【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及功能近红外光谱成像领域，具体涉及一种高分辨率便携的近红外脑功能成像系统。
技术介绍
1、功能近红外光谱成像(functional near infrared spectroscopy, fnirs)作为一种新兴的成像技术，具有如下优点：设备轻便，灵活，可在学校或医院等场所使用；信号受头动影响小，被试甚至可以在跑步运动等条件下的完成实验；能够同时提供氧合血红蛋白，脱氧合血红蛋白以及整体血红蛋白浓度的信息，从多个角度反映脑功能活动的变化；属于非侵入性技术，因此可以实施多次重复测量。而且，近十几年来的许多研究成果也充分展示了fnirs在脑科学基础研究中的广阔应用前景。一个高性能的fnirs系统可以辅助诊断患者的精神类疾病、床边实时检测患者的脑活动以及帮助研究人员探究人类大脑的奥秘等等。
2、连续波功能近红外光谱(continuous wave functional near infraredspectroscopy, cw-fnirs)技术作为一种无创神经成像手段在认知能力监测领域被大量应用。常见的cw-fnirs脑血氧检测系统硬件复杂度随血氧信号时间分辨率的提升而增加，搭建多模态生理信号采集系统过程繁琐且难以实现时钟源同步。而且，受限于笨重的设备、高昂的价格和不舒适的佩戴体验，传统的fnirs监测系统仍然无法实现连续和长期监测。
3、现有技术中，公开了一种fnirs近红外脑功能成像装置及其调整方法、脑成像系统（cn118000721a），涉及脑成像
该专利所述装置佩戴于前额，依赖推动件（
4、现有技术基于最佳3cm距离的发射探头-接收探头进行排布，该距离探测到的信息包括深层脑功能信号变化信息和浅层全局震荡干扰的噪声，故存在分辨率低，脑功能信号湮没于噪声中难以精准提取的缺陷。
5、近红外脑功能成像技术基于光源模块向脑区发射光信号，经脑区散射吸收后由探测器模块进行接收采集，光信号易受到自然情境下日光及灯光干扰，现有技术采用探头帽进行遮挡覆盖，或采用接收光纤进行传输，该方式无法实现设备的小型化，受试者难以进行便携运动。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是要提供一种高分辨率高可靠性便携的近红外脑功能成像系统。该专利技术研究并设计了一套最大支持32通道光源以及32通道探测器的连续波近红外脑成像系统。该近红外脑功能成像系统由光源模块、探测器模块、无线wifi模块、控制器模块以及上位机组成。控制器采用基于stm32h7的平台进行控制，用于实现脑部32*32通道的实时数据采集能力。在实现小型化便捷设计的同时，提供较高的空间和时间分辨率。本专利技术基于多级光强激励实现多间距通道信号采集，通过样条插值和小波滤波融合优化算法实现脑功能信号提取，有效提升信号质量和通道数量，实现自然情景下对脑功能信号的连续监测和精准提取。
2、本专利技术的目的至少通过如下技术方案之一实现。
3、一种高分辨率便携的近红外脑功能成像系统，包括可穿戴近红外装置以及上位机；可穿戴近红外装置上设有控制器模块、无线wifi模块、光源模块和探测器模块；
4、受试者进行佩戴可穿戴近红外装置后，由控制器模块对光源模块进行驱动，光源模块中的led光源被依次点亮，向受试者脑区发射第一光信号，第一光信号经脑区漫反射后产生的第二光信号由探测器模块中的光电二极管接收并转换为电流信号，经过信号处理后，由模数转换器模块(analog-to-digital converter，adc)将信号采集转换为多通道的原始光强数据并传送到控制器模块，控制器模块通过无线wifi模块将多通道的原始光强数据发送至上位机，上位机通过修改的朗伯比尔定律将多通道的原始光强数据定量转换到血氧浓度，构建实时高分辨率脑血氧变化模型，实现脑功能成像。
