一种便携式多脑区血氧检测与实时显示系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种多脑区血氧检测与实时显示系统，包括：光源发射模块，发射双波长近红外光，通过面板模块和光纤传输至探测头盔，并输出相敏检波参考信号；光检测模块，通过光纤和探头接收探测头盔的近红外光信号，将其进行光电转换并放大；信号解调和模数转换模块，对放大的电信号进行光通道识别和模数转换，将解调得到的信号传至面板模块；控制模块，对各模块进行电路配置与控制；电源模块，为各模块提供电压；信号背板，实现不同模块的通信；面板模块，输出近红外光给探测头盔，接收探测头盔的光信号，显示采集到的信号。本发明无需额外计算机参与，集成度高，体积小，重量轻，方便携带，真正实现了脑功能成像系统的便携性。
【专利说明】一种便携式多脑区血氧检测与实时显示系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及近红外光谱脑成像【技术领域】，尤其是一种便携式多脑区血氧检测与实 时显示系统，利用ARM芯片和液晶屏实现数据预处理和实时显示。
【背景技术】
[0002] 近年来，脑成像技术成为认知神经科学方面研究的新宠，而认知神经科学为心理 学的蓬勃发展做出了重要的贡献。目前已经有几种脑成像技术被广泛应用，如功能磁共振 成像（fMRI)、正电子发射计算机断层显像（PET)、单光子发射计算机断层显像（SPECT)、脑 电（EEG)和光学成像。
[0003] 功能近红外脑功能成像技术对现有的fMRI、PET技术是一个非常有益的补充，通 过测量大脑皮层中血容、血氧的分布和变化情况来了解大脑的活动。功能近红外脑功能成 像技术能够进行实时的非侵入性测量，具有时间精度高、灵活、易用、低成本等特点。国外近 红外光谱成像技术发展较早，已有比较成熟的产品，例如日本日立公司的ETG系列、岛津的 F0IRE系列、美国TechEn公司的CW系列。然而在我国，NIRS系统的研制一直处于落后地 位。目前只有清华大学研制的"TSAH-100近红外组织血氧无损监测仪"、华中科技大学研制 的具有4个光源点、10个探测点（16个空间采样点）的测量系统，以及南京航天航空大学的 "基于STM32的近红外脑局部血氧检测装置"，而且国内外现有的设备存在以下缺点。
[0004] (1)体积大，集成度不高。例如日本日立公司的ETG系列设备机箱庞大，不方便携 带；
[0005] (2)头盔模型的固定设计，局限了探测通道的排布，不利于光通路的拓展化利用；
[0006] (3)清华大学研制的"TSAH-100近红外组织血氧无损监测仪"，因为其并不是成像 设备，无法显示大脑具体区域的血氧变化量，无法完成具体的数据分析；同时，数据采样间 隔大，可存储数据时间短；
[0007] (4)华中科技大学研制的测量系统，虽然可以成像，但需要通过专门的计算机完成 数据接收和显示测量；
[0008] (5)南京航空航天大学的"基于STM32的近红外脑局部血氧检测装置"，由于在探 测器接收部分采用时分复用技术，并且分时经过同一个运放电路进行放大，所以，此装置限 制了血氧采样通道，降低了频率分辨率。
【发明内容】
[0009] 针对上述问题，本发明的目的是提供一种真正可实现便携多脑区血氧检测与实时 显不的一体化系统。
[0010] 本发明提出的一种多脑区血氧检测与实时显示系统包括：光源发射模块、光检测 模块、信号解调和模数转换模块、控制模块、电源模块、信号背板和面板模块，其中：
[0011] 所述光源发射模块与所述控制模块和信号解调和模数转换模块连接，用于根据所 述控制模块的控制命令发射双波长近红外光，并向所述信号解调和模数转换模块输出相敏 检波参考信号，所述近红外光通过面板模块和光纤传输至探测头盔，经过人脑衰减后的光 信号通过光纤传输至面板模块上的探头；
[0012] 所述光检测模块与信号解调和模数转换模块连接，并通过光纤和面板模块上的探 头与所述探测头盔连接，用于通过光纤和探头接收经过人脑散射和吸收后的微弱近红外光 信号，将其转换为电信号并可控放大，之后输出至信号解调和模数转换模块；
[0013] 所述信号解调和模数转换模块与所述光源发射模块、光检测模块和控制模块连 接，用于对接收到的信号进行光通道识别、模数转换，并接受所述控制模块的控制命令将解 调得到的信号上传至面板模块的串口屏进行实时显示；
