大腦多模態數據採集裝置及應用的製作方法

2023-05-30 21:36:06

大腦多模態數據採集裝置及應用的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種大腦多模態數據採集裝置及應用。大腦多模態數據採集裝置包括：光源探頭、檢測探頭、固定器和頭套。所述頭套上安裝若干所述固定器，所述光源探頭、檢測探頭分別連接在所述固定器上；所述光源探頭、檢測探頭為相同結構，所述光源探頭、檢測探頭分別包括殼體、腦電電極和光纖束；所述腦電電極安裝在所述殼體上，所述光纖束主體安裝殼體內，光纖束兩端伸出所述殼體外。為了使光電同步檢測能獲得最佳的腦數據，本發明還提出了大腦多模態數據檢測探頭的應用。該排布模式能利用有限的頭皮空間,最大限度的擴展大腦多模態信號檢測通道數。
【專利說明】大腦多模態數據採集裝置及應用

【技術領域】
[0001] 本發明涉及醫療設備【技術領域】，尤其涉及一種適用於腦功能認知和腦機接口技術 中的大腦多模態數據採集裝置及應用。

【背景技術】
[0002] 近紅外光譜術（NIRS)和腦電圖（EEG)是目前廣泛應用於科研和臨床研究的腦功 能成像技術。
[0003] 近紅外光譜術是一種完全無損的在體光學檢測技術。該技術利用近紅外波段的光 在生物組織內良好的穿透能力，通過光在組織中經過散射、吸收後出射光的光強或相位變 化，反映與組織光學特性參數有關的各種生理參數的變化。生物組織對近紅外波段的光具 有低吸收、高散射的特性，近紅外光可以穿透生物組織幾個釐米的厚度而對深層生物組織 進行探測。當大腦激活時氧代謝率增加，腦血流也會增加。因此會引起氧合血紅蛋白Hb〇2 的濃度增加，還原血紅蛋白Hb的濃度降低，並且Hb〇2濃度的增加要大於Hb濃度的減少。 Hb02和Hb的近紅外波段的吸收光譜具有特異性，因此，根據出射光強度或者相位的變化， 就可以反映出組織內部Hb〇2和Hb濃度的變化。這就是近紅外光譜術間接檢測大腦神經活 動的依據。
[0004] 頭皮腦電是通過置於頭皮表面的電極直接記錄大腦皮層的大量神經細胞的電生 理活動。事件相關電位（ERP)技術可以通過疊加平均技術把淹沒在自發腦電中的特定刺激 誘發的電信號提取出來。特定的ERP成分可以反映認知活動中大腦的特定活動情況。因 此，ERP是目前認知神經科學研究領域中最有效、最常用的直接腦功能檢測技術。腦電技術 檢測的是神經活動的電信號，時間解析度高，但空間解析度較低。而近紅外光譜術是一種間 接檢測神經活動的技術，由於血液動力學響應具有時間上滯後的特性，所以近紅外光譜術 的時間解析度較低，但空間解析度較高。將近紅外光譜術和腦電技術結合起來，可以使這兩 種技術進行互補。
[0005] 目前，同時檢測近紅外和腦電信號的方案通常是將這兩套獨立系統的信號採集 硬體的時鐘進行同步。在同步時鐘控制下，近紅外和腦電系統分別進行各自的信號檢測 與採集。這種方案較直觀，不需要專門的儀器設計，可以將現有的近紅外和腦電系統直接 整合。但當檢測通道增多時，腦電電極、近紅外光源和近紅外探頭滿布在面積有限的頭皮 上，嚴重限制了通道數的擴展。將腦電電極和近紅外光源與探頭進行一體化設計可以有效 地解決這個問題，最大限度的擴展檢測通道數。徐保磊等【專利號CN201120274817. X】設 計了一種腦電和近紅外光譜聯合採集腦信號的頭盔，但是腦電電極和近紅外探頭是獨立 的，沒有考慮一體化探頭設計，也沒有考慮多個檢測探頭的排布問題。柯餘峰等【專利號 CN201210196441.4】設計一種基於腦功能狀態的自適應自動化方法，涉及了腦電電極、近紅 外光源和近紅外探頭的排布，但是該排布僅限於局部腦區且未考慮一體化設計。目前還沒 有見到有關腦電和近紅外同步腦信號採集帽以及光電同步檢測探頭排布的專利。


