一种高光谱脑血氧检测系统及方法与流程

1.本发明涉及光电探测/生物医学探测设备，具体涉及一种高光谱脑血氧检测系统及方法。


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，申请号为cn202011161898.2的发明专利《一种穿戴式fnirs脑成像系统》包括光源-光电探测器模块、控制及无线传送模块、电源模块、上位机，其中，所述光源-光电探测器模块包括至少一个光源-光电探测器组件，每个所述光源-光电探测器组件包括内嵌于圆柱形外壳的光源探头和光电探测器，所述光源探头和所述光电探测器的圆柱形外壳之间通过可伸缩拉杆连接，所述可伸缩拉杆绕所述光电探测器具有水平和垂直两个方向的旋转自由度，所述光源探头绕所述可伸缩拉杆具有三个方向的旋转自由度，所述可伸缩拉杆上设置至少一个限位孔，用于调节所述光源探头和所述光电探测器之间的距离；所述可伸缩拉杆的一端与所述光电探测器的外壳通过双轴铰链连接，通过所述双轴铰链调整所述光源探头与所述光电探测器之间的空间角度；所述可伸缩拉杆的另一端与所述光源探头的外壳通过球形铰链连接，通过所述球形铰链使所述光源探头垂直头皮发光；所述控制及无线传送模块采用arm、dsp或fpga作为主控芯片，驱动所述光源-光电探测器模块工作，并将信号通过内置的wifi或蓝牙模组无线传输至所述上位机中；所述电源模块为所述光源-光电探测器模块和所述控制及无线传送模块供电；所述上位机接收所述控制及无线传送模块输出的信号，进行信号处理和分析。
3.传统的fnirs技术通常采用测量光谱窗内760nm和850nm两个光源光谱的衰减量来表征头部皮层的含氧血红蛋白与脱氧血红蛋白的变化情况，从而推测认知活动相关的脑区及各脑区之间的相互关系。光谱分辨率，即含氧血红蛋白与脱氧血红蛋白的精度尚不是很高。现有技术存在光谱分辨率及测量精度较低的技术问题。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于如何解决现有技术存在的光谱分辨率及测量精度较低的技术问题。
5.本发明是采用以下技术方案解决上述技术问题的：一种高光谱脑血氧检测系统包括：控制器、光源、光源探测器、滤光片组、转盘、数据采集器及数据处理器，
6.所述光源，其为红外光源，用以向特定大脑区域发射近红外光，并使头皮层散射光以预设散射路径进行散射；
7.所述控制器，其分别耦接所述光源探测器、所述转盘及所述数据采集器，以所述控制器生成并发送时序脉冲信号至所述光源探测器，以所述控制器根据所述时序脉冲信号生成并发送探测器采样间隔协同控制数据至所述转盘，以所述控制器根据所述时序脉冲信号生成并发送所述控制器驱动脉冲序列至所述数据采集器，用以控制所述光源探测器、所述转盘及所述数据采集器；
8.所述滤光片组，其装载于所述转盘上，所述滤光片组包括不少于两个波长的滤光片，用以根据探测器采样间隔协同控制数据在所述光源探测器的前端转动所述转盘，据以滤光处理所述头皮层散射光并切换滤光波长，以得到多波长血红蛋白散射光；
9.所述光源探测器设置于被探测组织上，所述光源探测器的安装位置与所述被探测组织之间间隔预设散射采集距离，用以根据所述时序脉冲信号中的采样间隔及时间探测所述多波长血红蛋白散射光，并利用下述逻辑根据所述多波长血红蛋白散射光生成多波长血红蛋白探测响应曲线：
[0010][0011]
δa＝ε(λ)
·
δc
·d·
dpf(λ)
[0012]
，其中，a为光吸收值，i
in
为照射光通量，i
out
为散射光通量，δc为波速，d为探测距离，λ为波长；
[0013]
所述数据采集器，其为多波长感光处理组件，所述数据采集器根据所述控制器驱动脉冲序列的上升沿为触发信号分别采集所述多波长血红蛋白探测响应曲线；
[0014]
所述数据处理器，其根据预设波长区间中的不少于两个波长，将所述多波长血红蛋白探测响应曲线分为不少于两组，据以处理得到高光谱脑血氧检测结果。
[0015]
本发明通过多光谱技术实现对脑血氧含量的高光谱分辨率的探测，并通过转盘切换光源的波长，通过控制器控制光源探测器、数据采集器协同探测和协同采集，对脑血氧含量进行测量，相比于现有的双光谱技术，可以大幅提升探测的灵敏度和准确度。
[0016]
在更具体的技术方案中，所述光源为宽谱led光源，所述宽谱led光源采用700-900nm的宽谱光源，led辐射强度区间为100-110mw/sr。
[0017]
在更具体的技术方案中，所述头皮层散射光以香蕉型的路径进行散射，其中，以下述逻辑处理所述头部皮层散射光，以得到血红蛋白相对浓度：
[0018][0019]
其中，od＝a，ε为衰减系数，δ[x]为相应浓度，d为探测距离。
[0020]