[0014] 所述控制模块与所述光源发射模块、光检测模块和信号解调和模数转换模块连 接，用于对于所述光源发射模块、光检测模块和信号解调和模数转换模块进行电路配置与 控制；
[0015] 所述电源模块与所述光源发射模块、光检测模块、信号解调和模数转换模块和控 制模块连接，用于为各模块提供稳定可靠的工作电压；
[0016] 所述信号背板与所述光源发射模块、光检测模块、信号解调和模数转换模块、控制 模块和电源模块连接，用于实现不同模块之间的通信；
[0017] 所述面板模块与所述光源发射模块、光检测模块和信号解调和模数转换模块连 接，用于输出双波长近红外光给探测头盔，通过探头接收探测头盔的光信号，并显示所述信 号解调和模数转换模块输出的信号。
[0018] 通过采取以上技术方案，本发明采用了更为高速、高精度的模块，如ARM控制模块 以及模拟开关阵列；采用模拟开关阵列进行光路选通；采用双路数字电位计控制光功率； 采用可编程放大器对电信号放大等。完成了一套新型的多脑区血氧检测与实时显示的一体 化系统，由此具有以下优点：
[0019] 1、内部各模块结构布局更加合理。改进后的电路不仅降低了成本，更重要的是提 高了整个系统的光源利用率，结构更加简洁高效。本发明一实施例中使用4个光源发射电 路实现8通道双波长信号的采集，每路光检测电路同时接受4通道经大脑散射和吸收的近 红外光；
[0020] 2、电路设计更加精巧。本发明使用频分复用技术实现光通路的并行发射，模拟开 关阵列选通特定频率的参考信号，解调电路可根据信号频率解调出各通道信号，实现了在 短时间内同时采集8通道数据的可能；
[0021] 3、系统各模块作用更加精确，系统整体连接性更加集成化。近红外发射模块完成 激光驱动和光功率的配置；光检测模块完成光电转换和信号的可调放大；解调模块完成各 通道信号解调与模数转换；ARM起控制核心作用；电源模块提供稳定的工作电压；串口屏实 时显示数据。各模块电路完成各自功能的同时，用信号背板将其联系在一起，克服了各模块 之间飞线连接的缺点，使系统更具整体性；
[0022] 4、系统外观更加美观、立体效果明显。由于本发明集中装载在一个小机箱里，各模 块通过信号背板紧密连接在一起，面板模块放置串口屏和光源探头，光源通过光纤与头盔 连接在一起，省去了不必要的平面空间，立体效果直观易懂，整个系统不仅在功能上更加突 出，外观上也更加美观和人性化；
[0023] 5、系统更加便携轻巧。由于本发明集成程度高，各模块高速有效的运作，使整体系 统体积小，重量轻，加之特殊的光纤探头设计，方便使用者搬动，真正实现近红外脑功能成 像系统的便携性。
【专利附图】
【附图说明】
[0024] 图1是便携式8通道多脑区血氧检测与实时显示系统的结构框图；
[0025] 图2是根据本发明一实施例的面板模块的结构示意图；
[0026] 图3是根据本发明一实施例的单通道光源发射模块的结构框图；
[0027] 图4是根据本发明一实施例的多通道光检测模块的结构框图；
[0028] 图5是根据本发明一实施例的多通道解调与采集模块的结构框图。
【具体实施方式】
[0029] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。
[0030] 图1所示是系统总框图，如图1所示，所述系统包括光源发射模块、光检测模块、信 号解调和模数转换模块、控制模块、电源模块、信号背板和面板模块，其中：
[0031] 所述光源发射模块与所述控制模块和信号解调和模数转换模块连接，用于根据所 述控制模块的控制命令发射双波长近红外光，并向所述信号解调和模数转换模块输出相敏 检波参考信号，所述近红外光通过面板模块和光纤传输至探测头盔，经过人脑衰减后通过 光纤传输到面板模块上的探头；
[0032] 具体地，所述光源发射模块产生的双波长近红外光输出至面板模块的近红外光输 出单元，然后通过光纤输出至探测头盔，如图2所示。
[0033] 在本发明一实施例中，所述光源发射模块为多通道（比如4通道）光源发射模块， 所产生的多通道近红外信号并行进行发射。所述多通道光源发射模块包括多组单通道光源 发射模块，每组单通道光源发射模块用于产生两种波长的近红外光（比如波长为690nm和 830nm的近红外光），其中，所述近红外光经过不同频率的方波调制，以区别不同的光路。
[0034] 图3是根据本发明一实施例的单通道光源发射模块的结构框图，如图3所示，单通 道光源发射模块包括单片机控制单元、激光驱动电路、载波发生电路和双路数字电位计，其 中：
