CN216394070U - 工作记忆头皮脑电图与功能性近红外光谱同步采集装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种工作记忆头皮脑电图与功能性近红外光谱同步采集装置，固定部件上设有开口，供电极底座、光极底座的安装；电极安插在电极底座中，用于采集工作记忆任务中脑电信号，电极通过导线依次与电信号处理设备、脑电信号接收端相连接；光极安插在光极底座中，用于采集工作记忆任务中脑血氧信号，光极通过导线依次与光信号处理设备、近红外信号接收端相连接。本实用新型可实现工作记忆任务的全脑/前额头皮脑电图与前额功能性近红外光谱同步采集，为研究工作记忆神经电活动、血氧活动机制提供硬件支持，为脑功能认知研究注入新的动力。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种工作记忆头皮脑电图与功能性近红外光谱同步采集装置，能够用于脑认知和脑功能状态分析相关研究。
背景技术
头皮脑电图(Electroencephalography，EEG)是通过电极、放大器、计算机等电子器械，在被试人头皮上，记录因脑皮层中神经细胞放电引起的自发性生物电位的技术。它可以动态地反应出人脑中神经细胞对于外界信息刺激的宏观变化。头皮脑电图具有时间分辨率高、非侵入式等优势，然而其信噪比低、易受肌电等伪迹干扰、脑区定位不准确等特点限制了头皮脑电在脑认知与脑活动分析中的应用。
功能性近红外光谱(functional near-infrared spectroscopy，fNIRS)是近年来应用广泛的一种光学脑成像技术，它利用大脑血液中氧合血红蛋白(HbO)和脱氧血红蛋白(HbR)对 650-950nm近红外波段的反射性，根据改进的朗伯-比尔定律，测量计算头皮下2-3厘米处皮层的HbO与HbR浓度变化，并以此推断大脑在信息处理等活动时的工作强度。功能性近红外光谱相比于头皮脑电图的主要优势是，可以通过血氧浓度变化更直接地反应脑活动、无需使用湿式电极导电膏、不易受伪迹干扰对被试约束少，体积小可与其他设备同时使用。它的劣势在于信号时间分辨率低、检测信号滞后于实际神经活动。故此，来自美国塔夫兹大学的 Leanne等人在2009年提出，将头皮脑电图与功能性近红外光谱相结合，观测被试人在信息处理任务时的工作负荷，并论证了联合采集的优势。
我国现有的发明专利及实用新型专利中，CN106037667 A，提出了一种脑电和近红外光谱联合采集脑信号的头盔，其在近红外探头夹持器底座上放置了可用于脑电信号采集的电极，可以稳定地同步采集近红外与脑电信号，然而受制于夹持器较大的尺寸，该采集装置较难实现电极与光极的灵活布局。CN 204863182 U，设计了一种可适配于美国Neuroscan公司脑电采集系统和日立公司ETG-4000的脑电与近红外信号同步采集装置，可同步记录被试者运动- 感觉皮层的脑活动信号，装置可用于运动想象任务。CN 108042131 A，公开了一种可灵活应用于日常佩戴场景的脑电-近红外联合采集便携遮阳帽，该设计充分考虑了被试者长时间佩戴的舒适程度，并设计了排气孔和收纳机构。现有的专利中，缺乏一种专门为工作记忆任务设计的头皮脑电图-功能近红外光谱联合采集设备。
发明内容
本实用新型的目的在于补全现有的技术短板，提供一种专用于工作记忆认知任务的头皮脑电图和功能性近红外光谱脑信号联合采集装置，装置结构合理，能实现被试者在工作记忆任务环境下，头皮脑电图和功能性近红外光谱的联合采集，并设置多种电极、光极排布，可满足不同研究的需求。
本实用新型技术方案是：
工作记忆头皮脑电图与功能性近红外光谱同步采集装置，包括固定部件、光极、电极、光信号处理设备、电信号处理设备、光信号接收端、电信号接收端、脑电供电设备、近红外供电设备、刺激呈现电脑、刺激呈现显示屏；所述固定部件上设有开口，供电极底座、光极底座的安装；
