一种个性化定制的可穿戴脑血氧检测装置及方法与流程

本发明属于脑血氧监测，尤其涉及一种个性化定制的可穿戴脑血氧检测装置及方法。

背景技术：

1、功能性近红外光谱技术（functional near-infrared spectroscopy, fnirs）是目前脑血氧检测的常用手段。该技术通过发射特定波长的近红外光穿透头皮和颅骨，由探测器接收经脑组织散射后的光信号，利用修正的朗伯-比尔定律计算组织中氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度变化，进而获得脑血氧参数。

2、现有脑血氧检测设备通常采用弹力帽或头带等通用固定方式将光源和探测器模块佩戴于患者头部。然而，这种标准化佩戴方式存在以下技术缺陷：

3、1. 头围适应性差导致检测失效。弹力帽对不同头围患者的适配性不一致：头围过大时，模块难以贴合前额皮肤，近红外光无法有效穿透颅骨；头围过小时，模块位置偏离预设检测区域，导致光信号衰减严重，数据质量不可靠。

4、2. 穿戴位置重复性差导致信号不稳定。即使对同一患者，每次佩戴时的模块位置均存在偏差，无法精确定位至同一脑区。这使得不同时间点的监测数据缺乏可比性，无法有效利用历史数据进行纵向分析和病程追踪。

5、3. 空间配准问题未被解决。已有多波长光源方案解决了脑血氧检测中不同波长光信号的时间同步问题，但未能解决因佩戴位置不固定导致的空间不同步问题——即检测模块与前额叶功能区之间的相对位置每次均不一致，造成信号来源脑区的不确定性。

6、已有相关专利如“一种颅内多点位血氧检测与闭环超声刺激装置”（zl202210461374.8）涉及通过光纤束和陶瓷插芯实现颅内血氧检测，但其方案需要在颅骨上固定插芯，属于有创操作，且不涉及基于个体解剖特征的可穿戴检测装置的个性化定制。

技术实现思路

1、本发明旨在解决现有脑血氧检测装置及方法因采用通用固定方式导致检测位置不准确、不同测量间空间配准一致性差的技术问题，提供一种基于患者头部ct影像进行个性化定制、可精确定位前额叶功能区且具有良好穿戴重复性的可穿戴脑血氧检测装置及方法。

2、为解决上述技术问题，本发明的一种个性化定制的可穿戴脑血氧检测装置及方法的具体技术方案如下：

3、一种个性化定制的可穿戴脑血氧检测装置，包括：个性化前额定位块，所述定位块基于患者头部ct数据通过额骨三维重建和布尔运算获得，其内表面形状与患者额骨外表面形态相匹配；脑血氧检测模块，设置于所述个性化前额定位块上，所述检测模块在所述定位块上的排布位置根据患者前额叶功能区在所述定位块表面的投影位置确定；信号采集与处理单元，与所述检测模块电连接，用于采集并处理脑血氧信号；所述定位块上设置有与患者额部解剖标志相对应的定位结构，用于确保每次佩戴时所述定位块与额骨的相对位置一致。

4、进一步的，所述个性化前额定位块通过以下布尔运算步骤制备：

5、步骤1：获取患者头部ct数据，重建颅骨三维模型并提取额骨模型；

6、步骤2：创建所述额骨模型的副本，并将所述额骨副本沿法线方向向前偏移预设距离，获得膨胀额骨模型；

7、步骤3：创建第一胚体和第二胚体；

8、步骤4：以所述第一胚体为被减体、以所述额骨模型为减体进行布尔减运算，获得第一布尔模型；

9、步骤5：以所述第二胚体为被减体、以所述膨胀额骨模型为减体进行布尔减运算，获得第二布尔模型；

10、步骤6：以所述第一布尔模型为被减体、以所述第二布尔模型为减体进行布尔减运算，获得所述个性化前额定位块。

11、进一步的，所述脑血氧检测模块的数量为五个，排布方式为一个中心检测模块和四个环绕检测模块，四个所述环绕检测模块分布于所述中心检测模块的左上、右上、左下、右下方位。