[0035] 所述单片机控制单元用于接受所述控制模块的控制命令，以调节近红外光的光功 率、调节载波的频率和相位；
[0036] 所述激光驱动电路用于根据所述单片机控制单元的调节产生指定频率和相位的 近红外光，可通过监控激光驱动电路发光二极管输出电流的大小，控制光强在合理的范 围；
[0037] 所述载波发生电路用于根据所述单片机控制单元的调节产生指定频率和相位的 载波；
[0038] 所述双路数字电位计用于根据所述单片机控制单元的调节确定近红外光的发射 功率，以保证近红外光源的稳定发射。
[0039] 具体地，所述单片机控制电路控制4个DDS (直接数字式频率合成器）产生两种频 率的两组方波信号，每组方波信号由同频率的无相移和90°相移两路方波信号组成，其中， 一路方波信号作为载波信号驱动激光发生电路产生稳定的双波长近红外光信号，同时所述 单片机控制电路作用于双路数字电位计控制双波长近红外光信号以稳定的功率发射，可通 过监控激光驱动电路的发光二极管输出电流的大小，控制光强在合理的范围内；另一路方 波信号传输给所述信号解调和模数转换模块作为相敏检波的参考信号。
[0040] 所述光检测模块与信号解调和模数转换模块连接，并通过光纤和面板模块上的探 头与所述探测头盔连接，用于通过光纤和探头接收经过人脑散射和吸收后的微弱近红外光 信号，将其转换为电信号并可控放大，之后输出至信号解调和模数转换模块；
[0041] 在本发明一实施例中，所述光检测模块为多组（比如2组）光检测模块。
[0042] 图4是根据本发明一实施例的光检测模块的结构框图，如图4所示，所述多通道光 检测模块包括多组单通道光检测模块，每个单通道光检测模块包括雪崩二极管（APD)光检 测电路和可编程放大器（PGA)，其中，所述雪崩二极管光检测电路用于通过面板模块上的探 头接收经过人脑散射和吸收后的微弱光信号，并将接收到的光信号进行光电转换，转换为 电信号、进行隔直处理以除去环境光；所述可编程放大器用于对电信号进行可编程放大，以 充分利用ADC的动态范围，提高信噪比，使转换后的电信号增益可以灵活调节，放大后的电 信号传输到信号解调和模数转换模块作为有用信号进行解调。
[0043] 所述信号解调和模数转换模块与所述光源发射模块、光检测模块和控制模块连 接，用于对于接收到的电信号进行光通道识别、模数转换，具体地，利用从所述光源发射模 块和光检测模块接收到的信号解调得到对应频率的信号，从而完成不同通道信号的识别， 降低了环境光的干扰，然后接受所述控制模块的控制命令将解调得到的信号上传至面板模 块进行实时显示；
[0044] 在本发明一实施例中，所述信号解调和模数转换模块为多通道（比如4通道）信 号解调和模数转换模块，所述多通道信号解调和模数转换模块包括多组单通道信号解调和 模数转换模块，每个通道信号解调和模数转换模块用于解调两种波长的近红外电信号。
[0045] 图5是根据本发明一实施例的信号解调和模数转换模块的结构框图，如图5所示， 所述信号解调和模数转换模块包括模拟开关阵列、相敏检波电路、低通滤波电路、模数转换 电路，其中：
[0046] 所述模拟开关阵列用于根据所述控制模块的控制命令，通过模拟开关选通其中一 个Aro光检测电路，从而输入多通道的模拟电信号，同时根据频率的不同，选通来自所述光 源发射模块的特定频率的方波信号作为参考信号；
[0047] 所述相敏检波电路用于基于所述模拟电信号和参考信号进行相敏检波，利用信号 频率的不同，从模拟电信号中解调得到对应频率的信号，即把输入信号中本通道的有用信 号解调出来，得到相应通道的有用信号，保证各通道信息的准确提取；
[0048] 所述低通滤波电路和模数转换电路用于对于所述相敏检波电路的输出信号进行 数字信号处理与分析，比如低通滤波、单转差分和模数转换。
[0049] 所述控制模块与所述光源发射模块、光检测模块和信号解调和模数转换模块连 接，用于对于所述光源发射模块、光检测模块和信号解调和模数转换模块进行电路配置与 控制，比如实现方波频率、光功率的控制和光通路的选通；
[0050] 在本发明一实施例中，所述控制模块为ARM控制模块。
[0051] 所述电源模块与所述光源发射模块、光检测模块、信号解调和模数转换模块以及 控制模块连接，用于实现高低压转换和交流电整流，为各模块提供稳定可靠的工作电压；
[0052] 所述信号背板通过排插等方式与所述光源发射模块、光检测模块、信号解调和模 数转换模块、控制模块和电源模块连接，用于实现不同模块之间的通信。
