一种脑血流测量装置、系统及头盔的制作方法

本发明涉及近红外成像技术领域，具体涉及一种脑血流测量装置、系统及头盔。

背景技术：

随着生活水平的提高，“富裕病”越来越多，血流不畅造成的心脑血管疾病等给人们带来了巨大的伤害，在诊治中，早发现、早治疗，以及治疗效果追踪有着重要的意义，因此在近代医学中，血流测量越来越引起人们的重视。例如，在脑科学领域，研究发现当执行某个特定任务时，大脑皮层的相应位置微血管血流会大幅迅速增加。假如脑部神经通路或血流自我调节功能出现问题，会在血流测量中出现异常，预示着病人的脑功能受损，因此，目前提出了很多血流测量装置。

但是，现有的血流测量装置存在着种种缺陷，比如氙气增强CT测量对人体有辐射损伤，动脉血自旋标记的核磁共振测量成本昂贵，超声测量主要对大血管流速敏感，激光多普勒测量的穿透深度仅为毫米级，激光散斑测量的穿透深度更浅。

为了克服上述血流测量装置中的种种缺陷，目前提出了一种利用近红外扩散自相关谱(Diffuse Correlation Spectroscopy,DCS)技术对组织深层微血管红细胞流动进行测量的技术。该技术是一种无创、低成本的技术，主要原理是利用近红外光在650-900nm波段对人体组织的高穿透率和对血红细胞的敏感度，计算血流造成的反射光强自相关函数衰减速度，得出组织深层(2-3cm)微细血管的血液流动速率，该技术在近年来发展迅速，具有响应快、定量准确等优势。但是，现有的利用该技术的自相关谱血流测量装置通常采用雪崩二极管作为探测器，存在体积大、动态范围窄等缺点。

技术实现要素：

因此，本发明实施例要解决的技术问题在于现有技术中的血流测量装置体积大、动态范围窄。

为此，本发明实施例的一种脑血流测量装置，包括至少一组光源装置和至少两组探测装置；

所述光源装置包括单纵模晶体激光器、光切换器和照射光纤；

所述单纵模晶体激光器，其输出端通过光纤与所述光切换器的输入端连接，用于产生长相干长度的激光并输出；

所述光切换器，其输出端与至少两根照射光纤连接，用于将输入的一束激光切换成至少两束激光输出；

所述照射光纤，用于使激光出射至待测量部位；

所述探测装置包括单模光纤、准直装置和硅光电倍增管；

所述单模光纤，用于接收含有血流信息的相干激光并输出；

所述准直装置，用于将接收到的所述单模光纤输出的激光均匀出射到所述硅光电倍增管的接收窗口上；

所述硅光电倍增管，用于将接收到的光信号转换成电信号并输出。

优选地，所述准直装置包括梯度折射率棱镜。

优选地，所述光源装置的数量为两组，其中一组光源装置用于照射左脑，另一组光源装置用于照射右脑。

优选地，两组所述光源装置采用分时复用的方式对左脑和右脑进行照射。

优选地，所述探测装置均匀排布于所述照射光纤的周围。

优选地，所述探测装置的数量为十六组，其中八组探测装置用于探测左脑血流信息，另八组探测装置用于探测右脑血流信息。

本发明实施例的一种头盔，包括上述的脑血流测量装置和外壳；

所述脑血流测量装置位于所述外壳内部。

本发明实施例的一种脑血流测量系统，包括上述的脑血流测量装置、数据采集装置和脉冲式多光子计数装置；

所述数据采集装置，其输入端与所述脑血流测量装置的硅光电倍增管的输出端连接，其输出端与所述脉冲式多光子计数装置的输入端连接，用于对所述硅光电倍增管输出的模拟信号进行模数转换成数字信号并输出；

所述脉冲式多光子计数装置，用于进行脉冲多光子计数并获得脑血流数据。

本发明实施例的技术方案，具有如下优点：

1.本发明实施例提供的脑血流测量装置，通过设置硅光电倍增管(硅光电倍增管阵列效果更佳)，减小了脑血流测量装置的体积，提高了装置的动态范围，并且单模光纤接收到的激光经过准直装置(如梯度折射率棱镜)准直后直接利用硅光电倍增管进行光电转换，整个模块体积很小，所以将光电转换移动到了探测装置，即探测端，将光信号传播转变成为电信号传播，避免了原来采用雪崩二极管作为探测器时需要数米长的单模光纤引出信号而容易引入的动态伪影，即最大限度的减小了动态伪影，提高了信号的抗干扰能力。并且因无需笨重的数米长的光纤束，假如将该脑血流测量装置安装在头盔上，则可以大大减轻头盔的重量，提高头盔的贴合度和使用舒适度。