12、进一步的，每个所述检测模块包括至少一个近红外光源和一个近红外光探测器，所述光源为双波长近红外发光器件，发射波长为650~750 nm和800~900 nm，所述探测器用于接收经脑组织散射后的光信号并将其转换为电信号。

13、进一步的，所述额部解剖标志包括眉弓和/或鼻根。

14、进一步的，所述个性化前额定位块采用医用级光固化树脂或尼龙材料通过3d打印制成。

15、本发明还公开了一种个性化定制的可穿戴脑血氧检测方法，包括以下步骤：

16、步骤1：获取患者头部ct影像数据，进行颅骨三维重建，提取额骨模型；

17、步骤2：基于所述额骨模型通过布尔运算生成个性化前额定位块，使所述定位块的内表面与患者额骨外表面形态相贴合；

18、步骤3：在ct影像上划定前额叶功能区，将所述功能区的位置映射至所述个性化前额定位块表面，在所得投影轮廓内确定若干功能区标记点，根据所述功能区标记点确定检测模块在所述定位块上的排布位置；

19、步骤4：将脑血氧检测模块按所确定的排布位置安装于所述个性化前额定位块上；

20、步骤5：将所述定位块佩戴于患者前额部，通过所述定位块上的解剖定位标志确保佩戴方位唯一且一致；步骤6：启动所述检测模块采集脑血氧信号，经信号采集与处理单元处理后输出脑血氧参数。

21、进一步的，所述额骨模型的提取基于以下解剖标志划定额骨边界：冠状缝、眶上缘及眼眶上壁、颞线、额嵴。

22、进一步的，所述功能区标记点按如下方法确定：

23、在ct软组织窗条件下，于横断面、冠状位、矢状位及三维重建影像中划定前额叶的解剖区间。手动标记符合以下影像学特征的区域作为目标检测区：

24、灰白质分界清晰；

25、脑实质密度均匀适中；

26、无低密度缺血灶、无高密度钙化点、无混杂异常密度影。

27、上述特征反映该区域神经兴奋性良好、功能活跃，属于适宜进行脑血氧检测的前额叶功能区，记为标记区域。

28、将标记区域从ct影像空间映射至个性化前额定位块的表面，获得前额叶功能区在定位块上的投影轮廓，在所述投影轮廓内均匀选取多个点作为功能区标记点。

29、进一步的，所述检测模块的排布位置按以下方式确定：以所述前额叶功能区在定位块表面投影轮廓内的各功能区标记点为圆心，绘制直径30 mm的圆形区域；绘制能包含所有所述圆形区域的大圆，以所述大圆的圆心作为第一检测模块的中心点；以第一检测模块的中心为圆心，绘制半径30 mm的圆，排除在30mm半径圆内的直径30mm圆的交点，在剩下的交点中，选择分布在左上，左下，右上，右下四个角的交点，把四个检测模块的中心放置在选择的交点处，四个检测模块的六边形角和半径30mm圆重合放置。

30、本发明的一种个性化定制的可穿戴脑血氧检测装置及方法具有以下优点：

31、1.检测位置精确且一致：通过基于个体额骨解剖特征的个性化定位块，确保检测模块与患者前额叶功能区之间的相对位置固定，每次佩戴可复现相同的检测空间位置，解决了传统装置及方法空间配准不一致的问题。

32、2.个体适配性好：基于患者自身ct数据定制，定位块内表面与额骨形态完全吻合，适用于不同头围和额部形态的患者，避免了通用装置因头围差异导致的检测失效。

33、3.检测信号质量提升：检测模块依据患者前额叶功能区投影位置进行针对性排布，光源-探测器间距根据目标脑区深度优化，相较于规则网格排布可获得更强的功能激活信号响应。

34、4.支持纵向追踪评估：由于佩戴位置的高重复性，不同时间点的监测数据具有可比性，可有效利用历史数据进行患者脑血氧变化趋势分析和康复效果评估。