本發(fā)明屬于腦科學信息采集處理領域，特別是近紅外腦皮質(zhì)血氧信號和頭皮血氧信號的實時分離技術。

背景技術：

功能近紅外光譜(fnirs)，一種被廣泛用于神經(jīng)反饋系統(tǒng)或腦機接口的非侵入式腦成像技術，通過檢測大腦血紅蛋白濃度變化來測量腦神經(jīng)元活動，該技術基于光譜中波長為650-900nm的近紅外光可以穿透頭顱2-3cm，同時可以被氧合血紅蛋白(hbo)和脫氧血紅蛋白(hbr)部分吸收的原理。氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白都有明顯的吸收系數(shù)，這使得通過采用在不同波長衰減的光，測量氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的濃度變化成為可能。特定腦區(qū)的激活和放松，可以引起hbo和hbr濃度的變化，根據(jù)改進的比爾—朗伯定律可知，hbo和hbr濃度的變化可以由近紅外光強度的變化來反映。因此，fnirs技術在腦成像方面有很廣闊的應用前景。

近年來圍繞從獲得的fnirs信號中提取與神經(jīng)元活動相關的波形這一問題，發(fā)展出了很多方法，但是至今仍沒有分析fnirs數(shù)據(jù)的標準方法。fnirs數(shù)據(jù)分析面臨的一個很重要的問題就是生理噪聲的影響，由于近紅外光是從頭皮入射和反射獲取的，所以在近紅外光穿過頭皮，在大腦吸收之前，受到局部組織吸收和散射的影響，fnirs信號還混合著頭皮血氧信號，因此，頭皮上的血氧信號的變化，就可能會影響近紅外信號的質(zhì)量。為了從大腦皮層獲取更精確和可靠的信號提出了很多補償方法?，F(xiàn)有近紅外信號采集設備不能消除頭皮血氧信號的影響，或只能在采集信號后線下消除，難以做到實時在線的消除頭皮信號干擾。cn102894971a、cn106055874a和cn104055524a公開的設備雖然能用于腦血氧信號的采集，但這些設備沒有去除頭皮血氧信號的技術，所采集的近紅外信號混合有頭皮血氧信號，在cn1331953a公開設備只是給出了新生兒腦血氧光極結構，沒有后續(xù)的信號采集和信號分離模塊，功能不完整，沒有給出實質(zhì)性的分離過程，不能實現(xiàn)頭皮信號和腦血氧信號分離，更加不能實現(xiàn)信號的實時分離處理，因此，這些裝置都不滿足神經(jīng)反饋和腦機接口等需要實時處理領域的需求，而且也并非對本發(fā)明保護范圍的限制?？芍壳皼]有用于實時分離出腦皮質(zhì)血氧信號的裝置。

本發(fā)明旨在開發(fā)一種操作簡單、用于實時分離出腦皮質(zhì)血氧信號的裝置。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術的缺點，本發(fā)明涉及一種用于實時分離出腦皮質(zhì)血氧信號的裝置。

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有近紅外腦血氧采集裝置，所采集信號混合著頭皮血氧信號，無法獲取純凈腦皮質(zhì)血氧信號，且不能實時檢測的問題，設計一種實時采集腦皮質(zhì)血氧信號的裝置。

為達到上述目的，本發(fā)明的技術解決方案是設計一種實時采集腦皮質(zhì)血氧信號的裝置，具體包括：

雙通道近紅外光極發(fā)射和接收模塊、光源驅(qū)動模塊、信號采集模塊、信號分離模塊及實時顯示和存儲模塊，還包括一個固定光源和探測器的頭戴帽。其特征為：本發(fā)明的頭戴帽基于國際10-20腦電帽系統(tǒng)設計，帽子上可用于固定的位置為10個，分別為左側前額葉(fp1)、右側前額葉(fp2)、左額(f3)、右額(f4)、左中顳(t7)、右中顳(t8)、左頂(p3)、右頂(p4)、左枕(o1)和右枕(o2)，使用時選擇其中一個感興趣的腦區(qū)位置，固定本發(fā)明的雙通道近紅外光極發(fā)射器和兩個光極接收器，雙通道近紅外光極發(fā)射和接收模塊包括光極發(fā)射器、標準距離光極接收器和短距離光極接收器，光源驅(qū)動模塊驅(qū)動光源發(fā)射端發(fā)射兩種波長分別為695nm和830nm的近紅外光束，標準距離接收器距離光極發(fā)射器30mm，短距離光極接收器距離光極發(fā)射器為15mm，接收不同距離反射回來的混合血氧信號。

