CN114403810A - 一种基于物联网的智能头戴式近红外脑功能成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于物联网的智能头戴式近红外脑功能成像系统，包括上位机、控制器以及电极帽；所述控制器与上位机无线通信连接，所述电极帽与控制器电连接；所述电极帽内侧间隔布设有多个发射探头和多个接收探头；所述控制器根据上位机发布的控制指令，控制对应的发射探头和接收探头工作，发射探头发出的探测光信号经大脑皮层反射后被接收探头接收到，接收探头将接收到的光谱信号转化为电信号后传输给控制器，控制器再通过无线传输的方式将所述电信号上传至上位机，上位机根据所述电信号分析得到探测对象的脑功能成像数据。本发明采用电信号传输的方式代替光信号传输的方式，无需在探头上连接光纤，减轻了用户佩戴的负担，提升了体验感。
Description
技术领域
本发明属于近红外脑功能成像技术领域，具体涉及一种基于物联网的智能头戴式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。
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。
上述专利的近红外光谱成像系统尽管能够完成血氧信息检测，但是还存在以下缺陷：
1)现有的探测帽都是在头盔上布设多个光纤探头，光纤探头与激光器通过光纤连接，由于探头数目较多，会导致头盔整体重量增加，佩戴使用不方便，体验感不佳；
2)现有的成像系统不能同时对多个对象进行探测，若将多个探测帽与同一台上位机进行连接，会导致布线异常复杂，且不同通道间信号干扰严重；
3)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，探测过程中不能灵活调整探测位置；
4)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。
因此，亟需提出一种基于物联网的智能头戴式近红外脑功能成像系统来解决上述技术问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种基于物联网的智能头戴式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：
一种基于物联网的智能头戴式近红外脑功能成像系统，包括上位机、控制器以及电极帽；所述控制器与上位机无线通信连接，所述电极帽与控制器电连接；
所述电极帽内侧间隔布设有多个发射探头和多个接收探头，所述发射探头、接收探头分别与控制器电连接；
所述控制器根据上位机发布的控制指令，控制对应的发射探头和接收探头工作，发射探头发出的探测光信号经大脑皮层反射后被接收探头接收到，接收探头将接收到的光谱信号转化为电信号后传输给控制器，控制器再通过无线传输的方式将所述电信号上传至上位机，上位机对传输过来的电信号进行一系列数字滤波抽样还原处理，得到探测对象的脑功能成像数据。
本发明通过将探测光的发射与光谱信号的接收集成在电极帽的探头内，采用电信号传输的方式代替光信号传输的方式，无需在探头上连接光纤，减轻了用户佩戴的负担，提升了体验感；且控制器与上位机通过无线通信方式连接，避免了布线的麻烦，且降低了不同通道间的信号干扰，可以采用一台上位机同时对多个用户进行脑功能成像；同时实现了数据采集与数据处理的分离，突破了空间距离上的限制。
具体地，所述发射探头的发光器件采用激光二极管或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，所述接收探头的受光器件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。
具体地，所述控制器和电极帽均设有多个，每个所述控制器对应与一个电极帽电连接，多个所述控制器分别与上位机无线通信连接，从而实现一台上位机同时对多个电极帽进行控制，同时对多个用户进行脑功能成像，降低了传统有线传输的信号干扰以及布线难度。
优选地，所述发射探头和接收探头采用结构完全相同的耦合式光学收发探头；
所述光学收发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；
所述控制器用于用于调节光学收发探头发出探测光的功率，以及控制切换光学收发探头的工作模式。
进一步地，所述光学收发探头包括：
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，用于接收经大脑皮层反射回的光谱信号；
壳体，用于封装所述光发射单元和光接收单元；
所述壳体一端设有进出口，用于光信号的进出。
进一步地，两个所述光发射单元分别倾斜安装于壳体相对的两侧壁上，所述壳体相对的两侧壁上还设有两个反射镜，两个所述反射镜的反射面分别对应两个光发射单元的出光方向，所述反射镜用于将光发射单元发出的探测光导出壳体的进出口；所述光接收单元安装于壳体远离进出口的一端。这种设计可以进一步减小探头的体积，使得探头的集成更加紧凑，便于安装在电极帽上。
进一步地，所述光学收发探头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。
具体地，所述光发射单元采用激光二极管或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：(1)本发明通过将探测光的发射与光谱信号的接收集成在电极帽的探头内，采用电信号传输的方式代替光信号传输的方式，无需在探头上连接光纤，减轻了用户佩戴的负担，提升了体验感；(2)本发明控制器与上位机通过无线通信方式连接，避免了布线的麻烦，且降低了不同通道间的信号干扰，可以采用一台上位机同时对多个用户进行脑功能成像；同时实现了数据采集与数据处理的分离，突破了空间距离上的限制；(3)本发明的光学收发探头既可以作为发射探头也可以作为接收探头使用，具体使用过程中，可以根据实际需求灵活配置；因此，可以在不改变电极帽上探头位置的前提下，通过切换光学收发探头的工作模式来切换探测通道，极大地提高了探测效率，同时还增加了探测通道的数量。
附图说明
图1为本发明实施例1一种基于物联网的智能头戴式近红外脑功能成像系统的架构图。
图2为本发明实施例2中光学收发探头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2中光学收发探头切换为接收模式时的内部光路示意图。
图中：1、壳体；2、光接收单元；3、光发射单元；4、反射镜；5、进出口。
