脑活动检测方法和系统与流程

本发明涉及一种脑活动检测方法和系统，尤其涉及一种基于脑电技术采集大脑神经元的电活动，同时通过功能近红外技术同步采集对应脑区的血氧代谢变化的一体化采集系统。

背景技术：
脑功能活动包括神经元活动和局部能量代谢等多个过程，复杂的功能活动使得脑汇集了多个模态的信息，其中最为重要的是神经元的电活动和激活区域的血氧代谢变化，只有实现这两种信息的有效提取、分析和融合，才能将脑功能活动有机的联系起来。目前将神经电生理设备和代谢过程检测设备结合，充分利用两者的优势，已经成为深度探测和理解神经信息的重要途径。该系统旨在通过功能近红外光谱技术和脑电采集技术的有效融合，在同一仪器上实现近红外光谱仪、脑电仪及近红外光谱和脑电融合仪三个功能一体化技术，从而实现脑区神经电活动和血氧供应信息的同步或分别采集等多种功能。脑电技术(Electroencephalography,EEG)主要通过测量大脑神经元的电活动变化获得大脑的功能信息，其具有很高的时间分辨率(ms)。目前市场上NeuroScan公司、德国BrainProducts公司和美国EGI公司的脑电图系统，因其具有较高的采集精度得到了广泛的使用。功能近红外光谱技术(functionalNear-infraredspectroscopy,fNIRS)是从20世纪70年代发展起来的一种无创新型脑功能成像方法。其检测原理主要是基于近红外光对大脑组织的良好穿透性实现对大脑皮层的功能活动的检测。由于氧合血红蛋白(Oxy-hemoglobin)和脱氧血红蛋白(Deoxy-hemoglobin)对近红外光的不同吸收特性，fNIRS通过测量进入大脑皮层的光强和经过大脑皮层组织散射、吸收后的出射光强的变化来反应大脑皮层血氧代谢的变化。与fMRI相比，fNIRS具有较高的时间分辨率(ms)和对运动相对不敏感性；同时具有重量轻、便携、安全、价格相对便宜、并且能用于长时间的临床监测等特点。目前市场上主要有：日立公司的ETG-4000到ETG-7000系列的系统；岛津公司的FOIRE-3000、OMM-2001系统；美国TechEn公司的CW5系统；NIRxmedicaltech公司的DYNNIRI932、Dynot系统等；荷兰Artinis公司的OXYMONMKIII系统等。虽然市场上已经有很多用于检测大脑活动的设备或系统，但它们通常具有如下不足：1)脑电技术相对成熟，但有一些关键技术仍需不断改进。例如：在脑电采集过程中直流漂移的存在，很容易使放大器工作在饱和状态；共模干扰问题的存在限制了采集数据的精度；以及脑电采集过程中频率带宽有限等问题，急需发展新型的全频段采集系统。2)NIRS系统的改进大多都停留在了外观、界面、无线通信等技术层面，有关技术问题的基础研究未取得很大进展。而且在我国，NIRS系统的研制一直处于国际落后地位。3)通常它们都是基于单模态的测量技术，例如：EEG仅采集脑神经元的电活动，fNIRS仅采集激活区域的血氧代谢的变化。一方面，这些生产厂家只专心于生产单模态的测量系统，对另一种模态的测量并不精通；另一方面，双模态的联合采集系统，由于存在硬件整合成本以及数据同步融合的设计难点。截至目前，国内外尚没有光电同步检测设备或系统，也未检索到相应专利。4)随着近年来科学技术的进步以及临床上的迫切需要，将脑电与近红外技术相结合进行的基础研究和应用研究越来越多，然而目前的研究多数是将脑电电极与近红外光极简单交叉排布在某一脑区，通过外部触发来实现脑电系统和近红外系统这两个独立系统进行单独的采集，在后期的数据分析时再将两种数据进行配准和融合。这种简单设计具有如下的特点：首先，未实现电极与光极的耦合；其次，通常两个独立的采集系统的采样频率相差较大，并没有在头皮同一点处完成脑电信号与血氧信号的同步采集。此外，在后续的数据分析过程中，常常采用降采样或插值等方式进行两种信号的时间点匹配，没有真正实现脑电数据与近红外数据的融合。因此，严重限制了基础研究与临床应用的发展。

技术实现要素：