所述信號采集模塊包括模擬放大電路、低通濾波電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，用于信號的放大、濾波和轉(zhuǎn)換，信號分離模塊包括數(shù)字信號處理器以及多距離信號實時分離算法，實現(xiàn)近紅外腦皮質(zhì)血氧信號和頭皮血氧信號的分離，獲得精度更高，更可靠的腦皮質(zhì)血氧信號，實時顯示和存儲模塊實時顯示分離出來的近紅外腦皮質(zhì)血氧信號，然后也可存儲用于線下分析。

本發(fā)明的優(yōu)點：

(1)去除了頭皮血氧信號。本發(fā)明的實時近紅外腦皮質(zhì)血氧信號采集裝置，采用一個光極發(fā)射器和兩個不同距離光極接收器，其中一個標準距離光極接收器距離光源發(fā)射器30mm，另一個為短距離光極接收器距離光源發(fā)射器15mm，將采集到的混合有頭皮血氧信號的混合血氧信號，經(jīng)信號采集模塊放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換后，傳送至信號分離模塊處理后，去除了信號中的頭皮血氧信號，分離得到了純凈的腦皮質(zhì)血氧信號，獲得了更為精確的腦皮質(zhì)信號，可以更加準確的測量腦皮質(zhì)神經(jīng)元活動情況，為進一步發(fā)展神經(jīng)反饋和腦機接口研究提供了技術支持。

(2)實時信號分離。信號處理模塊采用高性能定點數(shù)字信號處理器tms320c5517，再結合多距離腦皮質(zhì)近紅外信號分離算法，從硬件上做到了對混合腦血氧信號的實時分離，分離出了頭皮血氧信號和腦血氧信號，頭皮血氧信號去除，純凈的實時腦皮質(zhì)血氧信號可用于神經(jīng)反饋、腦機接口和臨床診斷等對實時性要求高的任務。

(3)本發(fā)明以10-20系統(tǒng)為基礎設計的頭戴帽，帽子上可用于固定的位置為10個，分別為左側前額葉(fp1)、右側前額葉(fp2)、左額(f3)、右額(f4)、左中顳(t7)、右中顳(t8)、左頂(p3)、右頂(p4)、左枕(o1)和右枕(o2)，使用時選擇其中一個感興趣的腦區(qū)位置，固定本發(fā)明的雙通道近紅外光極發(fā)射器和兩個光極探測器，可以使光源發(fā)射器和接收器放在任意一個感興趣的腦區(qū)進行實時檢測，靈活性高，可根據(jù)不同的目的或?qū)嶒炄蝿者x擇不同的腦區(qū)位置，而且易擴展為多通道近紅外腦電采集系統(tǒng)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實例的實時近紅外腦皮質(zhì)血氧采集裝置的結構示意圖；

圖2本發(fā)明中信號分離模塊功能結構示意圖；

圖3是光-電電極相對位置關系；

圖4是本發(fā)明用于將雙通道光極發(fā)射器和光極接收器固定在特定腦區(qū)位置的頭戴帽；

圖5分離前混合血氧信號和分離后腦皮質(zhì)血氧信號變化對比圖。

具體實施方式

下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。

本發(fā)明的具體實施例如以下說明。

實施例1

本發(fā)明的一種實時采集腦皮質(zhì)血氧信號的裝置，具體包括：雙通道近紅外光極發(fā)射和接收模塊、光源驅(qū)動模塊、信號采集模塊、信號分離模塊及實時顯示和存儲模塊，還包括一個固定光源和探測器的頭戴帽。