【發明內容】

[0006] 本發明所要解決的技術問題是提供一種大腦多模態數據採集裝置及應用，以克服 上述不足或缺陷。
[0007] 為解決上述技術問題，本發明提出了一種大腦多模態數據採集裝置，包括：光源探 頭、檢測探頭、固定器和頭套；所述頭套上安裝若干所述固定器，所述光源探頭、檢測探頭分 別連接在所述固定器上；
[0008] 所述光源探頭、檢測探頭為相同結構，所述光源探頭、檢測探頭分別包括殼體、腦 電電極和光纖束；所述腦電電極安裝在所述殼體上，所述光纖束主體安裝殼體內，光纖束兩 端伸出所述殼體外；在使用時，所述腦電電極通過電極導線與外部的腦電放大器連接；所 述光源探頭的光纖束的一端緊貼頭皮，另一端與外部近紅外光源耦合，而所述檢測探頭光 纖束的一端緊貼頭皮，另一端與外部近紅外光採集放大系統耦合。
[0009] 優選的，所述光源探頭、檢測探頭分別還包括反射鏡裝置，所述光纖束分為第一光 纖束、第二光纖束，所述反射鏡裝置安裝在殼體內，所述第一光纖束、第二光纖束各有一端 與所述反射鏡裝置耦合，另外各有一端伸出所述殼體外。
[0010] 優選的，所述腦電電極為環狀電極，套在光纖束外部。但並不固定在光纖束外部， 使用時可以拆卸下來。使用時，腦電電極不直接與頭皮接觸，而是通過腦電耦合劑導通頭皮 表面的微弱電信號。
[0011] 優選的，所述腦電電極採用銀/氯化銀粉末燒結。
[0012] 優選的，所述頭套上設有若干孔，所述孔的排布按照國際標準10/20系統或國際 標準10/10電極排布系統設置。
[0013] 所述固定器由塑膠材料製成，通過固定槽7固定在頭套的所述孔上；所述固定器 中空，中空部位為固定孔，所述光源探頭、檢測探頭分別插在所述固定孔內。
[0014] 所述頭套由彈性布料按照人頭部曲度裁剪而成，戴在被試者頭上，緊緊覆蓋被試 者頭皮。
[0015] 本發明同時提出上述大腦多模態數據採集裝置的應用，在使用時，所述腦電電極 按照國際10/20系統或國際10/10系統電極放置法排布，近紅外光源傳輸光纖束12和近紅 外光檢測光纖束11成行間隔排布。
[0016] 本發明設計的腦光電信號一體化檢測探頭，使得採集帽整體結構更簡潔、緊湊，減 少了不必要的探頭和導線，減少了設備體積，更加有利於實現便攜化。
[0017] 現有的非一體化設計的腦電電極、近紅外光源和近紅外探頭分別要佔據一定的頭 皮表面空間，當檢測通道數增加時，腦電電極與近紅外光源和近紅外探頭的位置可能會重 疊，所以非一體化設計的腦電與近紅外同步採集帽的通道數不可能太多。本發明的一個優 越性在於光電信號一體化檢測探頭的設計能夠最大限度的擴展光電同步檢測通道數。目前 報導的腦電最多的檢測通道達到了 256通道，那麼使用本設計的腦光電信號一體化檢測探 頭，不僅最多可以檢測256通道腦電信號，而且近紅外光源和近紅外探頭的總數最多也可 以達到256個。由於近紅外光源和近紅外探頭之間的探測通道是一對多的關係，所以實際 探測的近紅外通道數遠遠超過256通道。
[0018] 本發明重要突出特點還在於設計了一種腦光電信號一體化檢測探頭的排布模式。 臨床和科研所使用的腦電的電極通常採取國際腦電圖學會標準電極安裝法--國際10/20 系統電極放置法或10/10系統電極放置法。而近紅外光源和探頭的放置並沒有特定的規 定。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明的技術方案作進一步具體說明。
[0020] 圖1為探頭、固定器的側視圖。
[0021] 圖2為探頭、固定器裝配立體示意圖。
[0022] 圖3為光源探頭和檢測探頭的排布模式圖。
[0023] 圖4為按照圖3排布模式下的近紅外檢測通道圖。