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种脑活动检测方法和系统，实现一种基于脑电技术采集大脑神经元的电活动，同时通过功能近红外技术同步采集对应脑区的血氧代谢变化的一体化采集系统。为实现上述目的，本发明提供了一种脑活动检测方法，其特征在于，所述方法为：同时进行脑电信号和脑皮层血氧信号的多路同步采集，在通道间保证采集信号的同步性，同一个时刻采集到所有位置的所述脑电信号和所述脑皮层血氧信号。进一步的，所述脑电信号和脑皮层血氧信号的多路同步采集，具体为：中央控制单元同时向血氧检测模块和脑电检测模块发送同步指令信号，所述血氧检测模块和所述脑电检测模块同时对各自模态的数据进行读取和打包标记，再将带有识别标签的有用数据上传至所述中央控制单元。进一步的，所述脑电信号和脑皮层血氧信号的采集位置一致，在头皮同一点既采集所述脑电信号又采集所述脑皮层血氧信号。进一步的，所述中央控制单元具有相应的数据采集和控制软件；所述中央控制单元具有：光通道频率、功率配置信息的下载能力，近红外数据和脑电数据的实时显示能力，数据保存能力，利用数据处理算法进行数据分析和处理的能力。为实现上述目的，本发明提供了一种脑活动检测系统，所述系统包括：多功能联合采集头盔、功能近红外光源发射模块、功能近红外检测模块、脑电检测模块、中央控制单元和上位计算机；所述多功能联合采集头盔包括：脑电电极、功能近红外光源发射光极、功能近红外光源接收光极、以及柔性材料；所述功能近红外光源发射模块包括：控制终端、调制波发生模块、LD驱动模块、光反馈模块；所述功能近红外光源发射模块，采用频分复用技术，所述近红外光源经过不同频率的载波调制，以区别不同通道的光路，所述近红外光源产生的光信号通过传输光纤从多功能联合采集头盔接入，照射头皮，经过颅脑的散射和吸收作用后，衰减的光信号再由功能近红外检测模块进行处理；所述功能近红外检测模块包括：光电转换电路、解调模块、数据处理模块；所述功能近红外检测模块用于头皮微弱光信号的探测，该头皮微弱光信号由多功能联合采集头盔上的探测光极检测，通过传输光纤连接至功能近红外检测模块进行光电转换、放大、解调处理；其中解调模块包括模拟开关选通电路、相敏检波电路、低通滤波电路，用于光通道的识别和模数转换；所述脑电检测模块包括：缓冲放大电路、信号调理模块、数据处理模块；所述脑电检测模块用于头皮微弱电信号的探测，该头皮微弱电信号由多功能联合采集头盔上的脑电电极采集，通过传输电缆连接至脑电检测模块进行放大、调理处理；所述中央控制单元是光电同步脑活动检测系统的核心，其主要负责数据流的同步和融合、向各个功能模块下发控制命令、向所述上位计算机上传数据。进一步的，所述功能近红外光源模块具体用于进行多通道的并行发射，光强以稳定功率发射，且经过载波调制。进一步的，所述的功能近红外检测模块具体用于进行多通道并行检测，通过模拟开关选通电路和相敏检波电路完成不同光通道的识别和模数转换。进一步的，所述的脑电检测模块采用零漂移运放和斩波运放相结合的缓冲放大电路。进一步的，所述的脑电检测模块，通过采样共模噪音，并使用自适应的方法滤除噪音。进一步的，所述中央控制单元具体用于分别向功能近红外检测模块和脑电检测模块发送同步指令信号，然后功能近红外检测模块和脑电检测模块同时对各自模态的数据进行读取和打包标记，再将带有识别标签的有用数据上传至所述中央控制单元。本发明脑活动检测方法和系统具有如下优点：1、这两种技术的结合，并不是简单地技术拼合。该光电同步脑活动检测系统克服了传统应用中仅将脑电电极与近红外光极简单交叉布置，而由外部触发两套独立系统进行单独采集的不足，不仅完成了多功能联合采集头盔的优化设计，也从底层硬件设置上将两种模态信号采集模块集成到一起，真正实现了光电两种信号的同步与融合。2、近红外光谱技术与脑电采集技术的结合，是光电两种信号的同步采集，相互之间的干扰可以控制到最小。3、两种信号的时间分辨率比较匹配，时间尺度一致性较好。整个一体化设备可以采用较高的采样频率，从原始数据的采集上实现在同一时刻头皮同一点处脑电信号与血氧信号的同步采集。4、近红外光谱技术和脑电技术的结合，不仅体现在设备本身采集信息的丰富和互补性，而且这种多模态的信息也具有明确的生理意义。