CN115844392A - 一种无线多脑区脑血氧穿戴式检测系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无线多脑区脑血氧穿戴式检测系统及其方法，系统包括采集器和多个探头，多个探头与采集器之间通过线缆进行通信，探头包括覆盖脑部左右侧的前额叶脑区探头及覆盖脑部左右侧的枕叶脑区探头、顶叶脑区探头、颞叶脑区探头中的任一脑区探头或几个脑区探头的组合；通过将多个探头对应贴附在所划分的各功能脑区位置；驱动并控制各个探头向对应脑区发射的探测光；各探头同时接收各功能脑区位置的出射检测光，采集各脑区脑血氧信号；对采集到的各脑区脑血氧信号进行处理后，得到各脑区的脑血氧采集信息。本发明通过多脑区同时检测，能够覆盖局部前循环脑梗死和后循环脑梗死的脑区，解决了只能够反映大脑前循环脑梗死的局限性。

Description

一种无线多脑区脑血氧穿戴式检测系统及其方法
本申请为在2020年04月03日提交中国专利局、申请号为202010260333.3、申请名称为“一种无线多脑区脑血氧穿戴式检测系统及其方法”的中国专利申请的分案。
技术领域
本发明涉及脑血氧检测技术领域，具体涉及一种无线多脑区脑血氧穿戴式检测系统及其方法。
背景技术
面对被称为“人类健康的头号杀手”的脑卒中，临床专家深入研究了救治方案。根据国际Institute for Clinical Systems Improvement在2016年12月发布的《AcuteIschemic Stroke Algorithm》，针对急性缺血性脑卒中，在初期检查重点除了生命指征外还应该包括氧。如果能够检测到脑组织氧饱和度下降就可以很好的评价缺血性脑卒中的发生。
缺血性脑卒在脑卒中发病中占据较大比例，而且有严重的致死率和致残率。通过脑组织的血氧下降可以准确反映脑组织的缺血缺氧的发生，因此脑血氧可以作为评价缺血性脑卒中发生的重要标记。目前，国内外临床上检测脑血氧饱和度的“金标准”即通过在颈静脉埋置导管(即颈静脉置管术)，不定期采集颅内颈静脉球(Jugular bulb)血样，然后将血样放置于血气分析仪内进行检测,得到用以评价颅内组织血氧水平的血氧饱和度。这种侵入式的检测方式一方面有较大的出血风险，由于是深静脉插管，尤其是对于中老年人，较难找到深部血管，如果止血不到位则可能造成体内出血；另一方面，通过有创采血进行检测，只能在某些时间点进行数据采集，不能作为监护手段进行脑氧实时监测，容易错过了脑卒中发病关键救治期。
随着科学技术的发展，光以及光电技术由于生物效度优势在各领域已经有效地得到广泛应用。利用近红外光谱法(Near Infrared Spectroscopy，NIRS)，根据血红蛋白在特定波段下的吸收特性可以无创检测脑功能活动，进而探索将来实现“光CT”的可能性。该技术在日本、美国、英国已经开展起来并取得了不少成绩。这是将先进光电技术运用于医学研究的一个极有意义的尝试。同时医疗器械公司也利用该技术推出相应高科技的医疗仪器应用于手术室、神经内外科、妇产科、药物疗效检测、脑功能研究、中老年医学科等多方面。
在采用近红外光进行血氧饱和度检测技术中，由于前额没有毛发所以不影响红外光收发，因此，目前主要是以两通道前额脑血氧检测技术为主。美国CASMED公司研发了Fore-Sight设备，日本滨松公司的NIR500和美国Medtronic公司生产的INVOS7100都是通过在前额排布两个光极探头实现前额脑组织血氧饱和度监测。国内有代表性的是清华大学研制的近红外组织血氧参数监护仪，主要应用于脑氧研究、组织血氧监测以及运动医学检测等。来自于中国科学院的中科搏锐团队研制了脑血氧监护仪和脑血氧头带等，可以实现脑血氧、组织血氧以及指脉血氧等的实时监测。针对脑血氧检测，上述系统都是通过前额左右侧各排布一个探头的方式进行检测。
随着这些产品的推广，相关技术也逐渐应用于临床一线，为脑卒中检测与床旁监护带来了光明，实现了如大脑前动脉等血管梗塞时的脑前循环血氧检测。值得注意的是，现有技术都是通过前额检测脑组织血氧饱和度，并且以前额叶脑组织血氧饱和度作为评价脑组织血氧供应的代表性指标。这一方面由于额头部位没有毛发影响红外光收发带来了器械研发的方便性，促成了上述技术与医疗设备进入临床。但是另外一方面却带来了检测的局限性，也就是现有设备只能检测前额部位脑组织缺血缺氧时的脑卒中发病，这必然有一定不足，不能反映如顶叶、枕叶等与人体运动、视觉功能密切相关脑区的缺血缺氧状态。
临床医学最权威杂志曾进行过统计。在研究入组的脑梗塞患者中，17％与大的前循环梗死有关，是皮层和皮层下受累(全部前循环梗死，TACI)；34％是与局部前部皮层梗塞(部分前循环梗死，PACI)；24％梗死明显与椎基底动脉区域(后循环梗死，POCI)有关；25％梗塞局限于深部射孔动脉(腔隙性梗死，LACI)。现在已有的脑血氧饱和度检测技术与系统均是采集前额部位对应的前额叶脑组织的血氧饱和度，都只能反映的是TACI，即大的前循环梗死。PACI和POCI还不能准确表征，也就不能及时被发现。
据世界卫生组织调查的结果，脑卒中是全球人口的第二大死因，仅次于心血管病，每年全世界死于脑卒中的人数高达570万，死亡人数大约占发病人数的10％。有的脑卒中发生在患者住院期间，其中有近一半属于围术期脑卒中。该研究表明仅仅有的脑卒中是发生在围术期，也就是紧紧围绕病床的。另外将近90％的脑卒中发生，都是在病床以外的场景，例如家庭生活、工作、聚会等。在这些场景中，床旁监护设备是不能应用于脑血氧检测的。除了以上场景的检测，在医院门诊等环境中，同样也有大量的非脑卒中重症患者需要检测脑血氧。这些检测场景都是需要能够给患者迅速佩戴，并即刻给出检测结果。在急救车等空间有限的救治环境中，常规的有线连接的监护设备，使用起来受到线缆缠绕等因素的影响，也有诸多不便。由于脑卒中的特点是高发病率，高致残率，中国每年新发卒中病人约一百五十万，其中70％～80％的卒中病人因为残疾不能独立生活，需要进行卒中康复。卒中康复是经循证医学证实的对降低致残率最有效的方法，是脑卒中组织化管理中不可或缺的关键环节。在卒中康复过程中，同样也需要有能够实时评价脑部血氧供应恢复的方式。但是现有的有线连接的监护仪显然是不适用于康复过程的。
