專利名稱：腦電和近紅外光譜聯(lián)合采集腦信號(hào)的頭盔的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種有機(jī)結(jié)合腦電與近紅外光譜同時(shí)采集腦信號(hào)的頭盔，能夠用于腦功能認(rèn)知和腦控機(jī)器人接口技術(shù)的研究。
背景技術(shù)：
腦電圖(Electroencephalography，EEG)利用大腦活動(dòng)的神經(jīng)電位特征測(cè)量腦部電信號(hào)的變化來獲得大腦功能信息，其優(yōu)勢(shì)是時(shí)間分辨率高。到目前為止，EEG從其探頭探測(cè)方式上有侵入式EEG和非侵入式EEG兩種。侵入式EEG是將電極探入腦皮層或置于腦皮層表面，采集神經(jīng)元尖峰脈沖放電率；非侵入式EEG將電極置于頭皮表面，頭皮上電極與大腦皮層表面之間存在著腦脊液、硬膜、顱骨、頭皮等多種組織，電極記錄到的是電極下直徑 3 4cm范圍神經(jīng)電活動(dòng)的綜合。侵入式EEG雖然空間分辨率高，但對(duì)被試有損傷，難于實(shí)用化；非侵入式EEG，對(duì)被試無損，雖然可以快速獲得時(shí)間分辨率高的腦信號(hào)，但其空間分辨率較低，已經(jīng)成為制約基于EEG的腦功能認(rèn)知和腦-控機(jī)器人接口研究的瓶頸。近紅外光譜(Near-infrared spectroscopy, NIRS)是新近出現(xiàn)的一種無創(chuàng)光學(xué)成像技術(shù)，利用大腦活動(dòng)時(shí)皮質(zhì)局部所伴隨的氧合血紅蛋白(Hb02)和脫氧合血紅蛋白(Hb)含量的變化來獲得大腦功能信息。氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白對(duì)近紅外波段 (650nm-950nm)的吸收很小，該特性使得近紅外光能夠穿透大腦頭皮及顱骨進(jìn)入頭皮下 2 3cm深的大腦皮層皮質(zhì)區(qū)域。當(dāng)大腦皮層的局部區(qū)域活動(dòng)增強(qiáng)時(shí)，血流量增加，引起氧合血紅蛋白含量增加，脫氧血紅蛋白含量減少。氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白具有不同的光譜吸收特性，采用兩種以上不同波長(zhǎng)的近紅外光從大腦頭皮的某一點(diǎn)入射，從距離入射點(diǎn)幾厘米以外(國際公認(rèn)2 5cm為最佳距離)的位置檢測(cè)出射光的變化，就可以反算出氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的含量變化，從而獲取腦功能激活特性。OTRS的優(yōu)勢(shì)是空間分辨率高于EEG，佩戴操作簡(jiǎn)便易行，無須導(dǎo)電膏；對(duì)被試的約束少，不受眨眼、身體輕微運(yùn)動(dòng)影響；非侵入，體積小，易于與其他技術(shù)設(shè)備結(jié)合使用。但它也存在明顯的不足之處該技術(shù)不是直接檢測(cè)神經(jīng)活動(dòng)，而是檢測(cè)滯后于神經(jīng)活動(dòng)5 8秒的腦血氧信號(hào)，故其時(shí)間分辨率低于EEG。腦電采集頭盔一般采用國際公認(rèn)的10-20系統(tǒng)或10-20擴(kuò)展系統(tǒng)。近紅外頭盔的電極位置還沒有形成國際標(biāo)準(zhǔn)。蔣田仔等申請(qǐng)?zhí)?00510055893. 