一种穿戴式近红外脑成像头盔的制作方法

1.本发明属于脑机接口技术领域，具体涉及一种穿戴式近红外脑成像头盔。


背景技术：

2.功能性近红外光谱(fnirs)是一种无创、性价比高、低噪声、使用便捷且可连续测量的光学脑成像技术，在自然情境下的高级认知、发展心理学、异常心理学等领域具有广泛应用前景。fnirs利用大脑组织的光穿透性和血液组织中某些生色团对特定频谱近红外光的特异吸收性，测量与大脑皮层活动的能量供应和新陈代谢密切相关的含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白，进而获得大脑皮层组织的血液动力学变化指标。相对于功能性核磁共振成像(fmri)，fnirs具有更高的时间分辨率(几毫秒到几十毫秒)，对被试身体活动限制较小，可以提供更为丰富的皮层血氧代谢信息(包括含氧血红蛋白、脱氧血红蛋白和总血红蛋白等浓度变化信息)。同时，fnirs在价格、操作便利性、设备的可移动性以及兼容性上均优于fmri。与脑电图(eeg)相比，fnirs具有更高的空间分辨率(厘米量级)和更好的抗噪声性能，可以在任何时间、任何地点进行长时间不间断测量。
3.主流近红外脑成像系统采用高频发光二极管作为光源，依次发送不同波长的近红外光，利用雪崩二极管作为探测器，检测经脑组织散射的近红外光。这种装置原理使得系统对环境光敏感(雪崩二极管易饱和)，使用时需要增设遮光罩。并且，非同步的异波长近红外光发射范式，使得异波长散射光检测存在相位差，导致脑血氧计算存在原理性误差。
4.主流光极帽采用弹性织物材质，在下颌处通过魔术贴拉紧固定，颅骨上侧与下颌承受主要拉力，顶叶处光极帽固定效果好，但是前额处光极帽承受法向压力小，使得此区域光极固定效果差。并且，部分光极帽上圆柱状光源和探测器与电极帽上圆孔通过过渡配合连接，头部运动会进一步降低光源和探测器贴合稳定性。此外，光极在光极帽上位置相对固定，无法灵活调节光源与探测器间距离，不利于感兴趣脑区的脑血氧成像分析。
5.基于上述问题的存在，本技术提出了一种穿戴式近红外脑成像头盔。