为了能够覆盖更大部位脑组织血氧饱和度的检测与监测，迫切需要形成覆盖全脑主要脑功能区域的脑血氧饱和度快速监测系统，也就是能够覆盖主要感知觉皮层的多个脑功能区组织血氧检测系统。
发明内容
本发明为了解决现有技术仅实现额头两侧相应前额叶的脑血氧饱和度采集局限性，满足临床对于脑部主要功能区域脑组织的监护需求，本发明基于近红外光谱技术，实现覆盖多脑区脑血氧饱和度的监测，为全面有效评价脑血氧供应与恢复，降低致残率提供便利支撑，为此，本发明提供了一种无线多脑区脑血氧穿戴式检测系统及其方法。
本发明采用如下技术方案：
一方面，本发明提供了一种脑血氧穿戴式检测系统。
一种脑血氧穿戴式检测系统，包括采集器和与头部待检测脑区相贴附的探头，所述探头与所述采集器之间通过线缆进行通信，所述探头包括用于覆盖脑部左侧的枕叶脑区探头、左侧的顶叶脑区探头、左侧的颞叶脑区探头、右侧的枕叶脑区探头、右侧的顶叶脑区探头、右侧的颞叶脑区探头中的任一脑区探头或几个脑区探头的组合，所述探头(2)与所述采集器(1)通过线缆连接，所述探头(2)用于光的发射与接收，所述探头(2)接收到的光用于得到对应脑区的脑血氧采集信息。
本申请实施例通过探头能够对左右侧的枕叶脑区、顶叶脑区、颞叶脑区中的至少一个脑区血氧信号进行采集，从而避免了现有技术中仅能对前额叶脑区脑血氧采集的局限性，能够提高脑血氧检测的全面性和灵活性。
在一种实现方式中，所述采集器用于控制各所述探头的收发光，并对各所述探头所采集到的脑区血氧信号进行处理，得到各脑区的脑血氧采集信息。
本申请实施例通过采集器对探头的收发光的控制以及对所采集到的脑区血氧信号进行处理实现了对左右侧的枕叶脑区、顶叶脑区、颞叶脑区中的至少一个脑区血氧信号的采集，从而避免了现有技术中仅能对前额叶脑区检测的局限性，能够提高脑氧检测的全面性和灵活性。
在一种实现方式中，所述采集器用于对采集到的脑区血氧信号进行异常数据监测与矫正、滑动窗滤波或数据包整理。
本申请实施例通过采集对异常数据监测与矫正、滑动窗滤波或数据包整理的预处理，能够提高脑血氧检测的精度或者减少后续传输给远端控制器的数据量，提高通信效率；同时由于在采集端进行了预处理，降低了后续远端控制器的计算量，能够节省远端控制器的计算资源，提高远端控制器的计算速度。
在一种实现方式中，所述探头还包括覆盖脑部左侧的前额叶脑区探头和/或覆盖脑部右侧前额叶脑区探头。
本申请实施例能够在采集左和/或右前额叶脑区脑氧数据的基础上的同时实现对左右侧的枕叶脑区、顶叶脑区、颞叶脑区中的至少一个脑区血氧信号进行采集，从而避免了现有技术中仅能对前额叶脑区采集的局限性，能够提高脑氧检测的全面性和灵活性。
在一种实现方式中，所述探头包括光电转换器件，所述探头和所述采集器之间通过电缆连接，所述电缆用于将所述采集器的控制信号传输至所述探头，并将所述探头采集的脑区血氧信号传输至所述采集器；
或者，
所述采集器包括光电转换器件，所述探头和所述采集器之间通过光纤连接，所述光纤用于将所述采集器发射的光传输至所述探头，并将所述探头采集的光信号传输至所述采集器。
本申请实施例中由于光电转换器可以设置在探头上也可以设置在采集器上，所以可以灵活的设置由探头或者采集器中的一方来进行光电信号的转换，并对应性的灵活选择高采集器和探头之间通信的数据形式。
在一种实现方式中，所述采集器用于控制各所述探头发射光信号，并根据采集到的出射检测光经过光电转换后输出电信号对所述发射光信号自动进行增益调节使各所述探头输出瞬时光强在0.1mW～50mW，使所述光电转换单元进行光电转换后输出电信号为450～550mV。
在本申请实施例中，由于个体差异、颅骨厚度不均等，也使得各个脑区检测到的光强有较大差别，因此，本申请实施例为了保证检测到的光强满足要求，采集器可以自动进行增益调节，根据采集到的出射检测光经过光电转换后输出电信号与预设电信号的差值对所述发射光信号进行增益调节，自动控制各探头输出瞬时光强在0.1mW～50mW，保证最终光电转换后输出电信号在500mV左右，从而避免了因个体差异及颅骨厚度不均等因素而影响检测准确率的问题。
进一步地，所述系统还设有一远端控制器，所述采集器和远端控制器中分别设有无线通信模块和/或有线通信模块，所述远端控制器中还设有中央处理单元II和用户交互单元，所述用户交互单元用于对各所述探头进行用户指令输入，并传输至所述中央处理单元II，对各所述探头进行远端收发控制；所述采集器所采集到的各所述探头的脑区血氧信息通过无线或有线方式发送到所述远端控制器，所述中央处理单元II对所接收的各脑区血氧信息进行数据处理与计算，得到各个所述探头对应脑区的脑血氧饱和度数据，所述用户交互单元显示所述中央处理单元II对各脑区的脑血氧饱和度的计算数据。
所述用户交互单元所显示的脑血氧饱和度数据包括各个脑区的脑氧趋势线、脑氧饱和度数值、脑区间脑氧差异数值、相对于基线的变化数值和基线下的面积。
所述中央处理单元II针对所接收到的各脑区血氧信息进行数据处理与计算，其包括：
数据整理模块，用于对各脑区血氧信息进行数据分拆、通道数据整理，汇总成各所述探头收光点的数据；