电极安插在电极底座中，用于采集工作记忆任务中脑电信号，电极通过导线依次与电信号处理设备、脑电信号接收端相连接，经由电信号处理设备处理后的信号传输入脑电信号接收端；电信号处理设备和脑电信号接收端由头皮脑电供电设备供电；
光极安插在光极底座中，用于采集工作记忆任务中脑血氧信号，光极通过导线依次与光信号处理设备、光信号接收端相连接，经由光信号处理设备处理后的信号传输入光信号接收端，光信号处理设备和光信号接收端由功能性近红外光谱供电设备供电。
所述的固定部件包括头帽，所述头帽包括三十三个电极，其中一个为接地电极，还包括十六个光极，同步采集三十二通道脑电信号和二十通道功能性近红外光谱信号。
所述的固定部件包括第一系带，所述第一系带包括九个电极，其中一个为接地电极，还包括八个光极，同步采集八通道脑电信号和八通道功能性近红外光谱信号。
所述的电信号处理设备可以选用美国Neurosn公司的脑电采集系统，或者选用德国ANT 公司EEGO系列脑电采集系统。
所述的光信号处理设备可以选用日本岛津公司功能性近红外光谱采集系统或者日本日立公司功能性近红外光谱采集系统。
所述的固定部件还包括第二系带，所述第二系带包括十九个电极，其中一个为接地电极，还包括八个光极，同步采集十八通道脑电信号和八通道功能性近红外光谱信号。
所述的固定部件包括第三系带，所述第三系带包括七个电极，其中一个为接地电极，还包括十六个光极，同步采集六通道脑电信号和二十通道功能性近红外光谱信号。
所述的固定部件包括第四系带，所述第四系带包括二十一个电极，其中一个为接地电极，还包括十六个光极，同步采集二十通道脑电信号和二十通道功能性近红外光谱信号。
所述的电极为脑电湿电极，所述的脑电湿电极包括湿式脑电电极片，湿式脑电电极片为圆柱形片状电极，所述的电极底座为圆柱形电极底座，湿式脑电电极片与圆柱形电极底座相连接，圆柱形电极底座顶部与侧壁分别有两个小孔，供无针头注射器和脑电湿电极导线穿过。圆柱形电极底座有容纳导电膏的空腔。
所述的电极为脑电干式电极，脑电干式电极包括片状电极，所述的片状电极为矩形条状电极，电极底座为干式电极底座，片状电极与电极外壳通过片状电极弹簧相连接，电极外壳与干式电极底座通过螺纹连接。
所述的光极的套筒盖镶嵌在套筒顶端，套筒盖有圆形开孔供光纤穿过；套筒侧壁有螺纹与光极底座匹配，套筒底部有圆形开孔与光纤探头连接；光纤探头连接光纤，光纤探头的底部通过光纤探头弹簧安装在套筒盖上，顶部探出套筒。
所述的电极为银固体电极、氯化银粉末固体电极、碳纤维电极中任一种。
本实用新型的优点和积极效果在于，可实现工作记忆任务的全脑/前额头皮脑电图与前额功能性近红外光谱同步采集，为研究工作记忆神经电活动、血氧活动机制提供硬件支持，为脑功能认知研究注入新的动力。近红外光极探头连接底座与电极底座采用分离式设计，布局灵活，提供头帽、高低密度排布系带等多种光极、电极排布组合方式，可灵活应用于多种场景下的工作记忆任务实验。
附图说明
图1是本实用新型结构示意图；
图2是本实用新型实施例1的电极、光极位置示意图；
图3是本实用新型实施例2的电极、光极位置示意图；
图4是本实用新型实施例3的电极、光极位置示意图；
图5是本实用新型实施例4的电极、光极位置示意图；
图6是本实用新型实施例5的电极、光极位置示意图；
图7是本实用新型湿式电极示意图；
图8是本实用新型干式电极示意图；
图9是本实用新型光极及连接底座示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本实用新型做进一步详细说明。
本实用新型的整体结构如图1所示。被试者被要求保持上身正直，坐在距离刺激呈现显示屏8一米的椅子上。被试者被要求按照显示屏8上所展示的提示信息，完成n-Back、运算广度任务(OSPAN)、自定顺序指示任务(SOPT)等工作记忆相关实验，并根据实验室实际设备环境佩戴固定部件1。固定部件1上设有位置、尺寸固定的开口，可供电极底座13、光极底座14的安装。