0設(shè)計(jì)的近紅外光譜腦功能成像頭盔，由單片邊長(zhǎng)為3cm的正五邊形和單片邊長(zhǎng)為3cm的正六邊形近紅外光譜腦功能成像頭盔拼接而成。吉利軍等申請(qǐng)?zhí)?00510089978. 0實(shí)用新型了一種正六邊形高分辨率近紅外光譜腦功能成像頭盔，可解決現(xiàn)有的正六邊形近紅外光譜腦功能成像頭盔在覆蓋區(qū)域內(nèi)檢測(cè)通道密度低的問題。目前還沒有見腦電和近紅外聯(lián)合采集的頭盔專利。眾所周知，任何一種腦信息采集技術(shù)都有其優(yōu)勢(shì)和不足，它們之間無法相互替代。 因此，為了獲得更加有效和更加全面的腦信號(hào)，將不同的腦信息采集手段有效結(jié)合同時(shí)采集腦信號(hào)是腦信息測(cè)量技術(shù)的必然發(fā)展趨勢(shì)，也是研究腦認(rèn)知功能和腦-控機(jī)器人接口的一個(gè)新方法。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種腦電和近紅外聯(lián)合采集腦信號(hào)的頭盔，可解決現(xiàn)有技術(shù)條件下腦電和近紅外無法同時(shí)采集的問題。本實(shí)用新型為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是腦電和近紅外光譜聯(lián)合采集腦信號(hào)的頭盔，其特征在于，一塊覆蓋頭皮的柔性材料上固定有腦電電極和近紅外探頭夾持器，近紅外探頭耦合在近紅外探頭夾持器上；所述近紅外探頭夾持器由近紅外探頭夾持器A和近紅外探頭夾持器B組成；所述近紅外探頭由用于發(fā)射紅外線的近紅外探頭A和用于接收紅外線的近紅外探頭B組成；所述近紅外探頭夾持器A用于固定近紅外探頭A ；所述近紅外探頭夾持器B用于固定近紅外探頭B ；所述每個(gè)腦電電極兩側(cè)分布有近紅外探頭夾持器A和近紅外探頭夾持器B，且近紅外探頭夾持器A與腦電電極的間距等于近紅外探頭夾持器B與腦電電極的間距。所述腦電電極按照10-20系統(tǒng)定位。所述腦電電極按照10-20擴(kuò)展系統(tǒng)定位。所述腦電電極為銀固體電極。所述腦電電極為氯化銀粉末固體電極。所述近紅外探頭夾持器包括閉合形的卡槽，卡槽中間有通孔，卡槽上固定有夾持具A ；所述卡槽用于嵌入在柔性材料上；所述夾持具A用于耦合固定近紅外探頭。所述近紅外探頭包括套筒、套筒蓋、彈簧、光纖、光纖探頭和夾持具B ；套筒蓋大小與套筒底面相配合，嵌套在套筒頂端；套筒底部開有圓孔；光纖探頭的底部細(xì)長(zhǎng)部分從套筒底部的圓孔內(nèi)伸出；光纖探頭一端與光纖結(jié)合在一起，另一端與彈簧底端相連，放置于套筒內(nèi)部；彈簧頂端與套筒蓋相連；夾持具B固定在套筒底部外側(cè)，與夾持具A為互補(bǔ)關(guān)系， 用于與夾持具A耦合連接。所述套筒蓋上有孔，供光纖穿過。所述套筒側(cè)壁上有孔，供光纖穿過。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)和積極效果在于，在按照10-20系統(tǒng)及10-20擴(kuò)展系統(tǒng)采集腦電信號(hào)的同時(shí)，可以采集腦電電極下2 3厘米區(qū)域的血氧變化(氧合血紅蛋白，脫氧血紅蛋白及總血紅蛋白)信息，使研究人員可以全方位的了解腦功能變化情況，為腦功能認(rèn)知及腦-控機(jī)器人研究注入新的動(dòng)力。近紅外探頭采用彈簧彈性設(shè)計(jì)，既可以保持探頭跟頭皮的充分接觸，又可以保證被試佩戴的舒適性。近紅外探頭和近紅外探頭夾持器采用分離式設(shè)計(jì)，一方面是可以根據(jù)研究需要在特定的腦功能區(qū)域插入近紅外探頭，減少被試佩戴所有探頭的負(fù)擔(dān)；另一方面是在插入近紅外探頭前可以采用挖耳勺等細(xì)長(zhǎng)工具撥開頭發(fā)， 減少頭發(fā)對(duì)近紅外探頭與頭皮接觸的影響。