生理噪声滤波算法模块，其用于滤除心跳、呼吸和脉搏等生理噪声；
异常数据处理算法模块，其用于剔除数据中由于干扰、意外跳变等造成的异常数据；
脑血氧饱和度解算算法模块，其用于计算各个脑区的脑组织血氧饱和度。
各所述探和采集器设置于一硅胶帽中，所述探头上设有发光点和两个收光点，且在所述探头的两端分别设有定位点，所述定位点与所述硅胶帽上的卡位点形成卡接固定。
在一种实现方式中，多个所述探头的定位点之间设置有弹性线缆连接件。
本申请实施例通过在探头的定位点之间设置有弹性线缆连接件，能够增加探头和头皮的贴合性，降低了由于非贴合导致的漏光或者周围光照对探头信号的影响导致的检查不准确的问题。
所述采集器中设有多组光电转换单元、多组收发控制单元、中央处理单元I及输入与显示单元，每组所述光电转换单元与每组收发控制单元一一对应连接，所述光电转换单元与所述探头一一对应连接，所述中央处理单元I与各组所述收发控制单元对应连接，用于汇总各所述探头的收光点数据，并进行初步的数据预处理，通过有线通信模块或无线通信模块发送给所述远端控制器；所述输入与显示单元用于显示采集状态、各个探头的工作状态以及电量情况。
优选地，与所述前额叶脑区探头对应连接的所述光电转换单元中的光电转换器件为PIN型光电二极管；与枕叶脑区探头、顶叶脑区探头、颞叶脑区探头对应连接的所述光电转换单元中的光电转换器件为雪崩光电二极管。
进一步优选地，所述采集器内还设有临时存储单元，其与所述中央处理单元I连接，用于存储所述中央处理单元I中的数据。
所述中央处理单元I中设有多路光驱动模块和发射光增益调节模块，其分别接收所述远端控制器中用户输入的发光驱动信号及发射光增益信号，控制各所述探头输出瞬时光强在0.1mW～50mW，使所述光电转换单元进行光电转换后输出电信号为450～550mV。
所述远端控制器根据时分复用或者频分复用的模式对各所述探头对应的多路光驱动模块进行发光驱动信号设置。
所述远端控制器中还设有与所述中央处理单元II连接的数据库，用于存储血氧数据。
所述系统中还设有云端数据库，所述云端数据库与所述远端控制器通过无线方式实现数据通信，用于存储血氧数据，且所述云端数据库与多个远程终端以无线方式连接。
在一种实现方式中，所述系统中还包括云端数据库，所述云端数据库通过无线方式与所述远端控制器通信，用于同时进行对多人脑血氧数据的读和写。
本申请实施例通过一个或多个远端控制器与云端数据库的通信能够同时实现多人的脑血氧的检测数据的读和写，提高了同一时间脑血氧检测数据的的吞吐量，能够实现了对多人脑血氧的同时检测、存储或多人脑血氧数据的访问。
在一种实现方式中，所述远端控制器上还设置有用于用户指令输入的输入接口和用于数据显示的显示接口。
本申请实施例通过设置远程控制器上的扩展接口，一方面选择控制器可以通过自身的输入和显示单元进行用户指令的输入和数据的显示，另一方面还可以扩展接口进行用户指令的输入和数据的显示，能够提高信号输入和数据显示的灵活性和多样性。
在一种实现方式中，所述探头包括以下四组探头中的至少一组探头：
用于覆盖脑部左侧和右侧的额叶脑区探头；
用于覆盖脑部左侧和右侧的枕叶脑区探头；
用于覆盖脑部左侧和右侧的顶叶脑区探头；
用于覆盖脑部左侧和右侧的颞叶脑区探头；
所述远端控制器用于计算和/或显示所述至少一组探头对应的至少一组左右侧脑区的脑血氧差异。
在本申请实施例中，通过计算和显示左右脑区的差异，能够增加脑氧数据的呈现形式，能够让用户及时的了解被检测者的脑氧饱和度情况，提高用户对被检测者的脑氧数据的直观感受和准确判断。
另一方面，本发明提供了一种无线多脑区脑血氧可穿戴式检测方法。
一种无线多脑区脑血氧穿戴式检测方法，将多个探头对应贴附在所划分的各功能脑区位置；分别驱动并控制各个探头向对应脑区发射的探测光；各探头同时接收各功能脑区位置的出射检测光，采集各脑区血氧信号；对采集到的各脑区血氧信号进行处理后，得到各脑区的脑血氧采集信息。
所划分的各功能脑区为脑部具有认知、运动、听觉和视觉的主要功能区域。
进一步地，所述方法还包括，将采集到的各脑区血氧信息进行远程数据处理与计算，得到并对外显示各探头对应脑区的脑血氧饱和度数值。
在一种实现方式中，将各脑区的脑血氧饱和度数值传输至云端数据库，采用远程终端从云端数据库下载并显示患者各脑区对应的脑血氧饱和度数值。
通过对不同脑区的探头发射光进行多路增益调节处理，控制各探头输出瞬时光强在0.1mW～50mW，使出射检测光经光电转换后的输出电信号在450～550mV。
根据时分复用或者频分复用的模式对各探头进行发光驱动信号设置，将各个脑区的出射光光路隔离。
通过正交解调方法对头发区域的脑区血氧信号进行采集：对各探头的入射探测光进行特定频率的载波编码，探头检测到出射检测光之后再通过正交解调该频率，提取出射检测光的光信号。
对采集到的各脑区血氧信号进行处理，具体包括：脑血氧光信号的异常数据检测与矫正、滑动窗滤波和数据包整理，经对脑血氧光信号进行光电转换、信号放大、模数转换、信号整理和数据打包处理，得到各脑区的脑血氧采集信息。
在一种实现方式中，对采集到的各脑区血氧信号进行处理，包括计算和/或显示对称的左右额叶脑区、枕叶脑区、顶叶脑区和颞叶脑区四组左右侧脑区中的至少一组左右侧脑区的脑血氧差异。
在本申请实施例中，通过计算和显示左右脑区的差异，能够增加脑氧数据的呈现形式，能够让用户及时的了解被检测者的脑氧饱和度情况，提高用户对被检测者的脑氧数据的直观感受和准确判断。
本发明技术方案，具有如下优点：