电极11安插在电极底座13中，用于采集工作记忆任务中脑电信号，电极11通过导线依次与电信号处理设备3、脑电信号接收端6相连接，经由电信号处理设备3处理后的信号传输入脑电信号接收端6；电信号处理设备3和脑电信号接收端6由头皮脑电供电设备4供电；
光极10安插在光极底座14中，用于采集工作记忆任务中脑血氧信号，光极10通过导线依次与光信号处理设备2、光信号接收端7相连接，经由光信号处理设备2处理后的信号传输入光信号接收端7，光信号处理设备2和光信号接收端7由功能性近红外光谱供电设备5供电。
采集得到的脑电信号与功能性近红外光谱信号经预处理后，与刺激呈现电脑9中记录的刺激呈现时间标记点相匹配，进行信号分析。
光极10包括发射光极10a和接收光极10b。
所述的固定部件1包括头帽或者各种系带。根据固定部件1中电极11、光极10分布的不同，提供以下五种实施例。头帽具有可放置电极、光极数目多，位置相对固定等优势；系带端部设有系带绳12，系带具有布局灵活，实验准备方便等优势。实验者可根据不同的实验室设备、实验要求等情况酌情选用。
实施例1
图2所示，采用头帽1a作为头皮脑电与功能性近红外光谱信号采集装置。图2中所示的圆圈中包含英文字母加数字标记的为脑电电极，按照10-20系统在含有氨纶成分且带有弹性的头帽1a上布置。所应用的英文字母中，字母F、T、P、O分别代表额叶、颞叶、顶叶、枕叶区，表示电极11对应被试头部的解剖学定位。光极10排布按照发射光极10a-接收光极10b相邻交替排布的规则排布在额叶区FP1、FP2、F7、F8、FT7、FT8电极两侧，相邻发射光极 10a与接收光极10b间距离为3cm。此排布可以观测额叶、额极、前扣带回、额顶叶岛盖等与工作记忆、信息处理任务紧密相关的重要脑区血氧变化，进而反应工作记忆中的脑活动。本实施例由三十三个电极11(包含一个接地电极)和十六个光极(八个发射光极10a，八个接收光极10b)构成，可同步采集三十二通道脑电信号和二十通道功能性近红外光谱信号。
实施例2
如图3所示，采用第一系带1b作为头皮脑电与功能性近红外光谱信号采集装置。四个接收光极10b分别放置于左、右两侧前额上下两沿；四个发射光极10a分别置于上下接收光极 10b连线中垂线上，左右两侧前额位置；相邻发射光极10a与接收光极10b间距离为3cm；八个电极11分别置于相邻发射光极10a、接收光极10b连线中点；一个接地电极放置于第一系带1b中点，左右额叶对称点处。此排布可以观测前额叶血氧变化，进而反应工作记忆中的脑活动。本实施例为低密度电极、低密度光极布局方案，适用于试验设备局限或对记录数据要求较低的实验场景，由九个电极11(包含一个接地电极)和八个光极10(四个发射光极 10a，四个接收电极10b)构成，可同步采集八通道脑电信号和八通道功能性近红外光谱信号。
实施例3
如图4所示，采用第二系带1c作为头皮脑电与功能性近红外光谱信号采集装置。四个接收光极10b分别放置于左、右两侧前额上下两沿；四个发射光极10a分别置于上下接收光极 10b连线中垂线上，左右两侧前额位置；相邻发射光极10a与接收光极10b间距离为3cm；八个电极11分别置于相邻发射光极10a、接收光极10b连线中点；八个电极11分别放置于左右两侧上下两沿，且相邻两个电极11间连线中点为一光极10；两个电极11分别置于左右两侧接收光极10b、发射光极10a连线交点处；一个接地电极放置于第一系带1b中点，左右额叶对称点处。此排布可以观测前额叶血氧变化，进而反应工作记忆中的脑活动。本实施例为高密度电极、低密度光极布局方案，适用于试验设备一般或对记录数据要求不高的实验场景，由十九个电极11(包含一个接地电极)和八个光极(四个发射光极10a，四个接收电极10b) 构成，可同步采集十八通道脑电信号和八通道功能性近红外光谱信号。
实施例4
