统的探测性能获得大的改善。
本实施例可以根据实际需求灵活配置光学收发模块,可以在不改变光纤探头位置的前提下,通过切换光学收发模块的工作模式来切换检测通道,从而增加了检测通道数。
假设本实施例中共设置有8个光纤探头,每个光纤探头分别通过一路光纤连接一个光学收发模块,8个光纤探头分布式固定在大脑外侧;则本实施例在不改变光纤探头位置的前提下,一共有个检测通道;配置方法如下:
通道1:1号探头作为发射探头,2号探头作为接收探头;此时,1号探头对应的光学收发模块切换为发射模式,2号探头对应的光学收发模块切换为接收模式;
通道2:1号探头作为发射探头,3号探头作为接收探头;此时,1号探头对应的光学收发模块切换为发射模式,3号探头对应的光学收发模块切换为接收模式;
通道3:1号探头作为发射探头,4号探头作为接收探头;此时,1号探头对应的光学收发模块切换为发射模式,4号探头对应的光学收发模块切换为接收模式;
通道4:1号探头作为发射探头,5号探头作为接收探头;此时,1号探头对应的光学收发模块切换为发射模式,5号探头对应的光学收发模块切换为接收模式;
通道5:1号探头作为发射探头,6号探头作为接收探头;此时,1号探头对应的光学收发模块切换为发射模式,6号探头对应的光学收发模块切换为接收模式;
通道6:1号探头作为发射探头,7号探头作为接收探头;此时,1号探头对应的光学收发模块切换为发射模式,7号探头对应的光学收发模块切换为接收模式;
通道7:1号探头作为发射探头,8号探头作为接收探头;此时,1号探头对应的光学收发模块切换为发射模式,8号探头对应的光学收发模块切换为接收模式;
通道8:2号探头作为发射探头,3号探头作为接收探头;此时,2号探头对应的光学收发模块切换为发射模式,3号探头对应的光学收发模块切换为接收模式;
通道9:2号探头作为发射探头,4号探头作为接收探头;此时,2号探头对应的光学收发模块切换为发射模式,4号探头对应的光学收发模块切换为接收模式;
通道10:2号探头作为发射探头,5号探头作为接收探头;此时,2号探头对应的光学收发模块切换为发射模式,5号探头对应的光学收发模块切换为接收模式;
通道11:2号探头作为发射探头,6号探头作为接收探头;此时,2号探头对应的光学收发模块切换为发射模式,6号探头对应的光学收发模块切换为接收模式;
通道12:2号探头作为发射探头,7号探头作为接收探头;此时,2号探头对应的光学收发模块切换为发射模式,7号探头对应的光学收发模块切换为接收模式;
通道13:2号探头作为发射探头,8号探头作为接收探头;此时,2号探头对应的光学收发模块切换为发射模式,8号探头对应的光学收发模块切换为接收模式;
通道14:3号探头作为发射探头,4号探头作为接收探头;此时,3号探头对应的光学收发模块切换为发射模式,4号探头对应的光学收发模块切换为接收模式;
通道15:3号探头作为发射探头,5号探头作为接收探头;此时,3号探头对应的光学收发模块切换为发射模式,5号探头对应的光学收发模块切换为接收模式;
通道16:3号探头作为发射探头,6号探头作为接收探头;此时,3号探头对应的光学收发模块切换为发射模式,6号探头对应的光学收发模块切换为接收模式;
通道17:3号探头作为发射探头,7号探头作为接收探头;此时,3号探头对应的光学收发模块切换为发射模式,7号探头对应的光学收发模块切换为接收模式;
通道18:3号探头作为发射探头,8号探头作为接收探头;此时,3号探头对应的光学收发模块切换为发射模式,8号探头对应的光学收发模块切换为接收模式;
通道19:4号探头作为发射探头,5号探头作为接收探头;此时,4号探头对应的光学收发模块切换为发射模式,5号探头对应的光学收发模块切换为接收模式;
通道20:4号探头作为发射探头,6号探头作为接收探头;此时,4号探头对应的光学收发模块切换为发射模式,6号探头对应的光学收发模块切换为接收模式;