[0053] 所述面板模块与所述光源发射模块、光检测模块和信号解调和模数转换模块连 接，用于输出双波长近红外光给探测头盔，通过探头接收探测头盔的光信号，并显示所述信 号解调和模数转换模块输出的信号。
[0054] 图2是根据本发明一实施例的面板模块的结构示意图，如图2所示，所述面板模块 包括串口屏显示模块、近红外光输出单元和探头，其中：
[0055] 所述串口屏显示模块用于对采集到的数据进行实时显示，在本发明一实施例中， 所述串口屏显示模块可与其它模块合为一体；
[0056] 所述近红外光输出单元用于将近红外光通过光纤输出至探测头盔；
[0057] 所述探头用于通过光纤接收所述探测头盔输出的光信号，并将接收到的光信号发 送至光检测模块。
[0058] 所述系统工作时，首先由控制模块向光源发射模块发送控制命令，确定光源发射 的频率和相位，使光源发射模块以恒定的功率和频率发射近红外光，其中：光源发射模块中 的双路数字电位计接受控制模块的控制命令确定光源的功率，DDS接受控制模块的控制命 令生成指定频率和相位的方波信号。由上可知，光源的发射功率和频率灵活可调，因此光强 发射更加稳定可控，且经过了载波调制，而且由于光源发射模块以恒定的功率和频率发射 近红外光，从而保证了数据的可靠性。所述光源发射模块产生的近红外光通过光纤传至探 测头盔，近红外光经过颅脑的散射和吸收后携带有大脑血氧信息，再由探测头盔的光纤通 过探头传至光检测模块，光检测模块将接收到的包含脑血氧信息的光信号转换为电信号， 经过可编程放大器放大后输出给信号解调和模数转换模块。所述信号解调和模数转换模块 通过相敏检波、低通滤波、单转差分等技术将不同通道的信号解调出来，再由模数转换电路 进行24位数字信号采集。最后经过对于数字信号的预处理后上传至面板模块进行显示。
[0059] 综上所述，本发明便携式多脑区血氧检测与实时显示系统，采用4通道双波长近 红外光源并行发射，利用光检测电路进行光电转换与放大，经过解调电路解调与模数转换， 利用ARM串口控制技术将采集到的数据发送到串口屏进行预处理和显示。串口屏高性能显 示与ARM高速率数据处理两个特点相结合，实现数据实时显示。本发明利用ARM控制系统， 再经串口屏显示数据，因此可将8通道近红外脑功能成像仪做成一个完整系统。
[0060] 通过实践检测，本发明的多便携式多脑区血氧检测与实时显示系统可实现大脑血 氧信号快速准确的检测、采集和显示；光功率和PGA放大倍数可灵活调节，从而有效地提高 信号的信噪比。本发明的多通道便携式多脑区血氧检测与实时显示系统克服了现有近红外 脑成像系统的不足，系统集成度高，体积小，真正体现了功能近红外脑成像系统的便携性。
[0061] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡 在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。此外，由于本发明对便携式多脑区血氧检测与实时显示的一体化系统的各个 组成部分都做出了改进，本领域技术人员可以对其中某一个或多个改进的组合形成一个新 的技术方案，这样的技术方案均在本发明的保护范围之内，在此不再一一列举。
【权利要求】
1. 一种多脑区血氧检测与实时显示系统，其特征在于，该系统包括：光源发射模块、光 检测模块、信号解调和模数转换模块、控制模块、电源模块、信号背板和面板模块，其中： 所述光源发射模块与所述控制模块和信号解调和模数转换模块连接，用于根据所述控 制模块的控制命令发射双波长近红外光，并向所述信号解调和模数转换模块输出相敏检波 参考信号，所述近红外光通过面板模块和光纤传输至探测头盔，经过人脑衰减后的光信号 通过光纤传输至面板模块上的探头； 所述光检测模块与信号解调和模数转换模块连接，并通过光纤和面板模块上的探头 与所述探测头盔连接，用于通过光纤和探头接收经过人脑散射和吸收后的微弱近红外光信 号，将其转换为电信号并可控放大，之后输出至信号解调和模数转换模块； 所述信号解调和模数转换模块与所述光源发射模块、光检测模块和控制模块连接，用 于对接收到的信号进行光通道识别、模数转换，并接受所述控制模块的控制命令将解调得 到的信号上传至面板模块进行实时显示； 所述控制模块与所述光源发射模块、光检测模块和信号解调和模数转换模块连接，用 于对于所述光源发射模块、光检测模块和信号解调和模数转换模块进行电路配置与控制； 所述电源模块与所述光源发射模块、光检测模块、信号解调和模数转换模块和控制模 块连接，用于为各模块提供稳定可靠的工作电压； 所述信号背板与所述光源发射模块、光检测模块、信号解调和模数转换模块、控制模块 和电源模块连接，用于实现不同模块之间的通信； 所述面板模块与所述光源发射模块、光检测模块和信号解调和模数转换模块连接，用 于输出双波长近红外光给探测头盔，通过探头接收探测头盔的光信号，并显示所述信号解 调和模数转换模块输出的信号。