技术实现要素：

6.本发明的目的就在于提供一种穿戴式近红外脑成像头盔，解决了高频发光二极管-雪崩二极管近红外光成像装置原理环境适用性和原理性误差问题以及前额区域光极与头部自适应贴合和光极间距离灵活调节问题。
7.本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
8.一种穿戴式近红外脑成像头盔，包括横冠双向张紧锚圈、前额探头、导光纤维、采集模块、供电模块和控制模块；
9.其中，所述采集模块包括近红外光源、窄带滤光片、光电二极管、用于安装窄带滤光片和光电二极管的采集套筒和采集套筒压板、用于固定采集套筒和采集套筒压板的安装基座和后盖；
10.所述近红外光源包括设于所述安装基座上的led灯板和光源光纤压块；一个所述
采集模块中包含两个所述窄带滤光片和两个所述光电二极管；
11.所述前额探头和所述采集模块之间通过所述导光纤维实现光信号传导，所述导光纤维设有三组，每组两路，中间一组所述导光纤维用于将近红外光源产生的光源传导到所述前额探头，经脑组织散射后光信号由所述前额探头经两侧两组所述导光纤维传导回所述采集模块。
12.作为本发明的进一步优化方案，所述导光纤维靠近所述前额探头的端部采用竖向直列安装，所述导光纤维靠近所述采集模块的端部采用横排并列安装。
13.作为本发明的进一步优化方案，所述横冠双向张紧锚圈包括锚圈带、顶部安装基板、冠向调节模块、理线罩和横向调节模块；其中，冠向调节模块和横向调节模块通过与锚圈带上的腰孔内齿形成齿轮齿条啮合；顶部所述安装基板用于安装所述采集模块、所述供电模块和所述控制模块。
14.作为本发明的进一步优化方案，所述理线罩用于收纳所述采集模块和所述控制模块之间的连接线。
15.作为本发明的进一步优化方案，所述前额探头包含前额结构前盖、弹簧座、弹簧、前额结构后盖和前额接触头；
16.其中，所述弹簧座通过螺丝安装在所述前额结构前盖前面的两条平行开槽上，所述前额接触头和所述弹簧座呈轴孔间隙配合，所述前额接触头上设有楔形凸起，所述弹簧座对应位置设有与所述楔形凸起配合的方槽，所述楔形凸起和所述方槽之间嵌设有弹簧，形成沿所述前额接触头轴向自由伸缩的且与人体前额接触的结构。
17.作为本发明的进一步优化方案，所述锚圈带的前端头部设有阶梯轴，所述前额结构后盖两侧开设有与所述阶梯轴配合的圆形限位槽，所述前额结构前盖通过紧固件和所述前额结构后盖锁紧固定，使得所述前额探头可绕所述锚圈带自由转动。
18.作为本发明的进一步优化方案，两片所述窄带滤光片的规格分别为760nm和850nm。
19.作为本发明的进一步优化方案，所述led灯板包括760nm和850nm两种led光源。
20.本发明的有益效果在于：
21.本发明通过设置一种穿戴化的近红外脑成像头盔结构，降低了系统体积、重量、成本，另外利用双波长近红外光同步光源-对应双波长窄带滤波片-光电探测器装置原理，降低环境光敏感性同时，消除异步光源计算脑血氧的原理性误差；横冠双向张紧锚圈结构，实现光极与头部的紧密固定与头部尺寸适应，头戴与前额采集模块间旋转结构、前额探头内光极弹性结构，实现光极与头部的自适应贴合，光极间距调节结构，实现光极间距离灵活调节。
附图说明
22.图1是本发明穿戴式近红外脑成像头盔的整体结构示意图；
23.图2是本发明横冠双向张紧锚圈的结构示意图；
24.图3是本发明前额探头的结构示意图；
25.图4是本发明前额探头内部装配方式结构示意图；
26.图5是本发明前额探头和近红外光源与采集模块的光纤安装结构示意图；
27.图6是本发明近红外光源与采集模块的结构示意图。
28.图中：1、张紧锚圈；2、前额探头；3、导光纤维；4、近红外光源与采集模块；5、供电模块；6、控制模块；11、锚圈带；12、安装基板；13、冠向调节模块；14、理线罩；15、横向调节模块；21、前额结构前盖；22、弹簧座；23、弹簧；24、前额结构后盖；25、前额接触头；41、安装基座；42、采集套筒；43、窄带滤光片；44、光电二极管；45、采集套筒压板；46、后盖；47、led灯板；48、光源光纤压块。
具体实施方式
29.下面结合附图对本技术作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本技术进行进一步的说明，不能理解为对本技术保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本技术作出一些非本质的改进和调整。
30.实施例1
31.如图1-6所示，一种穿戴式近红外脑成像头盔，包括横冠双向张紧锚圈1、前额探头2、导光纤维3、采集模块4、供电模块5和控制模块6；
32.其中，采集模块4包括近红外光源、窄带滤光片43、光电二极管44、用于安装窄带滤光片43、光电二极管44的采集套筒42和采集套筒压板45、用于固定采集套筒42和采集套筒压板45的安装基座41和后盖46；
33.近红外光源包括设于安装基座41上的led灯板47和光源光纤压块48；一个采集模块中包含两个窄带滤光片43和两个光电二极管44，其中，两个光电二极管44型号一致；
34.前额探头2和采集模块4之间通过导光纤维3实现光信号传导，导光纤维3设有三组，每组两路，中间一组导光纤维3用于将近红外光源产生的光源传导到前额探头2，经脑组织散射后光信号由前额探头2经两侧两组导光纤维3传导回采集模块4。
35.使用时将前额探头2贴紧额头，调节横冠双向张紧锚圈1使头盔稳固佩戴在头上。开启供电模块5后，由近红外光源与采集模块4同时发出760nm和850nm两种波长的近红外光，双波长光束经过导光纤维3中间两路进入前额，被浅表层脑组织吸收、散射，其中散射的光束呈“香蕉型”光路由左右两侧对称分布的四路导光纤维传输回采集模块4，经过光电信号转换后，由控制模块6采用无线方式发送转换后脑血氧数据到外部显示或存储设备，用于脑功能信息成像或与eeg等其他脑信息联合分析。
36.具体的，为保证光源和信号采集点位置的精确性，导光纤维3靠近前额探头2的端部采用竖向直列安装，为保证结构小巧，降低头戴负担，导光纤维3靠近采集模块4的端部采用横排并列安装。
37.具体的，横冠双向张紧锚圈1包括锚圈带11、顶部安装基板12、冠向调节模块13、理线罩14和横向调节模块15；其中，冠向调节模块13和横向调节模块15通过与锚圈带11上的腰孔内齿形成齿轮齿条啮合，实现调节锚圈张紧、松开的功能；顶部安装基板12用于安装采集模块4、供电模块5和控制模块6。
38.具体的，理线罩14用于收纳采集模块4和控制模块6之间的连接线。
39.具体的，前额探头2包含前额结构前盖21、弹簧座22、弹簧23、前额结构后盖24和前额接触头25；
40.其中，弹簧座22通过螺丝安装在前额结构前盖21前面的两条平行开槽上，实现光
极间距离灵活调节；前额接触头25和弹簧座22呈轴孔间隙配合，前额接触头25上设有楔形凸起，弹簧座22对应位置设有与楔形凸起配合的方槽，楔形凸起和方槽之间嵌设有弹簧23，形成沿前额接触头25轴向自由伸缩的且与人体前额接触的结构，可以与不同曲率的额头形成更好的贴合并提高舒适度。
41.具体的，锚圈带11的前端头部设有阶梯轴，前额结构后盖24两侧开设有与阶梯轴配合的圆形限位槽，前额结构前盖21通过紧固件和前额结构后盖24锁紧固定，使得前额探头2可绕锚圈带11自由转动，使得前额探头2可绕锚圈带11自由转动，以更好贴合前额头部轮廓。
42.具体的，两片窄带滤光片43的规格分别为760nm和850nm。
43.具体的，led灯板47包括760nm和850nm两种led光源。
44.两片窄带滤光片43有760nm和850nm两种规格，用以采集不同波长的近红外光信号；与窄带滤光片43的两种规格相对应，led灯板47也具备760nm和850nm两种led光源。
45.本发明通过利用双波长近红外光同步光源-对应双波长窄带滤波片-光电探测器装置原理，降低环境光敏感性同时，消除异步光源计算脑血氧的原理性误差，解决了高频发光二极管-雪崩二极管近红外光成像装置原理环境适用性和原理性误差问题；本发明通过头戴与前额采集模块间旋转结构、前额探头内光极弹性结构，实现光极与头部的自适应贴合，光极间距调节结构，实现光极间距离灵活调节，解决了前额区域光极与头部自适应贴合和光极间距离灵活调节问题。
46.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。