5、进一步地，光源模块包括多通道数模转换器（digital-to-analog converter，dac）、多个光源驱动电路和多个led光源；光源驱动电路和led光源的数量相等，一一对应；多通道模数转换器中的每一个通道控制一个光源驱动电路，分别驱动对应的led光源；
6、控制器模块将数字信号发送至多通道数模转换器端转化为模拟电压信号，再经光源驱动电路将模拟电压信号转换为电流信号，进而驱动led光源在恒定电流情况下工作，采用多通道数模转换器实现光源光强的独立可调，针对个性化人体实现自适应led光源调节；
7、所述光源驱动电路中，采用三极管的集电极与led光源的阴级连接，led光源的阳极接驱动电压，多通道数模转换器输出的模拟电压信号输入运算放大器的同相输入端，采用运算放大器实现跟随器的作用，依靠三极管的基级电流的反向变化抵消集电极电流的变化从而驱动led光源以恒定电流的形式发出第一光信号。
8、进一步地，探测器模块包括多个光电二极管、多个前置跨阻放大器、多个后级可编程增益放大器、多个滤波处理器和模数转换器(analog-to-digital converter，adc)模块；光电二极管、前置跨阻放大器、后级可编程增益放大器和滤波处理器数量相等，一一对应；模数转换器为多通道，每个通道接收一个滤波处理器输出的模拟信号，并转换为数字信号；
9、一个光电二极管和一个前置跨组放大器构成一个探测器；
10、探测器模块利用光电二极管检测人体漫反射出的近红外光即第二光信号，光电二极管将第二光信号转换为电流信号，由于光信号微弱长距离传输难以精准探测，前置跨阻放大器将电流信号转换为模拟电压信号并进行前端放大，提高微弱模拟电压信号的信噪比并通过屏蔽线传输到后级可编程增益放大器，后级可编程增益放大器编程调节不同增益，使得模拟电压信号增益到模数转换器能够读取到的范围内，滤波处理器去除掉信号中的高频仪器噪声，输入到模数转换器模块中，由模数转换器模块将去除噪声后的模拟电压信号转化为多通道的原始光强数据，最后将多通道的原始光强数据传输到控制器模块中。
11、进一步地，可穿戴近红外装置中，每个led光源发出的第一光信号所产生的第二光信号，均由两个探测器接收，每个探测器均包括一个光电二极管和一个前置跨阻放大器；一个led光源和一个探测器构成一个通道；
12、其中，led光源与对应的第一探测器之间的距离为30mm，构成30mm的长通道，led光源与对应的第一探测器的中间设置有第二探测器，第二探测器与led光源形成15mm的短通道，短距离通道含有浅层生理干扰噪声的信息，长距离通道中含有浅层干扰噪声和深层血液动力学变化，深层脑信号变化引起的血红蛋白浓度变化，在采集数据时，通过第二探测器采集的短通道数据估计第一探测器采集的本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种高分辨率便携的近红外脑功能成像系统，其特征在于，包括可穿戴近红外装置以及上位机；可穿戴近红外装置上设有控制器模块、无线WIFI模块、光源模块和探测器模块；
2.根据权利要求1所述的一种高分辨率便携的近红外脑功能成像系统，其特征在于，光源模块包括多通道数模转换器（Digital-to-analog converter，DAC）、多个光源驱动电路和多个LED光源；光源驱动电路和LED光源的数量相等，一一对应；多通道模数转换器中的每一个通道控制一个光源驱动电路，分别驱动对应的LED光源；
3.根据权利要求1所述的一种高分辨率便携的近红外脑功能成像系统，其特征在于，探测器模块包括多个光电二极管、多个前置跨阻放大器、多个后级可编程增益放大器、多个滤波处理器和模数转换器(Analog-to-digital converter，ADC)模块；光电二极管、前置跨阻放大器、后级可编程增益放大器和滤波处理器数量相等，一一对应；模数转换器为多通道，每个通道接收一个滤波处理器输出的模拟信号，并转换为数字信号；
4.根据权利要求1所述的一种高分辨率便携的近红外脑