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。
实施例1
如图所示，本实施例提供了一种基于物联网的智能头戴式近红外脑功能成像系统，包括上位机、控制器以及电极帽；所述控制器与上位机无线通信连接，所述电极帽与控制器电连接；
所述电极帽内侧间隔布设有多个发射探头和多个接收探头，所述发射探头、接收探头分别与控制器电连接；
所述控制器根据上位机发布的控制指令，控制对应的发射探头和接收探头工作，发射探头发出的探测光信号经大脑皮层反射后被接收探头接收到，接收探头将接收到的光谱信号转化为电信号后传输给控制器，控制器再通过无线传输的方式将所述电信号上传至上位机，上位机根据所述电信号分析得到探测对象的脑功能成像数据。
本发明通过将探测光的发射与光谱信号的接收集成在电极帽的探头内，采用电信号传输的方式代替光信号传输的方式，无需在探头上连接光纤，减轻了用户佩戴的负担，提升了体验感；且控制器与上位机通过无线通信方式连接，避免了布线的麻烦，且降低了不同通道间的信号干扰，可以采用一台上位机同时对多个用户进行脑功能成像；同时实现了数据采集与数据处理的分离，突破了空间距离上的限制。
具体地，所述发射探头的发光器件采用激光二极管，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。
本实施例中，两个激光二极管的波长分别为690nm和830nm。
具体地，所述接收探头的受光器件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。
具体地，所述控制器和电极帽均设有多个，每个所述控制器对应与一个电极帽电连接，多个所述控制器分别与上位机无线通信连接，从而实现一台上位机同时对多个电极帽进行控制，同时对多个用户进行脑功能成像，降低了传统有线传输的信号干扰以及布线难度。
实施例2
如图所示，本实施例提供了一种基于物联网的智能头戴式近红外脑功能成像系统，与上述实施例1的区别点在于，所述发射探头和接收探头采用结构完全相同的耦合式光学收发探头；
所述光学收发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；
所述控制器用于用于调节光学收发探头发出探测光的功率，以及控制切换光学收发探头的工作模式。
进一步地，所述光学收发探头包括：
两个光发射单元3(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2，用于接收经大脑皮层反射回的光谱信号；
壳体1，用于封装所述光发射单元3和光接收单元2；
所述壳体1一端设有进出口5，用于光信号的进出。
进一步地，两个所述光发射单元3分别倾斜安装于壳体1相对的两侧壁上，所述壳体1相对的两侧壁上还设有两个反射镜4，两个所述反射镜4的反射面分别对应两个光发射单元3的出光方向，所述反射镜4用于将光发射单元3发出的探测光导出壳体1的进出口5；所述光接收单元2安装于壳体1远离进出口5的一端。这种设计可以进一步减小探头的体积，使得探头的集成更加紧凑，便于安装在电极帽上。
进一步地，所述光学收发探头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2停止工作，所述光发射单元3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3停止工作，所述光接收单元2正常工作。
具体地，所述光发射单元3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。
本实施例中，两个激光二极管的波长分别为690nm和830nm。
具体地，所述光接收单元2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。
本实施例可以根据实际需求灵活配置光学收发探头，可以在不改变探头位置的前提下，通过切换光学收发探头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个探头，每个探头分别通过一路光纤连接一个光学收发探头，8个探头分布式固定在大脑外侧；则本实施例在不改变探头位置的前提下，一共有28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探头切换为发射模式，2号探头对应的光学收发探头切换为接收模式；
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探头切换为发射模式，3号探头对应的光学收发探头切换为接收模式；
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探头切换为发射模式，4号探头对应的光学收发探头切换为接收模式；
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探头切换为发射模式，5号探头对应的光学收发探头切换为接收模式；
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探头切换为发射模式，6号探头对应的光学收发探头切换为接收模式；
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探头切换为发射模式，7号探头对应的光学收发探头切换为接收模式；
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探头切换为发射模式，8号探头对应的光学收发探头切换为接收模式；
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探头切换为发射模式，3号探头对应的光学收发探头切换为接收模式；
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探头切换为发射模式，4号探头对应的光学收发探头切换为接收模式；
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探头切换为发射模式，5号探头对应的光学收发探头切换为接收模式；
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探头切换为发射模式，6号探头对应的光学收发探头切换为接收模式；
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探头切换为发射模式，7号探头对应的光学收发探头切换为接收模式；