2.本发明实施例提供的脑血流测量装置，通过分时复用的方式提高了光源利用率。即调高光源瞬时强度，以降低噪声影响，提高了信噪比，从而可以在降低采样时间的同时保证测量精度。为避免高光强伤害局部人体组织，必须调低占空比，不断变换头部测量点，相当于总光源(切换前)一直保持在高光强，切换后的输出单点光源工作在高光强低占空比的脉冲模式，以保证平均光强在安全范围内，提高整个装置完成一次高质量全脑扫描的时间采样率。

3.本发明实施例提供的脑血流测量装置，通过设置探测装置均匀排布于照射光纤周围，提高了对血红细胞对相干散射光的扰动程度测量的全面性和准确性，从而进一步提高测量精度。

4.本发明实施例提供的头盔，通过将脑血流测量装置整体安装于外壳内部，由于脑血流测量装置与外部装置之间都是电连接/无线连接，无需采用笨重的光纤连接，并且脑血流测量装置本身具有体积小的优点，因此头盔具有重量轻、体积小、便携的优点，提高了头盔的舒适度。

5.本发明实施例提供的脑血流测量系统，通过设置脉冲式多光子计数装置，进行脉冲多光子采样，能够将采集时间降低到10ms量级，具有较高的成像时间分辨率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1中脑血流测量装置的一个具体示例的原理框图；

图2为本发明实施例1的光源装置的一个具体示例的原理框图；

图3为本发明实施例1中一个具体示例的光源装置和探测装置分布图；

图4为本发明实施例3中脑血流测量系统的一个具体示例的原理框图。

附图标记：1-光源装置，2-探测装置，11-单纵模晶体激光器，12-光切换器，13-照射光纤，21-单模光纤，22-准直装置，23-硅光电倍增管，221-梯度折射率棱镜，100-脑血流测量装置，200-数据采集装置，300-脉冲式多光子计数装置。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实施例提供一种脑血流测量装置，例如应用于对大脑视觉皮层进行全面的血流(血液流动速率)测量，如图1所示，脑血流测量装置100包括至少一组光源装置1和至少两组探测装置2。

光源装置1包括单纵模晶体激光器11、光切换器12和照射光纤13。单纵模晶体激光器11，其输出端通过光纤与光切换器12的输入端连接，用于产生长相干长度的激光并输出。优选地，该长相干长度可以是50米以上。光切换器12，其输出端与至少两根照射光纤13连接，用于将输入的一束激光切换成至少两束激光输出。照射光纤13，用于使激光出射至待测量部位。

探测装置2包括单模光纤21、准直装置22和硅光电倍增管(SiPM)23。单模光纤21，用于接收含有血流信息的相干激光并输出。照射光纤13出射的激光经血红细胞的散射等扰动作用后，被单模光纤21接收。准直装置22，用于将接收到的单模光纤21输出的激光均匀出射到硅光电倍增管23的接收窗口上。硅光电倍增管23，用于将接收到的光信号转换成电信号并输出。优选地，硅光电倍增管23可以是微型或超小型硅光电倍增管。在成像系统中，单模光纤负责采集含有血流信息的相干光强，准直装置负责将光强均匀投射在SiPM感光面上。

上述脑血流测量装置，通过设置硅光电倍增管(硅光电倍增管阵列效果更佳)，减小了脑血流测量装置的体积，提高了装置的动态范围，并且单模光纤接收到的激光经过准直装置(如梯度折射率棱镜)准直后，直接利用硅光电倍增管进行光电转换，整个模块体积很小，所以将光电转换移动到了探测装置，即探测端，将光信号传播转变成为电信号传播，避免了原来采用雪崩二极管作为探测器时需要数米长的单模光纤引出信号而容易引入的动态伪影，即最大限度的减小了动态伪影，提高了信号的抗干扰能力。并且因无需笨重的数米长的光纤束，假如将该脑血流测量装置安装在头盔上，则可以大大减轻头盔的重量，提高头盔的贴合度和使用舒适度。