通过光电同步检测系统可以以功能区为单位建立血氧信号与神经元活动的对应关系。5、具有便携、成本低、可长时间临床应用等优点。6、可以同步进行神经元活动和血氧浓度变化的跟踪分析，也可以对如婴儿等特殊群体进行数据采集与分析。附图说明图1为本发明脑活动检测系统的示意图；图2A和2B为本发明脑活动检测系统中的多功能联合采集头盔的示例图；图3为本发明脑活动检测系统中的功能近红外光源发射模块的原理图；图4为本发明脑活动检测系统中功能近红外检测模块的原理图；图5为本发明脑活动检测系统中的功能近红外发射光极与接收光极示意图之一；图6为本发明脑活动检测系统中的功能近红外发射光极与接收光极示意图之二；图7为本发明脑活动检测系统中脑电检测模块的原理图；图8为本发明脑活动检测系统中数据流同步的原理图。具体实施方式下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。本发明提供了一种脑活动检测方法，主要包括：同时进行脑电信号和脑皮层血氧信号的多路同步采集，在通道间保证采集信号的同步性，同一个时刻采集到所有位置的脑电信号和脑皮层血氧信号。近红外光谱技术与脑电采集技术的结合，是光电两种信号的同步采集，干扰可以控制到最小。而且这两种信号的时间分辨率比较匹配，时间尺度一致性较好。进行脑电信号和脑皮层血氧信号的多路同步采集，具体为：中央控制单元同时向血氧检测模块和脑电检测模块发送同步指令信号，血氧检测模块和脑电检测模块同时对各自模态的数据进行读取和打包标记，再将带有识别标签的有用数据上传至中央控制单元。脑电信号和脑皮层血氧信号的采集位置一致是指：可以在头皮同一点既采集脑电信号又采集脑皮层血氧信号。本方法可以利用近红外光谱技术和脑电技术的结合，通过光电同步检测系统可以以功能区为单位建立血氧信号与神经元活动的对应关系；可以同步进行神经元活动和血氧浓度变化的跟踪分析；可以对如婴儿等的特殊患者进行数据采集，辅助分析他们的脑功能活动；还可以对其它精神疾病进行研究和分析。图1为本发明脑活动检测系统的示意图，如图所示，本发明具体包括：多功能联合采集头盔1、功能近红外光源发射模块2、功能近红外检测模块3、脑电检测模块4、中央控制单元5和上位计算机6。多功能联合采集头盔1用于交叉布置脑电电极与功能近红外光极；功能近红外光源发射模块2用于控制近红外光源的稳定发射，通过光纤将信号连接至多功能联合采集头盔1；功能近红外检测模块3用于头皮微弱光信号的检测，通过光纤与多功能联合采集头盔1相连；脑电检测模块4用于头皮微弱电信号的检测，通过传输电缆与多功能联合采集头盔1相连；中央控制单元5用于整个系统的协调控制，包括数据流的同步和融合、向各个功能模块下发控制命令、向上位计算机6上传数据等；上位计算机6作为人机交互界面，用于数据的实时显示与处理、控制命令的下载等功能。作为优选的实施例，多功能联合采集头盔包括1：脑电电极、功能近红外光源发射光极、功能近红外光源接收光极。可作为更加优选的实施方案，多功能联合采集头盔可以选择覆盖头皮的柔性材料，以增加被试的试验舒适度。可作为更加优选的实施方案，多功能联合采集头盔还可以在覆盖头皮的柔性材料上布置脑电电极底座、功能近红外发射光极底座、功能近红外接收光极底座。底座和电极/光极之间采用分离式设计，以方便插拔。作为优选的实施例，功能近红外光源发射模块2包括：控制终端、调制波发生模块、LD驱动模块、光反馈模块；该功能近红外光源发射模块采用频分复用技术，光源经过不同频率的载波调制，以区别不同通道的光路，此信号通过传输光纤从多功能联合采集头盔接入，照射头皮，经过颅脑的散射和吸收作用后，衰减的光信号再由功能近红外检测模块进行处理。作为优选的实施例，功能近红外检测模块3包括：光电转换电路、解调模块、数据处理模块；该功能近红外检测模块用于头皮微弱光信号的探测，该信号由多功能联合采集头盔上的探测光极检测，通过传输光纤连接至功能近红外检测模块进行光电转换、放大、解调处理；其中解调模块包括模拟开关选通电路、相敏检波电路、低通滤波电路，用于光通道的识别和模数转换。