A.本发明对多个脑区脑血氧饱和度进行同时检测，能够覆盖局部前循环脑梗死和后循环脑梗死的脑区，实现了可以同时对左右侧额叶、顶叶、颞叶和枕叶共八个脑区血氧信号的检测，从而将相应的高级认知、运动、听觉和视觉等主要功能区域的缺血缺氧状态监护起来。当然，还可以依据本发明实现更多数量脑区的脑血氧饱和度检测，或者也可以针对特定脑区进行多脑血氧信息的采集，从而提高脑血氧采集的空间分辨率和效率，解决了目前国内外脑血氧饱和度技术与产品仅仅能够实现额头两侧相应前额叶的脑血氧饱和度采集、只能够反映大脑前循环脑梗死的局限性。
B.本发明所提供的系统中将基于近红外光谱技术实现八个脑区的血氧饱和度检测。由于头发对于红光与红外光有较强的吸收作用，导致检测到的光强在纳瓦级别，而且由于个体差异、颅骨厚度不均等，也使得各个脑区检测到的光强有较大差别。本发明为了保证检测到的光强满足要求，在中央处理单元I中设有多路光驱动模块和发射光增益调节模块，其分别接收远端控制器中用户输入的发光驱动信号及发射光增益信号，可以控制各探头输出瞬时光强在0.1mW～50mW，保证最终光电转换后输出电信号在500mV左右，从而避免了因头发及颅骨厚度不均等因素而影响检测准确率的问题。同时，为了保证各个脑区在检测时无光信号的相互串扰，本发明采用时分复用或者频分复用的模式进行光路隔离，提高检测效率和准确率。
C.由于脑部的额叶、顶叶、颞叶和枕叶排布在颅内不同区域，而且区域间颅骨厚度、密度、毛发密度等都存在显著差异，为了保证采集到的是脑组织血氧饱和度，本发明根据对人群头部组织特性和光学特性的分析，设计不同脑区脑血氧饱和度的采集方式与计算模型。比如额头和其他有头发的区域将采用不同的光电转换器件，由于额头检测到的光强可以达到uW级别，适宜应用一般光电二极管进行检测即可满足，而在有头发的地方，由于光强更加微弱，适宜应用更加敏感的雪崩光电二极管进行检测，最终保证采集的精度。
D.在本发明中，可以同步实现八个脑区的脑血氧饱和度采集，在得到八个脑区脑血氧饱和度之后，通过中央处理单元II可以进行脑区脑氧差异的计算。例如可以计算左侧枕叶与右侧枕叶脑氧差异，也可以计算左侧顶叶与左侧颞叶脑氧的差异。脑区差异的结果能够实时呈现，方便医护人员及时了解脑区血氧差异，获取全脑脑血氧的准确数据，更有利于医护人员对患者病情的准确判断。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明所提供的多脑区脑血氧采集示意图；
图2是本发明所提供的探头平面示意图；
图3是本发明所提供的硅胶帽顶视图；
图4是本发明所提供的采集器主要功能示意图；
图5是本发明所提供的远端控制器功能示意图；
图6是本发明所提供的中央处理单元II的数据处理组成框图；
图7是本发明所提供的多脑区脑血氧检测方法流程图。
图中标识如下：
1-采集器
2-探头
21-前额叶脑区探头
211-右侧前额叶脑区探头，212-左侧前额叶脑区探头
22-枕叶脑区探头
221-右侧枕叶脑区探头，222-左侧枕叶脑区探头
23-顶叶脑区探头
231-右侧顶叶脑区探头，232-左侧顶叶脑区探头
24-颞叶脑区探头
241-右侧颞叶脑区探头，242-左侧颞叶脑区探头3-远端控制器；4-硅胶帽；5-头部。
A-发光点；B-收光点；C-定位点。
具体实施方式
下面将结合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。
如图1和图2所示，本发明提供了多脑区脑血氧采集的检测系统，包含采集器1与多个探头2，形成图1所示的组合方式，在检测时，使各探头分别与待检测脑区相贴附。探头2数量可以更少或多，典型的可以采用八个探头，排布可以覆盖脑部八个脑区(如图1中虚线位置所示)，包括头部5左右侧的枕叶、顶叶、颞叶和额叶，在前额叶脑区21位置分别设有右侧前额叶脑区探头211和左侧前额叶脑区探头212，在枕叶脑区位置分别设有右侧枕叶脑区探头221和左侧枕叶脑区探头222，在顶叶脑区位置分别设有右侧顶叶脑区探头231和左侧顶叶脑区探头232，在颞叶脑区位置分别设有右侧颞叶脑区探头241和左侧颞叶脑区探头242。各探头2与采集器1之间通过有线连接的方式进行通信。线缆可以是电线或者光纤。本发明以光纤通信为例，采集器1将光发射到耦合的光纤里，光通过光纤后到达探头2的发光点A，并最终入射到患者头部5。由于入射的红光和红外光有一定的穿透能力，能够透过头皮、颅骨、脑脊液等组织，最终到达脑组织。从脑组织反射回来的光，以相反的顺序依次穿过脑脊液、颅骨、头皮后到达探头2。探头2中接收光的收光点B接收到从头皮出射的光后，再通过光纤将出射的光最终传递到采集器1里的光电转换器件(即光敏器件)上。如果光电转换器件是设计在探头2里，则能够在探头完成光电转化，探头2与采集器1之间就只需要通过电缆连接通信即可，采集器可以控制各探头的发光和收光，并对采集到的脑区血氧信息进行处理，可以同时实现对所需多个脑区的血氧信息的采集。
采集器1采集到各脑区的血氧信息后，需要进一步对各脑区中的血氧饱和度进行计算，本发明在系统中设置了远端控制器3，如图4和图5所示，采集器1和远端控制器3中分别设有无线通信模块和/或有线通信模块，远端控制器3中还设有中央处理单元II和用户交互单元，用户交互单元用于对各探头2进行用户指令输入，并传输至中央处理单元II，对各探头进行远端收发控制；采集器所采集到的各探头的脑区血氧信息通过无线或有线方式发送到远端控制器，中央处理单元II对所接收的各脑区血氧信息进行数据处理与计算，得到各个所述探头对应脑区的脑血氧饱和度数据，用户交互单元显示中央处理单元II对各脑区的脑血氧饱和度的计算数据。具体地，用户交互单元所显示的脑血氧饱和度数据包括各个脑区的脑氧趋势线、脑氧饱和度数值、脑区间脑氧差异数值、相对于基线的变化数值和基线下的面积。
中央处理单元II中设置了如下计算模块，如图6所示：