优选地，如图1所示，准直装置22包括梯度折射率(Grin)棱镜221，具有形小体轻、结构简单的优点，从而可以进一步减小脑血流测量装置的体积，减轻脑血流测量装置的重量。

优选地，如图2所示，光源装置1的数量为两组，其中一组光源装置1用于照射左脑，另一组光源装置1用于照射右脑。每一组光源装置1中包括两根照射光纤13。优选地，两组光源装置1采用分时复用的方式对左脑和右脑进行照射。通过分时复用对左、右脑进行循环扫描，以达到最高的时间分辨率。通过分时复用的方式提高了光源利用率。即调高光源瞬时强度，以降低噪声影响，提高了信噪比，从而可以在降低采样时间的同时保证测量精度。为避免高光强伤害局部人体组织，必须调低占空比，不断变换头部测量点，相当于总光源(切换前)一直保持在高光强，切换后的输出单点光源工作在高光强低占空比的脉冲模式，以保证平均光强在安全范围内，提高整个装置完成一次高质量全脑扫描的时间采样率。

优选地，如图3所示，探测装置2均匀排布于照射光纤13的周围。优选地，探测装置2的数量为十六组(不限于十六组)，其中八组探测装置2用于探测左脑血流信息，另八组探测装置2用于探测右脑血流信息。通过设置探测装置均匀排布于照射光纤周围，提高了对血红细胞对相干散射光的扰动程度测量的全面性和准确性，从而进一步提高测量精度。

实施例2

本实施例提供一种头盔，包括上述实施例1的脑血流测量装置100和外壳，脑血流测量装置100位于外壳内部。

上述头盔，通过将脑血流测量装置整体安装于外壳内部，由于脑血流测量装置与外部装置之间都是电连接/无线连接，无需采用笨重的光纤连接，并且脑血流测量装置本身具有体积小的优点，因此头盔具有重量轻、体积小、便携的优点，提高了头盔的舒适度。

实施例3

本实施例提供一种脑血流测量系统，如图4所示，包括上述实施例1的脑血流测量装置100、数据采集装置200和脉冲式多光子计数装置300。

数据采集装置200，其输入端与脑血流测量装置100的硅光电倍增管23的输出端连接，其输出端与脉冲式多光子计数装置300的输入端连接，用于对硅光电倍增管23输出的模拟信号进行模数转换成数字信号并输出。优选地，数据采集装置200包括A/D数据采集卡。

脉冲式多光子计数装置300，用于进行脉冲多光子计数并获得脑血流数据。优选地，脉冲式多光子计数装置300进行的处理包括光子计数过滤、傅里叶变换、杂波过滤、自相关函数计算等。优选地，血流计算采取光强自相关算法，其扩散公式为

$(D_{\mathrm{\γ}}{\▿}^2-{\mathrm{v\μ}}_a(r)-\frac{1}{3}{\mathrm{v\μ}}_s^{,}(r){k_0}^2\<{\mathrm{\Δr}}^2(\mathrm{\τ})\>)G_1(r,\mathrm{\τ})=-vS\left(r\right)---\left(1\right)$

$D_{\mathrm{\γ}}=\frac{v}{3{\mathrm{\μ}}_s^{,}\left(r\right)}---\left(2\right)$

G₁(r,τ)为自相关函数，D_γ与血流速率直接相关，μ_a(r)为吸收系数，μ′_s(r)为散射系数，k₀为波函数，v为光速，S(r)为光源分布，可以根据血红细胞对相干散射光的扰动程度，计算血流速率。

举例来说，如采用40mW，785nm的单纵模晶体激光器，到达3cm外探测器的光子数约为5x10⁷/s，最小时间窗0.1us内，光子数可达5个，统计学意义上可以获得非常平滑的自相关曲线。即使在血流非常缓慢的情况下，2ms也足够取一个血流数据点。为避免伤害人体组织，并提高采样率，可以调低占空比。在光源切换时间(1-2ms)不可忽略的情况下，全脑扫描需要约10ms。

上述脑血流测量系统，通过设置脉冲式多光子计数装置，进行脉冲多光子采样，能够将采集时间降低到10ms量级，与常规利用fNIRS设备(通常具有亚秒级时间分辨率，目前最快100ms)进行脑部成像相比，具有较高的成像时间分辨率(多通道时信号采集的时间分辨率理论预期可达到10ms的水平)。因为脑血氧代谢活动的变化是比较缓慢的，而且还有延迟，而脑血流(血液流动速率)是随神经活动快速变化的。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。