作为优选的实施例，脑电检测模块4包括：缓冲放大电路、信号调理模块、数据处理模块；该模块脑电检测模块用于头皮微弱电信号的探测，信号由多功能联合采集头盔上的脑电电极采集，通过传输电缆连接至脑电检测模块进行放大、调理处理。中央控制单元5是光电同步脑活动检测系统的核心，其主要负责数据流的同步和融合、向各个功能模块下发控制命令、向上位计算机上传数据。一方面，完成光信号的检测。首先由上位计算机配置光源的发射频率和发射功率，然后将这些配置信息下载到中央控制单元，再由中央控制单元向功能近红外发射模块的控制器写入光源和发射频率和功率，从而生成近红外光信号的调制波。功能近红外光源发射模块产生的光信号通过传输光纤连接至多功能联合采集头盔，近红外光经过大脑的散射和吸收作用后，衰减后的微弱光信号再由多功能联合采集头盔的接收光极通过光纤传送到功能近红外检测模块，该检测模块对探测到的微弱光信号进行光电转换、解调以及相应的数据处理，然后上传到中央控制单元。另一方面，完成脑电信号的检测。头皮微弱的电信号由多功能联合采集头盔的脑电电极采集，再通过传输电缆将该微弱电信号传输到脑电检测模块进行缓冲、放大等处理，然后上传到中央控制单元。光信号与脑电信号的数据流的同步主要由中央控制单元来协调完成。图2A和2B为本发明脑活动检测系统中的多功能联合采集头盔的示例图。多功能联合采集头盔主要包括覆盖头皮的柔性材料、脑电电极底座、功能近红外发射光极底座、功能近红外接收光极底座、以及脑电电极、功能近红外发射光极、功能近红外接收光极。其中，脑电电极与功能近红外光极交叉布置。底座和电极/光极之间采用分离式设计，方便插拔。图3为本发明脑活动检测系统中的功能近红外光源发射模块的原理图。该模块主要包括控制终端、调制波发生模块、LD驱动模块、光反馈模块。首先由控制终端写入控制命令，并发送到调制波发生模块生成相应发射频率和功率的调制波信号，以控制LD以固定频率闪烁，LD工作过程中LD驱动模块和光反馈模块共同作用使其输出功率稳定的载波光信号，光反馈模块采用光电转换二极管将接收的LD功率不稳定波动反馈，同时结合LD驱动模块抑制功率波动，并可通过设置多路调制波信号发生模块和LD模块来完成多路并行载波光的控制和发射。稳定发射的光信号通过传输光纤连接至多功能联合采集头盔，发射光穿透大脑，经过散射和吸收作用后输出带有血氧信息的微弱光信号。图4为本发明脑活动检测系统中功能近红外检测模块的原理图。该模块包括光电转换模块、解调模块、数据处理模块。头皮表面微弱的光信号经由多功能联合采集头盔的近红外接收光极采集，再由传输光纤输送至功能近红外检测模块进行光电转换、放大、解调以及相应的数据处理。其中光电转换模块采用的核心部件是APD，APD将传来的携带血氧信息的光信号转化为电信号，对该电信号进行隔直处理，除去环境背景光的影响，然后将电信号交由通道解调模块进行解调。解调模块主要采用锁相放大技术对每一通道的有用信号进行解调以及后续处理。图5为本发明脑活动检测系统中的功能近红外发射光极与接收光极示意图之一，图中多个发射光极对应一个接收光极；图6为本发明脑活动检测系统中的功能近红外发射光极与接收光极示意图之二，图中一个发射光极对应多个接收光极。为了提高光源利用率，本发明采用模拟开关选通电路实现多路光通道的独立选通，近红外发射光极与接收光极的配比可以实现一对一、一对多、多对一，不仅结构简单、功能灵活，生产成本也可大大降低。图7为本发明脑活动检测系统中脑电检测模块的原理图。该模块主要包括高阻抗缓冲放大模块、信号调理模块、数据处理模块。头皮表面的微弱电信号通过多功能联合采集头盔的脑电电极采集，并由传输电缆连接至脑电检测模块进行缓冲、放大等处理。其中，高阻抗缓冲放大电路采用零漂移运算放大器和斩波运算放大器相结合的方法，减少放大器的直流漂移，同时通过采样的方法保留直流信息，然后在后端信号调理模块中，将直流抵消，获得交流信号。同时对保留的直流信号和获得的交流信号分别采用不同的放大电路，按不同的放大倍数进行放大，最后在数字端将交、直流信号整合，最后获得实际的脑电信号。