【具體實施方式】
[0024] 大腦多模態數據採集裝置，包括光源探頭、檢測探頭、固定器和頭套；光源探頭、檢 測探頭為相同結構。如圖1所示，檢測探頭包括殼體6、腦電電極4和第一光纖束1、第二光 纖束3,反射鏡裝置2安裝在殼體內。第一光纖束1 一端在使用時緊貼頭皮，另一端與反射 鏡裝置2耦合。第二光纖束3 -端與反射鏡裝置2耦合，另一端與外部的近紅外光採集放 大系統耦合。腦電電極4安裝在殼體6上，腦電電極4通過電極導線5與外部的腦電放大 器連接。光源探頭使用時，近紅外光源發出的光經過第二光纖束3,通過反射鏡裝置2後方 向轉換90度，再由第一光纖束1入射到大腦。檢測探頭使用時，近紅外光經過大腦組織的 出射光傳輸入第一光纖束1，通過反射鏡裝置2後方向轉換90度，再由第二光纖束3傳輸至 近紅外光採集放大系統。第一光纖束1一端緊貼頭皮。
[0025] 腦電電極4採用銀/氯化銀粉末燒結，為環狀電極，套在光纖束外部。但並不固定 在光纖束外部，使用時可以拆卸下來。使用時，腦電電極不直接與頭皮接觸，而是通過腦電 奉禹合劑導通頭皮表面的微弱電信號。
[0026] 頭套9上設有若干孔，孔的排布按照國際標準10/20系統或國際標準10/10電極 排布系統設置。固定器由塑膠材料製成，通過固定槽7固定在頭套的孔上；固定器中空，中 空部位為固定孔8。檢測時，光源探頭、檢測探頭分別插在固定孔8內。
[0027] 頭套9由彈性布料按照人頭部曲度裁剪而成，戴在被試者頭上，緊緊覆蓋被試者 頭皮10。
[0028] 當進行光電同步腦信號採集時，具體操作如下：
[0029] 首先將固定器安裝在頭套9上，將頭套9戴在被試者頭上。安裝單個探頭的過程 如下：用鑷子從固定器的光電同步檢測探頭固定孔中伸進，小心的撥開被試者的頭髮，露出 頭皮，用棉籤沾取醫用酒精擦拭被試者頭皮，然後將透明凝膠狀腦電耦合劑注滿光電同步 檢測探頭固定孔，用小木籤攪動片刻以確保耦合劑與頭皮完全接觸。最後將腦光電信號一 體化檢測探頭插入到光電同步檢測探頭固定孔中，直至第一光纖束1緊密的貼合頭皮，且 腦電電極4卡在光電同步檢測探頭固定器的上部的卡口 15上。
[0030] 現有臨床和科研所使用的腦電的電極通常採取國際腦電圖學會標準電極安裝 法--國際10/20系統電極放置法或10/10系統電極放置法。而近紅外光源和探頭的放置 並沒有特定的規定。儘管某些研究需要最大限度的擴展通道數，但是臨床和科研中並不經 常需要如此多的通道。為了使本設計的光電同步腦信號採集裝置能發揮最佳的效果，本發 明設計了一種大腦多模態數據檢測探頭的排布模式，如圖3所示。
[0031] 圖3中11、12、13都是10/10系統的分布位置，其中11表示光源探頭的位置，12 表示檢測探頭的位置，而腦電電極則在所有11和12位置上。該排布的特點是：腦電電極 按照國際10/10系統電極放置法排布，光源探頭12和檢測探頭11成行間隔排布。13是預 留空置的位置，如果特定的實驗需要擴展這些位置，只需要在紡織帽上裝上固定器插上光 源探頭或檢測探頭即可使用。擴展的排布方案不在圖3中畫出，因為其主要思想與圖3相 同。這樣的一種排布模式的優點在於利用有限數目的大腦多模態數據檢測探頭可以實現全 腦的光電同步信號檢測。雖然此排布模式下光源探頭與檢測探頭的間距並不固定，但是在 許多研究領域，例如腦機接口領域，並不要求固定的近紅外光源和探頭間距。