在更具体的技术方案中，所述光源探测器为带有前放的雪崩二极管，所述光源探测器的响应谱段的覆盖覆盖区间为700-900nm。
[0021]
本发明探测的光谱分辨率与现有技术相比较高，提升了含氧血红蛋白与脱氧血红
蛋白的测量精度。
[0022]
在更具体的技术方案中，其特征在于，所述光源探测器的所述预设散射采集距离区间为离光束2至7厘米，其中，fnirs信号对皮层表面2-3mm的血氧血红蛋白散射的光源与探测器光敏感距离为4厘米。
[0023]
在更具体的技术方案中，所述高光谱脑血氧检测结果包括含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度变化值。
[0024]
在更具体的技术方案中，所述滤光片组包括12个中心波长分别为700nm、720nm、735nm、750nm、770nm、780nm、800nm、810nm、830nm、850nm、870nm、890nm的所述滤光片，窄带滤光片带宽不大于5nm，衰减量不大于od7，其中，采用下述逻辑处理通过所述滤光片采集的不少于2组的数据，以得到对应第一血红蛋白浓度δ[x]
hb
与第二血红蛋白浓度δ[x]
hbo2
的所述高光谱脑血氧检测结果：
[0025][0026][0027]
其中，αi和βi分别代表hb和hbo2对不同波长光吸收的权重系数。
[0028]
本发明的提供的fnirs技术采用测量光谱窗700纳米至900纳米内的中心波长分别为700nm、720nm、735nm、750nm、770nm、780nm、800nm、810nm、830nm、850nm、870nm、890nm的所述滤光片绿光处理组织散射光，以表征头部皮层的含氧血红蛋白与脱氧血红蛋白的变化情况，从而获取多波长血红蛋白探测响应曲线，反映多波长血红蛋白的数据变化，提高了脑血氧含量检测的灵敏度。
[0029]
在更具体的技术方案中，转盘转动速度和探测器采样间隔通过所述控制器协同控制。
[0030]
本发明利用宽谱光源和装有窄带滤光片组的转盘实现高光谱分辨率的脑血氧含量的探测技术；装有窄带滤光片组的转盘的设计形式。自动探测高光谱条件下多个中心波长对应的组织散射光，以生成多波长血红蛋白变化数据，提升了脑血氧含量探测的准确度。
[0031]
在更具体的技术方案中，所述数据处理器的所述预设波长区间为700纳米至900纳米。
[0032]
在更具体的技术方案中，一种高光谱脑血氧检测方法包括：
[0033]
s1、将光源、装载有滤光片组的转盘及光源探测器安装于被测脑区，以光源向特定大脑区域发射近红外光，并使头皮层散射光以预设散射路径进行散射；
[0034]
s2、以所述控制器生成并发送时序脉冲信号至所述光源探测器，以所述控制器根据所述时序脉冲信号生成并发送探测器采样间隔协同控制数据至所述转盘，以所述控制器根据所述时序脉冲信号生成并发送所述控制器驱动脉冲序列至所述数据采集器，以控制所述光源探测器、所述转盘及所述数据采集器；
[0035]
s3、根据所述探测器采样间隔协同控制数据在所述光源探测器的前端转动所述转盘，据以滤光处理所述头皮层散射光并切换滤光波长，以得到多波长血红蛋白散射光；
[0036]
s4、以所述光源探测器根据所述时序脉冲信号中的采样间隔及时间探测所述多波长血红蛋白散射光，并根据下述逻辑生成多波长血红蛋白探测响应曲线：
[0037][0038]
δa＝ε(λ)
·
δc
·d·
dpf(λ),
[0039]
其中，a为光吸收值，i
in
为照射光通量，i
out
为散射光通量，δc为波速，d为探测距离，λ为波长；
[0040]
s5、以所述数据采集器根据所述控制器驱动脉冲序列的上升沿为触发信号分别采集所述多波长血红蛋白探测响应曲线；
[0041]
s6、所述数据处理器，其根据预设波长区间中的不少于两个波长，将所述多波长血红蛋白探测响应曲线分为不少于两组，据以处理得到高光谱脑血氧检测结果。
[0042]
本发明相比现有技术具有以下优点：本发明通过多光谱技术实现对脑血氧含量的高光谱分辨率的探测，并通过转盘切换光源的波长，通过控制器控制光源探测器、数据采集器协同探测和协同采集，对脑血氧含量进行测量。本发明的提供的fnirs技术采用测量光谱窗700纳米至900纳米内的中心波长分别为700nm、720nm、735nm、750nm、770nm、780nm、800nm、810nm、830nm、850nm、870nm、890nm的所述滤光片绿光处理组织散射光，以表征头部皮层的含氧血红蛋白与脱氧血红蛋白的变化情况，从而获取多波长血红蛋白探测响应曲线，反映多波长血红蛋白的数据变化，提高了脑血氧含量检测的灵敏度。本发明利用宽谱光源和装有窄带滤光片组的转盘实现高光谱分辨率的脑血氧含量的探测技术；装有窄带滤光片组的转盘的设计形式。自动探测高光谱条件下多个中心波长对应的组织散射光，以生成多波长血红蛋白变化数据，提升了脑血氧含量探测的准确度。解决了现有技术中存在的光谱分辨率及测量精度较低的技术问题。