如图5所示，采用第三系带1d作为头皮脑电与功能性近红外光谱信号采集装置。十六个光极10分别放置于左右两侧前额区，且发射光极10a、接收光极10b分别在第一系带1b上、下沿处交替排序；相邻发射光极10a与接收光极10b间距离为3cm；六个电极11分别放置于左右两侧，以每相邻的四个光极10为顶点构成的正方形区域中点位置；一个接地电极放置于第一系带1b中点，左右额叶对称点处。此排布可以观测额叶、额极、前扣带回、额顶叶岛盖等与工作记忆、信息处理任务紧密相关的重要脑区血氧变化，进而反应工作记忆中的脑活动。本实施例为低密度电极、高密度光极布局方案，适用于试验设备一般或对记录数据要求不高的实验场景，由七个电极11(包含一个接地电极)和十六个光极(八个发射光极10a，八个接收电极10b)构成，可同步采集六通道脑电信号和二十通道功能性近红外光谱信号。
实施例5
如图6所示，采用第四系带1e作为头皮脑电与功能性近红外光谱信号采集装置。十六个光极10分别放置于左右两侧前额区，且发射光极10a、接收光极10b分别在第一系带1b上、下沿处交替排序；相邻发射光极10a与接收光极10b间距离为3cm；二十个电极11分别放置于左右两侧相邻的发射光极10a、接收光极10b连线中点处；一个接地电极放置于第一系带1b中点，左右额叶对称点处。此排布可以观测额叶、额极、前扣带回、额顶叶岛盖等与工作记忆、信息处理任务紧密相关的重要脑区血氧变化，进而反应工作记忆中的脑活动。本实施例为高密度电极、高密度光极布局方案，适用于试验设备较好或对记录数据要求较高的实验场景，由二十一个电极11(包含一个接地电极)和十六个光极(八个发射光极10a，八个接收电极10b)构成，可同步采集二十通道脑电信号和二十通道功能性近红外光谱信号。
具体地，如图7所示，所述的电极11为脑电湿电极11a，脑电湿电极11a由湿式脑电电极片15、脑电湿电极导线16、圆柱形电极底座13a组成。湿式脑电电极片15呈圆环片状，镶嵌在圆柱形电极底座13a中，通过圆柱形电极底座13a侧壁的开孔与脑电湿电极导线16相连。圆柱形电极底座13a材质为含聚氯乙烯的软性胶皮材料，其外形呈低矮圆柱体，圆柱形电极底座13a上表面开有小孔，供实验者利用无针头注射器通过小控向空腔内部注射盐水或导电膏，圆柱形电极底座13a下方带有凹陷卡钳，可以插入固定部件1圆形开口处。
具体地，如图8所示，所述的电极11为脑电干式电极11b，脑电干式电极11b由电极与干式电极底座13b组成。电极包括片状电极17与电极外壳20，片状电极17为薄片状导电固体，其不与电极外壳20相连的底端可向外翻折，以增大片状电极17与被试者头皮的接触面积。片状电极17顶端与电极外壳20通过片状电极弹簧19相连，电极外壳20顶部留有小孔，可供与片状电极17相连的脑电干式电极导线18穿过；电极外壳20外侧壁有螺纹，与干式电极底座13b相螺纹连接。干式电极底座13b上部为带有螺纹的圆环状底座，下部为带有凹陷卡钳的圆环底座，可插入固定部件1圆形开口处。
具体地，如图9所示，光极10为功能性近红外光谱光极，包括光极探头与光极底座14。光极探头包括套筒23、套筒盖24、光纤探头弹簧25、光纤21和光纤探头22；套筒盖24镶嵌在套筒23顶端，有圆形开孔可供光纤21穿过；套筒23侧壁有螺纹与光极底座14匹配，套筒23底部有圆形开孔与光纤探头22螺纹连接；光纤探头22连接光纤21，光纤探头22底部与光纤探头弹簧25相连，顶部探出套筒23。光极底座14上部为带有螺纹的圆环状底座，与光极套筒23外身螺纹相螺纹连接，可以固定光极探头；光极底座14下部为带有凹陷卡钳的圆环底座，可插入固定部件1圆形开口处。
Claims (9)
1.工作记忆头皮脑电图与功能性近红外光谱同步采集装置，其特征在于：包括固定部件(1)、光极(10)、电极(11)、光信号处理设备(2)、电信号处理设备(3)、光信号接收端(7)、电信号接收端(6)、脑电供电设备(4)、近红外供电设备(5)、刺激呈现电脑(9)、刺激呈现显示屏(8)；所述固定部件(1)上设有开口，供电极底座(13)、光极底座(14)的安装；