其特征為：本發(fā)明的頭戴帽基于國際10-20腦電帽系統(tǒng)設計，帽子上可用于固定的位置為10個，分別為左側前額葉(fp1)、右側前額葉(fp2)、左額(f3)、右額(f4)、左中顳(t7)、右中顳(t8)、左頂(p3)、右頂(p4)、左枕(o1)和右枕(o2)，使用時選擇其中一個感興趣的腦區(qū)位置，固定本發(fā)明的雙通道近紅外光極發(fā)射器和兩個光極接收器，雙通道近紅外光極發(fā)射和接收模塊包括光極發(fā)射器、標準距離光極接收器和短距離光極接收器，光源驅(qū)動模塊驅(qū)動光源發(fā)射端發(fā)射兩種波長分別為695nm和830nm的近紅外光束，標準距離接收器距離光極發(fā)射器30mm，短距離光極接收器距離光極發(fā)射器為15mm，接收不同距離反射回來的混合血氧信號。信號采集模塊包括模擬放大電路、低通濾波電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，用于信號的放大、濾波和轉(zhuǎn)換，信號分離模塊包括tms320c5517數(shù)字信號處理器和usb外設控制器cy7c68015a，實現(xiàn)近紅外腦皮質(zhì)血氧信號和頭皮血氧信號的分離和信號的傳輸，獲得精度更高，更可靠的腦血氧信號，實時顯示和存儲模塊實時顯示分離出來的近紅外腦皮質(zhì)血氧信號，然后也可存儲用于線下分析。具體結構簡圖如圖1所示。

實施例2

本發(fā)明的實時腦皮質(zhì)血氧信號采集裝置具體實現(xiàn)過程如下：

圖1中的雙通道光極發(fā)射和接收模塊1中，光極發(fā)射器100由光源驅(qū)動電路5驅(qū)動后，發(fā)射出兩種波長為695和830nm的近紅外光，從頭皮輻射進腦皮層，短距離接收器101和標準距離接收器100，分別接收反射回來的近紅外光信號，并將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，此信號為頭皮血氧信號和腦皮質(zhì)血氧信號的混合信號，采集到混合的血氧信號，送入信號采集模塊2中，以高精度儀表放大器ad620組成模擬放大電路200，將采集到的混合信號放大100倍，再通過一個butterworth低通濾波器201，濾除高頻噪聲，再由18位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ad7608組成的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路202將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再通過dsp處理芯片tms320c5517的spi外設300傳送至信號分離模塊3，再結合在tms320c5517芯片上實現(xiàn)的多距離信號分離算法，信號分離模塊301將混合的血氧信號，分離為腦皮質(zhì)血氧信號和頭皮血氧信號，腦皮質(zhì)血氧信號再通過dsp處理芯片tms320c5517的usb外設302送至實時顯示和存儲模塊4，頭皮血氧信號被移除。

信號分離模塊中在dsp芯片tms320c5517上實現(xiàn)的多距離信號分離算法具體包括：

標準距離接收器采集的混合血氧濃度信號δs1，短距離接收器采集的混合血氧濃度信號δs2，標準距離光極接收器距離光極發(fā)射器距離d1，短距離光極接收器距離光極發(fā)射器距離d2，短距離接收器保證近紅外光穿透到深層區(qū)域距離光極發(fā)射端的最小距離d0，標準距離接收器近紅外血氧信號標準距離接收器頭皮血氧信號短距離接收器近紅外血氧信號短距離接收器頭皮血氧信號近紅外信號路徑長度l，血紅蛋白摩爾消光系數(shù)ε，血紅蛋白濃度變化δc，根據(jù)朗伯比爾定律δs＝εlδc,可知吸光度變化與血氧濃度變化之間的關系，因此可以用吸光度變化來測量血氧濃度變化情況，

δs＝δsdeep+δsscalp＝ε(lδc)deep+ε(lδc)scalp(1)

所以標準距離接收器采集的混合信號為：

短距離接收器采集的混合信號為：

根據(jù)平面模型和mri獲得的真實解剖模型可知，光源路徑長度l和光極發(fā)射端與接收端的距離d成正比例關系，

ldeep＝l0·(d/d0-1)(4)