圖1是本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實(shí)用新型的近紅外探頭A和近紅外探頭B測(cè)量大腦皮層區(qū)域示意圖；[0024]圖3是本實(shí)用新型的近紅外探頭夾持器在柔性材料上固定示意圖；圖4是近紅外探頭及近紅外探頭夾持器的實(shí)施例1結(jié)構(gòu)圖；圖5是近紅外探頭及近紅外探頭夾持器的實(shí)施例2結(jié)構(gòu)圖；圖6是近紅外探頭及近紅外探頭夾持器的實(shí)施例3結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。本實(shí)用新型所設(shè)計(jì)的腦電和近紅外光譜聯(lián)合采集腦信號(hào)的頭盔電極布局如圖1 所示。圖中2所示的圓圈中包含英文字母加數(shù)字標(biāo)記的電極為腦電電極，該電極為銀/氯化銀粉末固體電極，按照10-20系統(tǒng)及10-20擴(kuò)展系統(tǒng)在柔性材料1上布置。圖中3-1所示為近紅外探頭夾持器A，用于固定發(fā)射紅外線的近紅外探頭A。圖中3-2所示為近紅外探頭夾持器B，用于固定接收紅外線的近紅外探頭B。近紅外探頭4的測(cè)量結(jié)果跟腦電電極2的測(cè)量結(jié)果有很大的相關(guān)性。如圖2所示， 近紅外探頭A4-1和近紅外探頭B4-2所探測(cè)的區(qū)域位于這兩個(gè)探頭連線中心之下2 3厘米處。近紅外探頭A4-1和近紅外探頭B4-2位于腦電電極2之間，或者說位于腦電電極2兩側(cè)，其所測(cè)區(qū)域?qū)嶋H為腦電電極2下2 3厘米處(即A點(diǎn))的大腦皮層區(qū)域；腦電電極2 的測(cè)量區(qū)域?yàn)榇竽X皮層上以A點(diǎn)為中心，直徑4cm范圍內(nèi)，采集大腦神經(jīng)元電活動(dòng)信號(hào)，是神經(jīng)元放電活動(dòng)的綜合反映。近紅外探頭夾持器3分為卡槽3a、夾持具A3c和通孔北。卡槽3a用于嵌入到覆蓋頭皮的柔性材料1上，夾持具A3c用于耦合固定近紅外探頭。圖3所示為近紅外探頭夾持器3嵌入在柔性材料1上的效果。本實(shí)用新型所設(shè)計(jì)的近紅外探頭夾持器3及近紅外探頭4有多種實(shí)施方式。實(shí)施例1 如圖4所示。圖中如 4f為近紅外探頭4的組成部分。光纖4d和光纖探頭4e結(jié)合在一起，彈簧如的底端與光纖探頭如上端相連。光纖4d、光纖探頭如和彈簧4c 一起放入套筒如內(nèi)部。套筒如底部開有圓孔，直徑為套筒直徑的1/10 9/10，使得光纖探頭4e的細(xì)長(zhǎng)部分可以從套筒如底筒伸出，套筒蓋4b覆蓋在套筒如頂部。彈簧 4c的頂端與套筒蓋如相接觸。套筒蓋4b上有圓孔，可供光纖4d穿過。套筒如的底端有夾持具B4f，用于跟近紅外探頭夾持器3相連。圖中3a、3b、3c為近紅外探頭夾持器3的組成部分，其中3c為夾持具A，用于跟近紅外探頭4的夾持具B4f耦合連接；3a為卡槽，用于把近紅外探頭夾持器3嵌入在柔性材料1上；3b為通孔，用于插入近紅外探頭4。近紅外探頭4的夾持具A4f和近紅外探頭夾持器3的夾持具B3c為互補(bǔ)關(guān)系，采用旋入的方式夾緊華禹合。