数据整理模块，用于对各脑区血氧信息进行数据分拆、通道数据整理，汇总成各探头收光点的数据；
生理噪声滤波算法模块，其用于滤除心跳、呼吸和脉搏等生理噪声。
异常数据处理算法模块，其用于剔除数据中由于干扰、意外跳变等造成的异常数据；
脑血氧饱和度解算算法模块，其用于计算各个脑区的脑组织血氧饱和度。
由于要采集多个脑区的血氧信息，要进行多路光的发射与接收。为了减少多路通道中的相互串扰，多路光之间可以通过时分复用或者频分复用的方式进行隔离。另外，由于头部组织分布不均匀，例如头发的分布、颅骨的厚薄等，会导致在采集光时接收到的光能量差别巨大。为了能够使用不同光信号的采集，在不同位置采用不同的光敏器件。例如在额头部位，可以采用一般光电二极管进行光信号采集与转化。在头发覆盖区域，由于头发对于光的吸收非常强，导致检测到的光信号非常微弱，则需要通过雪崩光电二极管等高灵敏器件进行信号采集。针对微弱光信号采集，本发明还可以采用正交解调的方式，即对于入射的光进行特定频率的载波编码，检测到出射光之后通过正交解调该频率，实现微弱光信号的提取。
本发明为了更准确对有头发覆盖脑区的检测，进一步提高输出光功率，增强对头发覆盖脑区的照射，对发射光进行增益调节，使得输出的光瞬时功率增强，从而提高光的穿透力，最终从头皮出射的光功率就可以提高。不同脑区对应的头部浅层组织、毛发密度都是不同的，所以多路光输出增益调节不能简单设置一致。本发明可以采用人工或自适应或两者结合的方式进行多路增益设定。如图4所示，本发明在采集器1的中央处理单元I中设有多路光驱动模块和发射光增益调节模块，其分别接收远端控制器中用户输入的发光驱动信号及发射光增益信号，控制各探头输出瞬时光强在0.1mW～50mW，使光电转换单元进行光电转换后输出电信号为450～550mV。
如图4所示，采集器1中还设有多组光电转换单元、多组收发控制单元、中央处理单元I及输入与显示单元，每组光电转换单元与每组收发控制单元一一对应连接，比如本发明在检测8个脑区时，共设计8个探头，同时每个探头连接一组光电转换单元和一组收发控制单元，8组光电转换单元分别与8个脑区探头一一对应连接，中央处理单元I与8组收发控制单元对应连接，用于汇总8个探头的收光点数据，并进行初步的数据预处理，通过有线通信模块或无线通信模块发送给远端控制器。采集器上集成的输入与显示单元主要是完成基本功能输入，例如采集器实现重启、复位等功能。采集器上的显示单元能够显示采集状态、各个探头的工作状态以及电量情况。由于主要的采集器配置、数据处理与显示不在采集器上完成，因此采集器上的输入与显示单元都比较简单，例如通过按键与显示屏即可实现。
采集器在本系统中主要功能包括多路光驱动、多路光接收与光电转化、微弱信号放大、模数转换、数据预处理、数据发射、电源管理等。这些功能通过对应的硬件单元实现，所有硬件均为现有技术，可以从市场上采购到。
如图7所示的无线多脑区脑血氧穿戴式检测方法，将多个探头对应贴附在所划分的各功能脑区位置；分别驱动并控制各个探头向对应脑区发射的探测光；各探头同时接收各功能脑区位置的出射检测光，采集各脑区脑血氧信号；对采集到的各脑区脑血氧信号进行处理后，得到各脑区的脑血氧采集信息。这里可以通过对各脑区的同步检测，得到需要的各脑区脑血氧采集信息，利用这些脑血氧采集信息可以进行后续的计算处理，得到脑血氧饱和度值。这里所划分的各功能脑区为脑部具有认知、运动、听觉和视觉的主要功能区域。
本发明将采集到的各脑区脑血氧信息进行远程数据处理与计算，比如，通过有线或无线传输方式将所采集到的脑血氧采集信息发送至远端控制器，通过远端控制器中的中央处理单元II进行数据计算，得到并对外显示各探头对应脑区的脑血氧饱和度数值，也可以显示各脑区脑血氧饱和度的差异值。
下面，本发明以光敏器件集成在采集器1中为例，结合图4进行详细如下说明：
探头主要负责光的发射与接收，当采集器接收到远端控制器对多脑区脑血氧信号的采集命令后，中央处理单元I会接收到用户发来的采集通路、增益设计等指令，将这些信息处理后，中央处理单元I将指令翻译后发送到各个探头对应的收发控制单元。如果是8个探头的话，对应的是8个收发控制单元。在各收发控制单元中，发射光控制功能将实现该光路的发射功能，并进行光功率设置，然后根据时分复用或者频分复用的模式进行发光驱动信号设置。收发控制单元将光源驱动信号输出到光电转化单元，在光电转化单元中，对应到光源的功能是根据驱动信号进行光电转换和光信号发射。光信号产生后通过光纤输入到探头的发光点。发光点将光再发射到头部。
从头部出射的光首先是通过探头的收光点接收，然后通过光纤发射到探头对应的光电转换单元。在光电转换单元中有对应于采集到的光信号的光电转换器件，将接收到的光信号转换为电信号。通常这样的电信号非常微弱，所以在光电转换单元中包含有微弱电信号放大的器件，能够将电信号放大到合适的幅值，方便下一步处理。当光电转换单元处理好信号后会将电信号发送到对应的收发控制单元。在收发控制单元中，针对这个探头采集到的转换后的电信号进行模拟到数字的转换，转换时会根据要求进行初步处理，然后再将数字信号发送到中央处理单元I。
在中央处理单元I，将集中各个通道的数字信号。由于每个探头需要两个收光点，也就是每个探头会有两个接收到的光数据。如果是8个探头，中央处理单元I将汇总16个收光点的数据。中央处理单元I进行初步的数据预处理，包括异常数据检测与矫正、滑动窗滤波、数据包整理等，完成相关处理后，中央处理单元I将数据包通过以有线或者无线通信模块发送到远端控制器。这里的无线通信方式可以通过任意一种无线通信实现，例如WIFI、蓝牙等。