通道21:4号探头作为发射探头,7号探头作为接收探头;此时,4号探头对应的光学收发模块切换为发射模式,7号探头对应的光学收发模块切换为接收模式;
通道22:4号探头作为发射探头,8号探头作为接收探头;此时,4号探头对应的光学收发模块切换为发射模式,8号探头对应的光学收发模块切换为接收模式;
通道23:5号探头作为发射探头,6号探头作为接收探头;此时,5号探头对应的光学收发模块切换为发射模式,6号探头对应的光学收发模块切换为接收模式;
通道24:5号探头作为发射探头,7号探头作为接收探头;此时,5号探头对应的光学收发模块切换为发射模式,7号探头对应的光学收发模块切换为接收模式;
通道25:5号探头作为发射探头,8号探头作为接收探头;此时,5号探头对应的光学收发模块切换为发射模式,8号探头对应的光学收发模块切换为接收模式;
通道26:6号探头作为发射探头,7号探头作为接收探头;此时,6号探头对应的光学收发模块切换为发射模式,7号探头对应的光学收发模块切换为接收模式;
通道27:6号探头作为发射探头,8号探头作为接收探头;此时,6号探头对应的光学收发模块切换为发射模式,8号探头对应的光学收发模块切换为接收模式;
通道28:7号探头作为发射探头,8号探头作为接收探头;此时,7号探头对应的光学收发模块切换为发射模式,8号探头对应的光学收发模块切换为接收模式;
而若采用传统的发射探头和接收探头,只有4个发射探头和4个接收探头,则只有4个检测通道;可见,采用本实施例的系统可以极大的增加检测通道,提高了检测效率。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种通道可灵活配置的近红外脑功能成像系统,其特征在于,包括控制调节模块、数据处理模块以及多个光学收发模块;所述光学收发模块一端分别与控制调节模块及数据处理模块连接,另一端通过传输光纤与光纤探头连接;多个所述光纤探头分布式安装到大脑外侧,用于向大脑皮层发射探测光信号或接收经大脑皮层反射回的光谱信号;所述光学收发模块用于向传输光纤发射探测光信号或接收传输光纤传回的光谱信号;所述控制调节模块用于调节光学收发模块发出探测光的功率,以及控制切换光学收发模块的工作模式;所述数据处理模块用于处理经传输光纤传回的光谱信号。
2.根据权利要求1所述的一种通道可灵活配置的近红外脑功能成像系统,其特征在于,所述光学收发模块包括:
至少两个光发射单元,用于发射多种波长的探测光信号;
光接收单元,用于接收传输光纤传回的光谱信号;
光学接头,用于将多种波长的探测光信号耦合进传输光纤,或者将传输光纤传回的光谱信号导入光接收单元;
所述光发射单元、光接收单元分别与控制调节模块连接;所述数据处理模块与光接收单元连接。
3.根据权利要求2所述的一种通道可灵活配置的近红外脑功能成像系统,其特征在于,所述光发射单元和光接收单元位于光学接头的同一侧,所述传输光纤位于光学接头的另一侧;所述光学接头一端分别与光发射单元和光接收单元耦合,另一端通过传输光纤与光纤探头连接。
4.根据权利要求2所述的一种通道可灵活配置的近红外脑功能成像系统,其特征在于,所述光学收发模块的工作模式包括发射模式和接收模式;
当切换为发射模式时,所述光接收单元停止工作,所述光发射单元正常工作;
当切换为接收模式时,所述光发射单元停止工作,所述光接收单元正常工作。
5.根据权利要求2所述的一种通道可灵活配置的近红外脑功能成像系统,其特征在于,所述光发射单元包括光源和反射镜,所述反射镜用于将光源发出的探测光反射到光学接头内部。
6.根据权利要求5所述的一种通道可灵活配置的近红外脑功能成像系统,其特征在于,所述光源采用激光二极管或LED。
7.根据权利要求2所述的一种通道可灵活配置的近红外脑功能成像系统,其特征在于,所述光接收单元采用雪崩光电二极管。
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