附图说明
[0043]
图1为高光谱脑血氧检测系统安装检测示意图；
[0044]
图2为红外光照射散射示意图；
[0045]
图3为高光谱脑血氧检测系统组件示意图。
具体实施方式
[0046]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中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作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。
[0047]
实施例1
[0048]
如图1所示，本系统由700-900nm宽谱led光源、光源探测器、滤光片组、转盘、数据采集器等组成。光源向特定大脑区域发射近红外光，光以香蕉型的路径进行散射，离光束2-7cm的光源探测器可以收集到被组织散射回来的光，为了更准确的得到含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度变化值，采用700-900nm中的12个波长分为6组对结果求解，滤光片组装载于转盘上，通过窄带滤光片在探测器前端轮转，实现对12个波长信号的捕捉。当光源和探测器的距离设置在4cm时，fnirs信号对皮层表面2-3mm的血氧血红蛋白散射的光特别敏感。
[0049]
如图2至图3所示，滤光片组由12个中心波长分别为700nm、720nm、735nm、750nm、
770nm、780nm、800nm、810nm、830nm、850nm、870nm、890nm的滤光片组成，led辐射强度100-110mw/sr，且线宽介于700-900nm之间，转盘转动速度和探测器采样间隔协同控制；探测器为带有前放的雪崩二极管(apd)，响应谱段应覆盖700-900nm，窄带滤光片带宽不大于5nm，衰减量不大于od7；控制器可根据时序脉冲信号控制探测器的采用间隔和时间，相应地，数据采集器可以以控制器驱动脉冲序列上升沿为触发信号分别采集探测器的响应曲线。
[0050]
该产品的操作过程：
[0051]
1.将led光源、装有滤光片组的转盘和探测器置于相应脑区，加以固定；
[0052]
2.通过控制器控制转盘转速以及输出时序脉冲控制探测器采样间隔；
[0053]
3.根据同步信号，探测器对回波进行探测并记录；
[0054]
4.将数据导入计算机并分析。
[0055]
实施例2
[0056]
在本实施例中，可采用例如双通道测量血氧浓度的方法为选择在805nm(等吸光点)左右的上方和下方各一个波长进行测量。在脑成像中，使用修正版的比尔-朗伯定律(mbll)，这个定律是可以用来计算血红蛋白相对浓度作为总光子穿行路径长度的函数。通常情况下，光发射器和探测器放置在受试者颅骨的同侧，目前探测的最佳距离在3cm左右，因此记录的测量结果是由于椭圆形路径(也叫光子香蕉)之后的散射(反射)光。具体公式为：
[0057][0058]
其中od＝a，ε为衰减系数，δ[x]为相应浓度，d为探测距离。od、ε、d均为已知，所以可以求得δ[x]
hb
与δ[x]
hbo2
。当采用本系统后，可以利用6组数据，实现针对2个浓度值的6个结果的计算，即：
[0059]
和
[0060]
最后，通过公式：
[0061]
和
[0062]
求得δ[x]
hb
与δ[x]
hbo2
。其中，αi和βi分别代表hb和hbo2对不同波长光吸收的权重系数，可通过实验获得。
[0063]
综上，本发明通过多光谱技术实现对脑血氧含量的高光谱分辨率的探测，并通过转盘切换光源的波长，通过控制器控制光源探测器、数据采集器协同探测和协同采集，对脑血氧含量进行测量。本发明的提供的fnirs技术采用测量光谱窗700纳米至900纳米内的中心波长分别为700nm、720nm、735nm、750nm、770nm、780nm、800nm、810nm、830nm、850nm、870nm、890nm的所述滤光片绿光处理组织散射光，以表征头部皮层的含氧血红蛋白与脱氧血红蛋白的变化情况，从而获取多波长血红蛋白探测响应曲线，反映多波长血红蛋白的数据变化，提高了脑血氧含量检测的灵敏度。本发明利用宽谱光源和装有窄带滤光片组的转盘实现高光谱分辨率的脑血氧含量的探测技术；装有窄带滤光片组的转盘的设计形式。自动探测高光谱条件下多个中心波长对应的组织散射光，以生成多波长血红蛋白变化数据，提升了脑血氧含量探测的准确度。解决了现有技术中存在的光谱分辨率及测量精度较低的
技术问题。
[0064]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。