为了保证多脑区脑血氧检测与系统的可穿戴特性，可以将系统(包括探头和采集器)与远端终端无线连接起来。采用无线通信，采集器上集成电池组和电源管理单元，如图4所示，同时具备电源接口。电源管理单元能够及时检测电池组电量，在电池组电量不足时进行提醒，同时在接入外接电源时能够进行设备供电和电池组充电。
采用无线通信方式相对于有线通信方式来说，无线通信方式比较容易受到外界电磁信号的干扰，也容易受到空间障碍物的影响，会导致数据不能实时发送到远端控制器中。为了保证数据不会丢失，在采集器中也集成了临时存储单元，可以进行临时数据的存储。该存储器可以是FLASH、EEPROM等数字存储芯片，也可以是U盘、SD卡等存储器。
其中的远端控制器功能组成如图5所示，当光信号经过光电转换、信号放大、模数转换、信号整理、数据打包，再通过有线或无线通信方式发送到远端控制器时，远端控制器会实时接收到数据包。远端控制器中与本发明密切相关的主要功能如图5所示。远端控制器可以是任何具备相应通信接口的智能设备，例如智能手机、智能平板或电脑等。在接收到数据包后，远端控制器内的中央处理单元II会进行数据分拆、通道数据整理，汇总成各个收光点的数据。然后中央处理单元II会启动内部相关的算法模块针对输入的数据进行处理，在算法模块中包括有生理噪声滤波算法模块、异常数据处理算法模块、脑血氧饱和度解算算法模块，通过上述处理后得到了各个探头对应脑区的脑血氧饱和度数据，这些数据可以通过用户交互单元的触摸屏进行显示。显示方式可以有多种，例如各个脑区的脑氧趋势线、脑氧饱和度数值、脑区间脑氧差异数值、相对于基线的变化数值、基线下的面积(相对基线数值乘以时间)等。
血氧数据在显示的同时也会不断存储到数据库中。本发明在远端控制器中设有数据库，当然，该数据库也可以建立在云端，再通过无线方式发送到远端控制器后，便于多个数据显示终端从云端数据库进行数据读取与显示。云端数据库能够进行多人数据的同时读写，从而保证无线多脑区脑血氧检测能够实现多人监测的功能。
在远程控制器上还可以设有输入接口，可以通过如触摸屏、配置文件上传等方式将用户指令进行输入。用户可以输入的信息包括但不限于患者信息、探头配置、增益配置、数据上传方式、显示方式等。在用户交互单元中还具有显示接口，可以通过触摸屏、显示屏、显示接口(VGA、HDMI等)进行数据显示。
远程控制器中的各功能可以通过指令集、独立软件、小程序等方式进行运行。这些方式可以由远程控制器的性能决定。如果是一个智能终端，如安卓手机，则可以独立开发为一个apk程序包，用户直接安装该程序包后就可以独立进行控制、显示等的交互。如果是触摸屏，那用户输入与显示的方式则可以更加灵活。
如图2和图3所示，其中探头2和采集器1设置于一硅胶帽4中，在探头2上设有发光点A和两个收光点B，且在探头2的两端分别设有定位点C，定位点C与硅胶帽4上的卡位点形成卡接固定，各探头的固定需要考虑各脑区的位置。由于探头要保证发光点、收光点能够贴附到头皮，就需要探头尽可能的接近头皮。本发明优选将探头固定在硅胶帽中，将探头通过定位点固定到硅胶帽内，最后通过硅胶帽的拉力将所有探头都贴附头皮。也可以在探头间通过定位点之间弹性线缆连接的方式，使得探头也能贴近头皮。
下面是有关脑血氧饱和度及相关数值的计算如下：
当近红外波段的光照射通过颅骨时，光子在颅内沿多种路径弥散，一部分光分别被不同层的组织比如颅骨，头皮以及大脑所吸收，而剩下的光子则沿着所谓“香蕉”模型在脑组织中散射。借助适当的光学设备，我们可以检测到经过脑组织吸收和散射的近红外光。分析这一出射光光谱发现脑组织中对近红外光的主要吸收来自于脱氧血红蛋白以及含氧血红蛋白。大脑组织中血红蛋白的变化可以通过朗伯特-比尔定律解释，公式如下：
Figure BDA0004031731070000191
当近红外光源和探测器保留一定间距且固定时，探测器接收经过脑组织、脑脊液、颅骨和头皮后出射的光子。部分光子在脑组织中散射和吸收，光源和探测器间光的衰减由(1)式描述，其中Iin是入射光，Iout是检测光，ODλ是波长为λ的光子密度，可以定义为光强的衰减。这种衰减是波长为λ的光的吸收Aλ和散射Sλ的叠加。
Figure BDA0004031731070000201
由于颅内含氧血红蛋白(HbO2)和脱氧血红蛋白(Hb)是近红外光的主要吸收物质。因此，光的吸收可以定义为：
Aλ＝∑iξiλCiLλ (3)
其中，i代表的是含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白；ξiλ是含氧或脱氧血红蛋白对特定波长λ近红外光的消光系数,Ci是含氧或脱氧血红蛋白的浓度，Lλ是波长为λ的光在组织中弥散路径长度。散射时将光路长度差别系数假设为一定值，两个光路即可生成光密度ODλ的差值，例如探头中两个收光点数据进行相减，即可抵消掉Sλ的影响，那么光密度差就可以表示为：
Figure BDA0004031731070000202
即可消除散射的影响。含氧或脱氧血红蛋白的浓度如下计算：
Figure BDA0004031731070000203
由于吸收系数矩阵E是已知的，根据多个脑区对应的头部组织特性的差异，以及头部的脑区个性化建模，能够给出更加准确的参数数值。在测得ΔODλ后即可得到列向量
Figure BDA0004031731070000204
最终通过多个波长的光入射后，可以得到/>
Figure BDA0004031731070000208
的列向量。由于测量过程的误差，使得公式(5)不一定可以直接求逆矩阵后得到。可以采用最小二乘法、压缩感知等方法求解得到近似解。这样就能将检测到的近红外光强变化信号转换成为大脑活动血氧变化即血红蛋白浓度变化。最终脑血氧饱和度可以通过公式(6)得到，如下：