针对共模干扰问题，通过数字信号处理算法滤除噪音，提高所采集数据的精度，从而提高放大器的共模抑制比。图8为本发明脑活动检测系统中数据流同步的原理图。当光电同步脑活动检测系统运行在同步采集模式下，就需要对功能近红外单元和脑电单元进行数据流的同步。中央控制单元是整个光电同步脑活动检测系统的核心，也是控制数据流同步的协调中心。首先由中央控制单元发送同步信号给相应的近红外ADC模块和脑电ADC模块，然后ADC模块对各自的近红外数据和脑电数据进行读取和打包标记，然后将带有识别标签的有用数据上传到中央控制单元进行后续处理。该同步方法保证了近红外数据和脑电数据同步采集的时间精度，真正实现了光信号和电信号的同步采集。本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：1、系统采用模块化设计，各模块的功能定位更加精确，结构合理，控制容易，稳定可靠，具有较高的集成度和扩展性。2、通过功能近红外光谱技术和脑电采集技术的有效融合，在同一仪器上可实现近红外光谱仪、脑电仪及近红外光谱和脑电融合仪三个功能一体化技术，从而实现脑区神经电活动和血氧供应信息的同步或分别采集等多种功能。3、这两种技术的结合，并不是简单地技术拼合。该光电同步脑活动检测系统克服了传统应用中仅将脑电电极与近红外光极简单交叉布置，而由外部触发两套独立系统进行单独采集的不足，不仅完成了多功能联合采集头盔的优化设计，也从底层硬件设置上将两种模态信号采集模块集成到一起，真正实现了光电两种信号的同步与融合。4、两种信号的时间分辨率比较匹配，时间尺度一致性较好。整个一体化设备可以采用较高的采样频率，从原始数据的采集上实现在同一时刻头皮同一点处脑电信号与血氧信号的同步采集。5、光电同步脑活动检测系统的数据流同步由中央控制单元协调控制。作为整个光电同步脑活动检测系统的核心部件，中央控制单元发送同步启动信号到功能近红外检测模块和脑电检测模块，然后该双模态检测模块负责对各自的数据读取和打包标记，再将带有识别标签的多通道有用数据上传至中央控制单元进行后续处理。该同步策略保证了光电信号的时间精度和同步性。6、多功能联合采集头盔，设计灵活，脑电电极与功能近红外光极交叉排布，并设置有相应的底座，方便插拔。7、功能近红外光源发射模块，采用频分复用技术克服了传统时分复用的不足，保证系统具有较高的时间精度，实现了多路光通道的并行稳定发射。采用多波长LD光源，降低了生产成本的同时，克服了由于激光光源造价高、波长范围有限、且需要光源耦合器将两个激光光源耦合到一起才能完成一路采集通道的要求的缺点。8、采用模拟开关选通电路实现多路光通道的独立选通，近红外发射光极与接收光极的配比可以实现一对一、一对多、多对一，使整个系统的光源利用率得到很大的提高。9、功能近红外检测模块采用雪崩光电二极管(APD)，与传统的光电倍增管相比，不仅生产和制造的成本大大降低，同时APD的波长适应范围也更宽。另外，由于光电倍增管具有不稳定性、抗机械冲击能力差以及“疲乏”现象等缺点，采用APD可以使系统更加持续稳定的工作。10、脑电检测模块采用零漂移运放和斩波运放相结合的缓冲放大电路，大大减少了放大器的直流漂移。针对共模干扰问题，通过采样共模噪音并使用自适应的方法滤除噪音，提高了数据的采集精度。11、从多功能联合采集头盔的设计，到功能近红外系统和脑电系统的模块化集成，以及数据流同步方法的设计，根本上将两种采集技术融合、集成，真正实现了光电同步。专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用，使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。以上所述的具体实施方式，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方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，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。