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探头切换为发射模式，8号探头对应的光学收发探头切换为接收模式；
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探头切换为发射模式，4号探头对应的光学收发探头切换为接收模式；
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探头切换为发射模式，5号探头对应的光学收发探头切换为接收模式；
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探头切换为发射模式，6号探头对应的光学收发探头切换为接收模式；
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探头切换为发射模式，7号探头对应的光学收发探头切换为接收模式；
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探头切换为发射模式，8号探头对应的光学收发探头切换为接收模式；
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探头切换为发射模式，5号探头对应的光学收发探头切换为接收模式；
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探头切换为发射模式，6号探头对应的光学收发探头切换为接收模式；
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探头切换为发射模式，7号探头对应的光学收发探头切换为接收模式；
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探头切换为发射模式，8号探头对应的光学收发探头切换为接收模式；
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探头切换为发射模式，6号探头对应的光学收发探头切换为接收模式；
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探头切换为发射模式，7号探头对应的光学收发探头切换为接收模式；
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探头切换为发射模式，8号探头对应的光学收发探头切换为接收模式；
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探头切换为发射模式，7号探头对应的光学收发探头切换为接收模式；
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探头切换为发射模式，8号探头对应的光学收发探头切换为接收模式；
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探头切换为发射模式，8号探头对应的光学收发探头切换为接收模式；
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探测通道，提高了探测效率。
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 (10)
1.一种基于物联网的智能头戴式近红外脑功能成像系统，其特征在于，包括上位机、控制器以及电极帽；所述控制器与上位机无线通信连接，所述电极帽与控制器电连接；
所述电极帽内侧间隔布设有多个发射探头和多个接收探头，所述发射探头、接收探头分别与控制器电连接；
所述控制器根据上位机发布的控制指令，控制对应的发射探头和接收探头工作，发射探头发出的探测光信号经大脑皮层反射后被接收探头接收到，接收探头将接收到的光谱信号转化为电信号后传输给控制器，控制器再通过无线传输的方式将所述电信号上传至上位机，上位机根据所述电信号分析得到探测对象的脑功能成像数据。
2.根据权利要求1所述的一种基于物联网的智能头戴式近红外脑功能成像系统，其特征在于，所述发射探头的发光器件采用激光二极管或LED。
3.根据权利要求1所述的一种基于物联网的智能头戴式近红外脑功能成像系统，其特征在于，所述接收探头的受光器件采用雪崩光电二极管。
4.根据权利要求1所述的一种基于物联网的智能头戴式近红外脑功能成像系统，其特征在于，所述控制器和电极帽均设有多个，每个所述控制器对应与一个电极帽电连接，多个所述控制器分别与上位机无线通信连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于物联网的智能头戴式近红外脑功能成像系统，其特征在于，所述发射探头和接收探头采用结构完全相同的耦合式光学收发探头；
所述光学收发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；
所述控制器用于用于调节光学收发探头发出探测光的功率，以及控制切换光学收发探头的工作模式。
6.根据权利要求5所述的一种基于物联网的智能头戴式近红外脑功能成像系统，其特征在于，所述光学收发探头包括：
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，用于接收经大脑皮层反射回的光谱信号；
壳体，用于封装所述光发射单元和光接收单元；
所述壳体一端设有进出口，用于光信号的进出。
7.根据权利要求6所述的一种基于物联网的智能头戴式近红外脑功能成像系统，其特征在于，两个所述光发射单元分别倾斜安装于壳体相对的两侧壁上，所述壳体相对的两侧壁上还设有两个反射镜，两个所述反射镜的反射面分别对应两个光发射单元的出光方向，所述反射镜用于将光发射单元发出的探测光导出壳体的进出口；所述光接收单元安装于壳体远离进出口的一端。
8.根据权利要求7所述的一种基于物联网的智能头戴式近红外脑功能成像系统，其特征在于，所述光学收发探头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。
9.根据权利要求6所述的一种基于物联网的智能头戴式近红外脑功能成像系统，其特征在于，所述光发射单元采用激光二极管或LED。
10.根据权利要求6所述的一种基于物联网的智能头戴式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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