Figure BDA0004031731070000205
公式(6)表明，脑组织血氧饱和度就是脑组织中含氧血红蛋白
Figure BDA0004031731070000206
占总血红蛋白
Figure BDA0004031731070000207
的比值。
在得到多个脑区的脑血氧饱和度数值之后，就可以进行脑血氧饱和度之间的比较，也可以计算AUC(Area Under Curve)等的计算。
脑血氧饱和度相对于基线的偏差量为:
BrSO2＝rSO2-BL (7)
BL表示脑血氧饱和度的基线，可以通过手动设定基线或者取某段时间平均值作为基线。
脑区之间脑血氧饱和度的差异量为：
Figure BDA0004031731070000211
Figure BDA0004031731070000212
和/>
Figure BDA0004031731070000213
分别代表两个脑区的脑血氧饱和度，通过相减得到他们的差值。
脑血氧饱和度的AUC数值的计算方法如下：
Figure BDA0004031731070000214
其中j＝0代表BrSO2＝0的时刻，n代表从BrSO2＝0开始的第n分钟。
在中央处理单元II中依据上述各个算法公式即可得到各脑区脑血氧饱和度数值及差异数值，本发明通过将多脑区穿戴式脑血氧检测系统与无线通信结合，真正形成无线穿戴式脑氧检测系统。本系统将完全摆脱线缆的束缚，拓宽脑血氧检测应用场景，也能够在临床特定任务脑血氧检测时发挥重要作用。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (30)

1.一种脑血氧穿戴式检测系统，其特征在于，包括：
采集器(1)和与头部待检测脑区相贴附的探头(2)，所述探头(2)与所述采集器(1)之间通过线缆进行通信，所述探头(2)包括用于覆盖脑部左侧的枕叶脑区探头(221)、左侧的顶叶脑区探头(231)、左侧的颞叶脑区探头(241)、右侧的枕叶脑区探头(222)、右侧的顶叶脑区探头(232)、右侧的颞叶脑区探头(242)中的任一脑区探头或几个脑区探头的组合，所述探头(2)与所述采集器(1)通过线缆连接，所述探头(2)用于光的发射与接收，所述探头(2)接收到的光用于得到对应脑区的脑血氧采集信息。
2.根据权利要求1所述的脑血氧穿戴式检测系统，其特征在于，所述采集器(1)用于控制各所述探头(2)的收发光，并对各所述探头(2)所采集到的脑区血氧信号进行处理，得到各脑区的脑血氧采集信息。
3.根据权利要求2所述的脑血氧穿戴式检测系统，其特征在于，所述采集器用于对采集到的脑区血氧信号进行异常数据监测与矫正、滑动窗滤波或数据包整理。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的脑血氧穿戴式检测系统，其特征在于，所述探头还包括覆盖脑部左侧的前额叶脑区探头(211)和/或覆盖脑部右侧前额叶脑区探头(212)。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的脑血氧穿戴式检测系统，其特征在于，
所述探头包括光电转换器件，所述探头和所述采集器之间通过电缆连接，所述电缆用于将所述采集器的控制信号传输至所述探头，并将所述探头采集的脑区血氧信号传输至所述采集器；
或者，
所述采集器包括光电转换器件，所述探头和所述采集器之间通过光纤连接，所述光纤用于将所述采集器发射的光传输至所述探头，并将所述探头采集的光信号传输至所述采集器。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的脑血氧穿戴式检测系统，其特征在于，所述采集器用于控制各所述探头发射光信号，并根据采集到的出射检测光经过光电转换后输出电信号对所述发射光信号自动进行增益调节使各所述探头输出瞬时光强在0.1mW～50mW，使所述光电转换单元进行光电转换后输出电信号为450～550mV。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的脑血氧穿戴式检测系统，其特征在于，所述系统还设有一远端控制器(3)，所述采集器(1)和远端控制器(3)中分别设有无线通信模块和/或有线通信模块，所述远端控制器(3)中还设有中央处理单元II和用户交互单元，所述用户交互单元用于对各所述探头(2)进行用户指令输入，并传输至所述中央处理单元II，对各所述探头进行远端收发控制；所述采集器所采集到的各所述探头的脑区血氧信息通过无线或有线方式发送到所述远端控制器，所述中央处理单元II对所接收的各脑区血氧信息进行数据处理与计算，得到各个所述探头对应脑区的脑血氧饱和度数据，所述用户交互单元显示所述中央处理单元II对各脑区的脑血氧饱和度的计算数据。
8.根据权利要求7所述的脑血氧穿戴式检测系统，其特征在于，所述用户交互单元所显示的脑血氧饱和度数据包括各个脑区的脑氧趋势线、脑氧饱和度数值、脑区间脑氧差异数值、相对于基线的变化数值和基线下的面积。
9.根据权利要求8所述的脑血氧穿戴式检测系统，其特征在于，所述中央处理单元II针对所接收到的各脑区血氧信息进行数据处理与计算，其包括：
数据整理模块，用于对各脑区血氧信息进行数据分拆、通道数据整理，汇总成各所述探头收光点的数据；
生理噪声滤波算法模块，其用于滤除心跳、呼吸和脉搏等生理噪声；
异常数据处理算法模块，其用于剔除数据中由于干扰、意外跳变等造成的异常数据；
脑血氧饱和度解算算法模块，其用于计算各个脑区的脑组织血氧饱和度。