电极(11)安插在电极底座(13)中，用于采集工作记忆任务中脑电信号，电极(11)通过导线依次与电信号处理设备(3)、脑电信号接收端(6)相连接，经由电信号处理设备(3)处理后的信号传输入脑电信号接收端(6)；电信号处理设备(3)和脑电信号接收端(6)由头皮脑电供电设备(4)供电；
光极(10)安插在光极底座(14)中，用于采集工作记忆任务中脑血氧信号，光极(10)通过导线依次与光信号处理设备(2)、光信号接收端(7)相连接，经由光信号处理设备(2)处理后的信号传输入光信号接收端(7)，光信号处理设备(2)和光信号接收端(7)由功能性近红外光谱供电设备(5)供电。
2.根据权利要求1所述的工作记忆头皮脑电图与功能性近红外光谱同步采集装置，其特征在于：所述的固定部件(1)包括头帽(1a)，所述头帽(1a)包括三十三个电极(11)，其中一个为接地电极，还包括十六个光极(10)，同步采集三十二通道脑电信号和二十通道功能性近红外光谱信号。
3.根据权利要求1所述的工作记忆头皮脑电图与功能性近红外光谱同步采集装置，其特征在于：所述的固定部件(1)包括第一系带(1b)所述第一系带(1b)包括九个电极(11)，其中一个为接地电极，还包括八个光极(10)，同步采集八通道脑电信号和八通道功能性近红外光谱信号。
4.根据权利要求1所述的工作记忆头皮脑电图与功能性近红外光谱同步采集装置，其特征在于：所述的固定部件(1)还包括第二系带(1c)，所述第二系带(1c)包括十九个电极(11)，其中一个为接地电极，还包括八个光极(10)，同步采集十八通道脑电信号和八通道功能性近红外光谱信号。
5.根据权利要求1所述的工作记忆头皮脑电图与功能性近红外光谱同步采集装置，其特征在于：所述的固定部件(1)包括第三系带(1d)，所述第三系带(1d)包括七个电极(11)，其中一个为接地电极，还包括十六个光极(10)，同步采集六通道脑电信号和二十通道功能性近红外光谱信号。
6.根据权利要求1所述的工作记忆头皮脑电图与功能性近红外光谱同步采集装置，其特征在于：所述的固定部件(1)包括第四系带(1e)，所述第四系带(1e)包括二十一个电极(11)，其中一个为接地电极，还包括十六个光极(10)，同步采集二十通道脑电信号和二十通道功能性近红外光谱信号。
7.根据权利要求1所述的工作记忆头皮脑电图与功能性近红外光谱同步采集装置，其特征在于：所述的电极(11)为脑电湿电极(11a)，所述的脑电湿电极(11a)包括湿式脑电电极片(15)，湿式脑电电极片(15)为圆柱形片状电极，所述的电极底座(13)为圆柱形电极底座(13a)，湿式脑电电极片(15)与圆柱形电极底座(13a)相连接，圆柱形电极底座(13a)顶部与侧壁分别有两个小孔，供无针头注射器和脑电湿电极导线(16)穿过。
8.根据权利要求1所述的工作记忆头皮脑电图与功能性近红外光谱同步采集装置，其特征在于：所述的电极(11)为脑电干式电极(11b)，脑电干式电极(11b)包括片状电极(17)，所述的片状电极(17)为矩形条状电极，电极底座(13)为干式电极底座(13b)，片状电极(17)与电极外壳(20)通过片状电极弹簧(19)相连接，电极外壳(20)与干式电极底座(13b)通过螺纹连接。
9.根据权利要求1所述的工作记忆头皮脑电图与功能性近红外光谱同步采集装置，其特征在于：所述的光极(10)的套筒盖(24)镶嵌在套筒(23)顶端，套筒盖(24)有圆形开孔供光纤(21)穿过；套筒(23)侧壁有螺纹与光极底座(14)匹配，套筒(23)底部有圆形开孔与光纤探头(22)连接；光纤探头(22)连接光纤(21)，光纤探头(22)的底部通过光纤探头弹簧(25)安装在套筒盖(24)上，顶部探出套筒(23)。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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