5.根据权利要求3所述的一种高分辨率便携的近红外脑功能成像系统，其特征在于，控制器模块具有SPI通信，多通道数模转换器由具有SPI通信的控制器模块进行控制，实现LED光源的正确序列依次点亮；
6.根据权利要求1所述的一种高分辨率便携的近红外脑功能成像系统，其特征在于，控制器模块将采集到的多通道的原始光强数据中的各个通道的数据通过无线WIFI模块传输至上位机进行处理；受试者运动时头部与探头相对移动会产生运动伪影和基线漂移的误差，上位机通过基于样条插值和小波函数融合算法对输入的原始光强数据进行实时伪影去除和噪声去除，然后将进行实时伪影去除和噪声去除后的原始光强数据转换为血氧浓度数据。
7.根据权利要求6所述的一种高分辨率便携的近红外脑功能成像系统，其特征在于，上位机中，基于连续小波变换系数分布的峰度进行伪影检测评估，具体如下：
8.根据权利要求6所述的一种高分辨率便携的近红外脑功能成像系统，其特征在于，上位机中，通过第二探测器采集的短通道数据进一步滤除浅层皮肤全局振荡干扰，构建自适应滤波的误差信号，该过程等同于利用外层血液动力学变化估计诱发的血液动力学变化信号中中与其相关的生理干扰，因此第一探测器采集的长通道数据去除第二探测器采集的短通道数据就是待求的大脑活动过程的血液动力学响应即深层脑信号变化，具体如下：
9.根据权利要求6所述的一种高分辨率便携的近红外脑功能成像系统，其特征在于，上位机中，基于修改的朗伯比尔定律，输入为进行实时伪影去除和噪声去除后的原始光强数据，输出为血氧浓度；在均匀的无散射基质中，入射光与出射光的强度关系可以由修正的Beer-Lambert定律描述，表达式如下所示：
10.根据权利要求1所述的一种高分辨率便携的近红外脑功能成像系统，其特征在于，上位机中，获取包括光源和探测器的分布的光源-探测器拓扑图，将光源-探测器拓扑图，与大脑头皮标准模板进行对齐，实时绘制脑功能活动的空间分布图，构建实时高分辨率脑血氧变化模型，展示不同脑区的活动情况。
...【技术特征摘要】
1.一种高分辨率便携的近红外脑功能成像系统，其特征在于，包括可穿戴近红外装置以及上位机；可穿戴近红外装置上设有控制器模块、无线wifi模块、光源模块和探测器模块；
2.根据权利要求1所述的一种高分辨率便携的近红外脑功能成像系统，其特征在于，光源模块包括多通道数模转换器（digital-to-analog converter，dac）、多个光源驱动电路和多个led光源；光源驱动电路和led光源的数量相等，一一对应；多通道模数转换器中的每一个通道控制一个光源驱动电路，分别驱动对应的led光源；
3.根据权利要求1所述的一种高分辨率便携的近红外脑功能成像系统，其特征在于，探测器模块包括多个光电二极管、多个前置跨阻放大器、多个后级可编程增益放大器、多个滤波处理器和模数转换器(analog-to-digital converter，adc)模块；光电二极管、前置跨阻放大器、后级可编程增益放大器和滤波处理器数量相等，一一对应；模数转换器为多通道，每个通道接收一个滤波处理器输出的模拟信号，并转换为数字信号；
4.根据权利要求1所述的一种高分辨率便携的近红外脑功能成像系统，其特征在于，可穿戴近红外装置中，每个led光源发出的第一光信号所产生的第二光信号，均由两个探测器接收，每个探测器均包括一个光电二极管和一个前置跨阻放大器；一个led光源和一个探测器构成一个通道；
5.根据权利要求3所述的一种高分辨率便携的近红外脑功能成像系统，其特征在于，控制器模块具有spi通信，多通道数模转换器由具有spi通信的控制器模块进行控制，实现led光源的正确序列依次点亮；
6.根据权利要求1所述的一种高分辨率便携的近红外脑功能成像系...
【专利技术属性】
技术研发人员：杜广龙，陈楚鑫，朱晓俊，梁斌，顾金麟，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。