10.根据权利要求1-3中任一项所述的脑血氧穿戴式检测系统，其特征在于，各所述探头(2)和采集器(1)设置于一硅胶帽(4)中，所述探头(2)上设有发光点(A)和两个收光点(B)，且在所述探头(2)的两端分别设有定位点(C)，所述定位点(C)与所述硅胶帽(4)上的卡位点形成卡接固定。
11.根据权利要求10所述的脑血氧穿戴式检测系统，其特征在于，多个所述探头的定位点之间设置有弹性线缆连接件。
12.根据权利要求7所述的脑血氧穿戴式检测系统，其特征在于，所述采集器(1)中设有多组光电转换单元、多组收发控制单元、中央处理单元I及输入与显示单元，每组所述光电转换单元与每组收发控制单元一一对应连接，所述光电转换单元与所述探头一一对应连接，所述中央处理单元I与各组所述收发控制单元对应连接，用于汇总各所述探头的收光点数据，并进行初步的数据预处理，通过有线通信模块或无线通信模块发送给所述远端控制器；所述输入与显示单元用于显示采集状态、各个探头的工作状态以及电量情况。
13.根据权利要求12所述的脑血氧穿戴式检测系统，其特征在于，与所述前额叶脑区探头(21)对应连接的所述光电转换单元中的光电转换器件为PIN型光电二极管；与枕叶脑区探头(22)、顶叶脑区探头(23)、颞叶脑区探头(24)对应连接的所述光电转换单元中的光电转换器件为雪崩光电二极管。
14.根据权利要求13所述的脑血氧穿戴式检测系统，其特征在于，所述采集器(1)内还设有临时存储单元，其与所述中央处理单元I连接，用于存储所述中央处理单元I中的数据。
15.根据权利要求14所述的脑血氧穿戴式检测系统，其特征在于，所述中央处理单元I中设有多路光驱动模块和发射光增益调节模块，其分别接收所述远端控制器中用户输入的发光驱动信号及发射光增益信号，控制各所述探头输出瞬时光强在0.1mW～50mW，使所述光电转换单元进行光电转换后输出电信号为450～550mV。
16.根据权利要求15所述的脑血氧穿戴式检测系统，其特征在于，所述远端控制器根据时分复用或者频分复用的模式对各所述探头对应的多路光驱动模块进行发光驱动信号设置。
17.根据权利要求7所述的脑血氧穿戴式检测系统，其特征在于，所述远端控制器中还设有与所述中央处理单元II连接的数据库，用于存储血氧数据。
18.根据权利要求7所述的脑血氧穿戴式检测系统，其特征在于，所述系统中还设有云端数据库，所述云端数据库与所述远端控制器通过无线方式实现数据通信，用于存储血氧数据，且所述云端数据库与多个远程终端以无线方式连接。
19.根据权利要求7所述的脑血氧穿戴式检测系统，其特征在于，所述系统中还包括云端数据库，所述云端数据库通过无线方式与所述远端控制器通信，用于同时进行对多人脑血氧数据的读和写。
20.根据权利要求7所述的脑血氧穿戴式检测系统，其特征在于，所述远端控制器上还设置有用于用户指令输入的输入接口和用于数据显示的显示接口。
21.根据权利要求7所述的脑血氧穿戴式检测系统，其特征在于，所述探头(2)包括以下四组探头中的至少一组探头：
用于覆盖脑部左侧和右侧的额叶脑区探头(21)；
用于覆盖脑部左侧和右侧的枕叶脑区探头(22)；
用于覆盖脑部左侧和右侧的顶叶脑区探头(23)；
用于覆盖脑部左侧和右侧的颞叶脑区探头(24)；
所述远端控制器用于计算和/或显示所述至少一组探头对应的至少一组左右侧脑区的脑血氧差异。
22.一种无线多脑区脑血氧穿戴式检测方法，其特征在于，将至少一个探头对应贴附在所划分的各功能脑区位置；分别驱动并控制各个探头向对应脑区发射的探测光；各探头接收各功能脑区位置的出射检测光，采集各脑区血氧信号；对采集到的各脑区血氧信号进行处理后，得到各脑区的脑血氧采集信息。
23.根据权利要求22所述的无线多脑区脑血氧穿戴式检测方法，其特征在于，所划分的各功能脑区为脑部具有认知、运动、听觉和视觉的主要功能区域。
24.根据权利要求22或23所述的无线多脑区脑血氧穿戴式检测方法，其特征在于，所述方法还包括，将采集到的各脑区血氧信息进行远程数据处理与计算，得到并对外显示各探头对应脑区的脑血氧饱和度数值。
25.根据权利要求24所述的无线多脑区脑血氧穿戴式检测方法，其特征在于，将各脑区的脑血氧饱和度数值传输至云端数据库，采用远程终端从云端数据库下载并显示患者各脑区对应的脑血氧饱和度数值。
26.根据权利要求22或23所述的无线多脑区脑血氧穿戴式检测方法，其特征在于，通过对不同脑区的探头发射光进行多路增益调节处理，控制各探头输出瞬时光强在0.1mW～50mW，使出射检测光经光电转换后的输出电信号在450～550mV。
27.根据权利要求26所述的无线多脑区脑血氧穿戴式检测方法，其特征在于，根据时分复用或者频分复用的模式对各探头进行发光驱动信号设置，将各个脑区的出射光光路隔离。
28.根据权利要求22或23所述的无线多脑区脑血氧穿戴式检测方法，其特征在于，通过正交解调方法对头发区域的脑区血氧信号进行采集：对各探头的入射探测光进行特定频率的载波编码，探头检测到出射检测光之后再通过正交解调该频率，提取出射检测光的光信号。
29.根据权利要求22或23所述的无线多脑区脑血氧穿戴式检测方法，其特征在于，对采集到的各脑区血氧信号进行处理，具体包括：脑血氧光信号的异常数据检测与矫正、滑动窗滤波和数据包整理，经对脑血氧光信号进行光电转换、信号放大、模数转换、信号整理和数据打包处理，得到各脑区的脑血氧采集信息。
30.根据权利要求22或23所述的无线多脑区脑血氧穿戴式检测方法，其特征在于，对采集到的各脑区血氧信号进行处理，包括计算和/或显示对称的左右额叶脑区、枕叶脑区、顶叶脑区和颞叶脑区四组左右侧脑区中的至少一组左右侧脑区的脑血氧差异。
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