[0032] 以圖3所示排布模式作為一種可行的實施方案。整個系統所有的大腦多模態數據 檢測探頭安裝在圖3中11、12的位置上。腦電信號在所有的11和12上進行檢測，共有39 通道。近紅外檢測通道具體排列如圖4所示，11表示近紅外光檢測光纖束的位置，12表示 近紅外光源傳輸光纖束，黑色線段14表示近紅外檢測通道。其中，18個近紅外光源傳輸光 纖束和21個近紅外光檢測光纖束，可以檢測近紅外通道數為76。
[0033] 本發明的大腦多模態數據檢測探頭的設計能夠最大限度的擴展光電同步檢測通 道數。同時，整體結構更簡潔、緊湊，減少了不必要的探頭和導線，減少了設備體積，更加有 利於實現便攜化。
[0034] 最後所應說明的是，以上【具體實施方式】僅用以說明本發明的技術方案而非限制， 儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對 本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍，其均 應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。
【權利要求】
1. 一種大腦多模態數據採集裝置，其特徵在於，包括：光源探頭、檢測探頭、固定器和 頭套；所述頭套上安裝若干所述固定器，所述光源探頭、檢測探頭分別連接在所述固定器 上； 所述光源探頭、檢測探頭為相同結構，所述光源探頭、檢測探頭分別包括殼體、腦電電 極和光纖束；所述腦電電極安裝在所述殼體上，所述光纖束主體安裝殼體內，光纖束兩端伸 出所述殼體外；在使用時，所述腦電電極通過電極導線與外部的腦電放大器連接；所述光 源探頭的光纖束的一端緊貼頭皮，另一端與外部近紅外光源耦合，而所述檢測探頭光纖束 的一端緊貼頭皮，另一端與外部近紅外光採集放大系統耦合。
2. 根據權利要求1所述的大腦多模態數據採集裝置，其特徵在於，所述光源探頭、檢測 探頭分別還包括反射鏡裝置，所述光纖束分為第一光纖束、第二光纖束，所述反射鏡裝置安 裝在殼體內，所述第一光纖束、第二光纖束各有一端與所述反射鏡裝置耦合，另外各有一端 伸出所述殼體外。
3. 根據權利要求2所述的大腦多模態數據採集裝置，其特徵在於，所述腦電電極為環 狀電極，套在光纖束外部。
4. 根據權利要求3所述的大腦多模態數據採集裝置，其特徵在於，所述腦電電極採用 銀/氯化銀粉末燒結。
5. 根據權利要求1所述的大腦多模態數據採集裝置，其特徵在於，所述頭套上設有若 幹孔，所述孔的排布按照國際標準10/20系統或國際標準10/10電極排布系統設置。
6. 根據權利要求5所述的大腦多模態數據採集裝置，其特徵在於，所述固定器由塑膠 材料製成，通過固定槽7固定在頭套的所述孔上；所述固定器中空，中空部位為固定孔，所 述光源探頭、檢測探頭分別插在所述固定孔內。
7. 根據權利要求6所述的大腦多模態數據採集裝置，其特徵在於，所述頭套由彈性布 料按照人頭部曲度裁剪而成，戴在被試者頭上，緊緊覆蓋被試者頭皮。
8. 根據權利要求1至7之一所述的大腦多模態數據採集裝置的應用，其特徵在於，在使 用時，所述腦電電極按照國際10/20系統或國際10/10系統電極放置法排布，近紅外光源傳 輸光纖束12和近紅外光檢測光纖束11成行間隔排布。
【文檔編號】A61B5/0476GK104146707SQ201410400726
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月14日 優先權日:2014年8月14日
【發明者】駱清銘, 龔輝, 李穎, 張壘, 李鵬程 申請人:華中科技大學