2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光源发射模块为多通道光源发射模 块，所述多通道光源发射模块包括多组单通道光源发射模块，每组单通道光源发射模块用 于产生两种波长的近红外光。
3. 根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述单通道光源发射模块包括激光驱动 电路、载波发生电路、双位数字电位计和单片机控制单元，其中： 所述单片机控制单元用于接受所述控制模块的控制命令，以调节近红外光的光功率、 控制近红外光的光强、调节载波的频率和相位； 所述激光驱动电路用于根据所述单片机控制单元的调节产生指定频率和相位的近红 外光； 所述载波发生电路用于根据所述单片机控制单元的调节产生指定频率和相位的载 波； 所述双路数字电位计用于根据所述单片机控制单元的调节确定近红外光的发射功率。 所述的光功率可控部分，可通过监控激光驱动电路发光二极管输出电流的大小，控制 光强在合理的范围内。
4. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光检测模块为多通道光检测模块，所 述多通道光检测模块包括多组单通道光检测模块。
5. 根据权利要求4所述的系统，其特征在于，每个单通道光检测模块包括雪崩二极管 光检测电路和可编程放大器，其中，所述雪崩二极管光检测电路用于通过面板模块上的探 头接收经过人脑散射和吸收的微弱光信号，并将接收到的光信号转换为电信号、进行隔直 处理以除去环境光； 所述可编程放大器用于对电信号进行可编程放大。
6. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信号解调和模数转换模块为多通道 信号解调和模数转换模块，所述多通道信号解调和模数转换模块包括多组单通道信号解调 和模数转换模块，每个通道信号解调和模数转换模块用于解调两种波长的近红外电信号。
7. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信号解调和模数转换模块包括模拟 开关阵列、相敏检波电路、低通滤波电路、模数转换电路，其中： 所述模拟开关阵列用于根据所述控制模块的控制命令，通过模拟开关选通雪崩二极管 光检测电路，输入多通道电信号，同时根据频率的不同选通来自所述光源发射模块的特定 频率的方波信号作为参考信号； 所述相敏检波电路用于基于所述电信号和参考信号进行相敏检波，从电信号中解调得 到相应通道的信号； 所述低通滤波电路和模数转换电路用于对于所述相敏检波电路的输出信号进行数字 信号处理与分析。
8. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数字信号处理与分析至少包括低通 滤波、单转差分和模数转换。
9. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制模块为ARM控制模块。
10. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述面板模块包括串口屏显示模块、近 红外光输出单元和探头，其中： 所述串口屏显示模块用于对采集到的数据进行实时显示； 所述近红外光输出单元用于将近红外光通过光纤输出至探测头盔； 所述探头用于通过光纤接收所述探测头盔输出的光信号，并将接收到的光信号发送至 光检测模块。
【文档编号】A61B5/1455GK104107051SQ201410373398
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年7月31日 优先权日:2014年7月31日
【发明者】张鑫, 左年明, 蒋田仔, 赵瑞瑞, 司娟宁, 余坚 申请人:中国科学院自动化研究所