實(shí)施例2 如圖5所示。圖中如 4f為近紅外探頭4的組成部分。光纖4d和光纖探頭4e結(jié)合在一起，彈簧如的底端與光纖探頭如上端相連。光纖4d、光纖探頭如和彈簧4c 一起放入套筒如內(nèi)部。套筒如底部開有圓孔，直徑為套筒直徑的1/10 9/10，使得光纖探頭4e的細(xì)長(zhǎng)部分可以從套筒如底部伸出。套筒蓋4b覆蓋在套筒如頂部。彈簧 4c的頂端與套筒蓋4b相接觸。套筒蓋4b上有圓孔，可供光纖4d穿過。套筒如的底端有夾持具B4f，用于跟近紅外探頭夾持器3相連。圖中3a、3b、3c為近紅外探頭夾持器3的組成部分，其中3c為夾持具A，用于跟近紅外探頭的夾持具M(jìn)f耦合連接；3a為卡槽，用于把近紅外探頭夾持器3嵌入在柔性材料1上；北為通孔，用于插入近紅外探頭4。夾持具A3c 上端為弓形彈片，用于跟近紅外探頭4的夾持具B4f相耦合。近紅外探頭4的夾持具B4f 和近紅外探頭夾持器3的夾持具A3c為互補(bǔ)關(guān)系，采用插入夾緊的方式耦合。 實(shí)施例3 如圖6所示。圖中如 4f為近紅外探頭4的組成部分。光纖4d和光纖探頭4e結(jié)合在一起，彈簧如的底端與光纖探頭如上端相連。光纖4d、光纖探頭如和彈簧4c 一起放入套筒如內(nèi)部。套筒如底部開有圓孔，直徑為套筒直徑的1/10 9/10，使得光纖探頭如的細(xì)長(zhǎng)部分可以從套筒如底部伸出。套筒蓋4b覆蓋在套筒如頂部。彈簧如的頂端與套筒蓋4b相接觸。套筒蓋4b上有圓孔，可供光纖4d穿過。套筒如的底端有夾持具B4f，用于跟近紅外探頭夾持器3相連。圖中3a、3b、3c為近紅外探頭夾持器3的組成部分，其中3c為夾持具A，用于跟近紅外探頭的夾持具B4f耦合連接；3a為卡槽，用于把近紅外探頭夾持器3嵌入在柔性材料1上；北為通孔，用于插入近紅外探頭4。近紅外探頭4 的夾持具B4f和近紅外探頭夾持器3的夾持具A3c為互補(bǔ)關(guān)系，采用螺紋旋緊的方式耦合。
權(quán)利要求1.一種腦電和近紅外光譜聯(lián)合采集腦信號(hào)的頭盔，其特征在于，一塊覆蓋頭皮的柔性材料(1)上固定有腦電電極( 和近紅外探頭夾持器(3)，近紅外探頭(4)耦合在近紅外探頭夾持器⑶上；所述近紅外探頭夾持器(3)由近紅外探頭夾持器A (3-1)和近紅外探頭夾持器B (3-2) 組成；所述近紅外探頭由用于發(fā)射紅外線的近紅外探頭A(4-l)和用于接收紅外線的近紅外探頭B (4- 組成；所述近紅外探頭夾持器A(3-1)用于固定近紅外探頭AG-1)；所述近紅外探頭夾持器B (3- 用于固定近紅外探頭B (4-2)；所述每個(gè)腦電電極( 兩側(cè)分布有近紅外探頭夾持器A (3-1)和近紅外探頭夾持器 B (3- ，且近紅外探頭夾持器A(3-1)與腦電電極( 的間距等于近紅外探頭夾持器B (3-2) 與腦電電極O)的間距。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腦電和近紅外光譜聯(lián)合采集腦信號(hào)的頭盔，其特征在于，所述腦電電極(2)按照10-20系統(tǒng)定位。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腦電和近紅外光譜聯(lián)合采集腦信號(hào)的頭盔，其特征在于，所述腦電電極(2)按照10-20擴(kuò)展系統(tǒng)定位。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的腦電和近紅外光譜聯(lián)合采集腦信號(hào)的頭盔，其特征在于，所述腦電電極( 為銀固體電極。