式中，l0和d0分別是將l和d的函數(shù)關系顯示在平面坐標系中x軸和y軸上的截距。所以標準距離接收器采集的混合信號為：

短距離接收器采集的混合信號為：

公式(5)除以(6)，化簡可得公式(7)

又因為根據(jù)平面模型和mri獲得的真實解剖模型可知，頭皮上近紅外信號路徑長度與距離d的關系為，在距離d大于10mm左右時，光源路徑長度近似為常數(shù)l，所以有

將公式(7)和(8)代入公式(3)，可得公式(9)

聯(lián)立公式(2)和(9)，求解可得

通過公式(10)和(11)即可去除頭皮血氧信號，得到近紅外腦皮質(zhì)血氧信號。以上多距離信號分離算法是應用單一波長為λ和總體血紅蛋白的計算方法，本發(fā)明采用的是695和830nm的雙波長光源，設長波波長為λ1，設短長波波長為λ2，主要檢測氧合血紅蛋白(oxy-hemoglobin)和脫氧血紅蛋白(deoxy-hemoglobin)的濃度變化，標準距離接收器采集的波長為λ1混合信號為短距離接收器采集的波長為λ1混合信號為標準距離接收器采集的波長為λ2混合信號為短距離接收器采集的波長為λ2混合信號為由公式(10)和公式(11)可得,

腦皮質(zhì)氧合血紅蛋白信號為

腦皮質(zhì)脫氧合血紅蛋白信號為

頭皮氧合血紅蛋白信號為

頭皮氧合脫氧血紅蛋白信號為

根據(jù)公式(12)、(13)、(14)和(15)即可去除頭皮血氧信號，分離得到腦皮質(zhì)血氧信號。

如圖2所示，信號分離模3主要包括dsp芯片tms320c5517及其外圍電路來實現(xiàn)混合近紅外血氧信號的分離，混合血氧信號通過tms320c5517的spi外設300傳輸?shù)絫ms320c5517內(nèi)進行信息分離處理301，將分離出來的頭皮血氧信號去除，將分離出來的腦皮質(zhì)血氧信號經(jīng)過tms320c5517的usb外設302傳輸?shù)较乱患壧幚?，也就是實時顯示和存儲模塊4。

如圖3所示，雙通道光極發(fā)射和接收端1包括光極發(fā)射器102，短距離光極接收器101和標準距離光極接收器100，光極發(fā)射器102與短距離光極接收器101的距離為15mm，光極發(fā)射器102與標準距離光極接收器100的距離為30mm。

如圖4所示，本發(fā)明的頭戴帽基于國際10-20腦電帽系統(tǒng)設計，帽子上可用于固定的位置為10個，分別為左側前額葉(fp1)、右側前額葉(fp2)、左額(f3)、右額(f4)、左中顳(t7)、右中顳(t8)、左頂(p3)、右頂(p4)、左枕(o1)和右枕(o2)，使用時選擇其中一個感興趣的腦區(qū)位置，固定本發(fā)明的雙通道近紅外光極發(fā)射器和兩個光極探測器，其中s為光極發(fā)射器固定孔，d為短距離光極接收器固定孔，b為標準距離光極接收器固定孔。

如圖5所示，本發(fā)明采集的靜息態(tài)狀態(tài)下300秒左側前額葉分離前混合血氧信號和分離后腦皮質(zhì)血氧信號變化對比圖，黑色虛線為分離前混合血氧信號，灰色為分離后腦皮質(zhì)血氧信號。從圖中可以明顯看出，在將混合血氧信號去除頭皮血氧信號得到腦皮質(zhì)血氧信號后，信號中減少了很多尖銳的噪聲，信號更平滑。

需要說明的是，以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選具體的實施例，

若依本發(fā)明的構想所作變動，其產(chǎn)生的功能作用，仍未超出說明書所涵蓋的精神時，均應在本發(fā)明的范圍內(nèi)。

在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，本領域的普通技術人員可以理解：在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由權利要求及其等同物限定。