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的腦電和近紅外光譜聯(lián)合采集腦信號(hào)的頭盔，其特征在于，所述腦電電極( 為氯化銀粉末固體電極。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腦電和近紅外光譜聯(lián)合采集腦信號(hào)的頭盔，其特征在于，所述近紅外探頭夾持器C3)包括閉合形的卡槽(3a)，卡槽(3a)中間有通孔( )，卡槽(3a) 上固定有夾持具A(3c)；所述卡槽(3a)用于嵌入在柔性材料(1)上；所述夾持具A(3c)用于耦合固定近紅外探頭G)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腦電和近紅外光譜聯(lián)合采集腦信號(hào)的頭盔，其特征在于，所述近紅外探頭⑷包括套筒Ga)、套筒蓋Gb)、彈簧Ge)、光纖Gd)、光纖探頭Ge)和夾持具B Gf)；套筒蓋Gb)大小與套筒Ga)底面相配合，嵌套在套筒Ga)頂端；套筒Ga)底部開有圓孔；光纖探頭Ge)的底部細(xì)長(zhǎng)部分從套筒Ga)底部的圓孔內(nèi)伸出；光纖探頭Ge) 一端與光纖Gd)結(jié)合在一起，另一端與彈簧Ge)底端相連，放置于套筒內(nèi)部；彈簧Ge)頂端與套筒蓋Gb)相連；夾持具固定在套筒Ga)底部外側(cè)，與夾持具A(3c)為互補(bǔ)關(guān)系，用于與夾持具A (3c)耦合連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的腦電和近紅外光譜聯(lián)合采集腦信號(hào)的頭盔，其特征在于，所述套筒蓋Gb)上有孔，供光纖穿過。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的腦電和近紅外光譜聯(lián)合采集腦信號(hào)的頭盔，其特征在于，所述套筒Ga)側(cè)壁上有孔，供光纖穿過。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種有機(jī)結(jié)合腦電與近紅外光譜同時(shí)采集腦信號(hào)的頭盔。一塊覆蓋頭皮的柔性材料上固定有腦電電極和近紅外探頭夾持器，近紅外探頭耦合在近紅外探頭夾持器上；所述近紅外探頭夾持器由近紅外探頭夾持器A和近紅外探頭夾持器B組成；所述近紅外探頭由用于發(fā)射紅外線的近紅外探頭A和用于接收紅外線的近紅外探頭B組成；所述近紅外探頭夾持器A用于固定近紅外探頭A；所述近紅外探頭夾持器B用于固定近紅外探頭B；所述每個(gè)腦電電極兩側(cè)分布有近紅外探頭夾持器A和近紅外探頭夾持器B，且近紅外探頭夾持器A與腦電電極的間距等于近紅外探頭夾持器B與腦電電極的間距。本實(shí)用新型采集腦電電極下2～3厘米區(qū)域的血氧變化信息，使研究人員可以全方位的了解腦功能變化情況，為腦功能認(rèn)知及腦-控機(jī)器人研究注入新的動(dòng)力。
文檔編號(hào)A61B5/1455GK202161317SQ20112027481
公開日2012年3月14日 申請(qǐng)日期2011年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月29日
發(fā)明者伏云發(fā), 徐保磊, 李洪誼, 秦書嘉, 繆磊 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所