基于多通道近红外光谱成像的非侵入式颅内血肿检测方法与流程

本发明属于医疗诊断领域，具体提供一种基于多通道近红外光谱成像的非侵入式颅内血肿检测方法。

背景技术：

目前，对于颅内血肿的诊断通常采用CT扫描、颅内压(intracranial pressure，ICP)检测以及一系列神经学量表评定。但是，ICP检测的结果与神经学量表评定的结果的准确性和有效性并不是很理想。迟发性颅内血肿的患者可能会在血肿出现一段时间之后才表现出异常的神经病理学异常，甚至有些人始终都表现出正常的神经病理学指征。CT扫描是颅内血肿诊断的金标准，它基本上可以100％准确的识别并定位颅内血肿。但是CT的临床使用也存在很多问题。首先CT扫描必须要让患者进入到CT扫描室内，无法临床开展。因此，给在重症监护室内伤势极为严重的患者的测查工作带来了一定的困难。其次，由于我国大多数医院仪器资源有限而患者众多，往往患者送到医院几个小时后才能实际开展CT扫描测查。而法国医生、创伤医学之父R Adams Cowley在第一次世界大战期间提出过著名的“黄金一小时”的理论，即“如果病人伤势很重，60分钟决定一切，虽然60分钟后不一定立刻死亡，但一切已经无法挽回”。因此对于重伤患者，受伤后第一时间(刚到急诊室或者在急救车上)的准确诊断至关重要。另外，CT扫描具有一定的辐射性，并不是绝对安全无风险。因此患者(特别是儿童)接受CT扫描需极其谨慎。也正是由于辐射的风险，CT无法在短时间内进行多次频繁扫描，并不适用于对迟发性颅内血肿的临床监护，甚至可能会引发二次脑损伤，延误患者的康复。

通过近红外光谱成像技术(near infrared spectroscopy,NIRS)进行颅内血肿检测是一种新兴的检测技术，它已经被证明对硬膜外血肿、硬膜下血肿及浅层的脑内出血都具有良好的检测敏感性和特异性。和传统的CT扫描、颅内压检测等方法相比，利用NIRS进行颅内血肿检测具有几个无法比拟的好处：(1)没有辐射的危险，非常适用于儿童患者；(2)因为安全无伤害，可以在短时间内多次重复检测，适合对损伤后及手术后迟发性颅内血肿的临床检测；(3)易于应用在便携式设备上，可以广泛应用在急诊室、救护车以及损伤现场；(4)检测耗时短，目前已有设备的检测周期约为2分钟，适用于紧急场合，且有助于医疗资源在病人间循环利用。

但是，目前所有的研究以及市场上所有的设备均采用单通道检测方式，即基于一个NIRS检测通道分别在额叶、颞叶、顶叶和枕叶的左右两侧共8个区域轮流测量，单通道NIRS检测范围局限在3-4cm内，因此在对脑血肿区域无法预估的情况下，如此粗尺度的单通道检测很容易造成对血肿区域的漏检，而且单通道测量也无法提供信息，检测报告只能停留在脑叶的尺度，不能对血肿的空间范围进行判断。

相应地，本领域需要一种新的颅内血肿检测方法来解决上述问题。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有基于NIRS采用单通道对颅内血肿进行检测的设备检测面积较小、存在血肿漏检的情况和检测精度较低的问题，本发明提供了一种基于多通道近红外光谱成像的非侵入式颅内血肿检测方法，该颅内血肿检测方法所述颅内血肿检测方法包括以下步骤：在全头皮表面粗尺度检测颅内血肿位置；精细尺度检测血肿边界；根据血肿边界计算血肿大小。

在上述颅内血肿检测方法的优选技术方案中，所述在全头皮表面粗尺度检测颅内血肿位置的步骤进一步包括通过多通道近红外光谱成像装置在全头皮表面粗尺度检测颅内血肿位置。

在上述颅内血肿检测方法的优选技术方案中，所述通过多通道近红外光谱成像装置在全头皮表面粗尺度检测颅内血肿位置的步骤进一步包括通过两个多通道近红外光谱成像装置同时在头皮表面左右两侧对称的区域检测颅内血肿位置。

在上述颅内血肿检测方法的优选技术方案中，所述通过两个多通道近红外光谱成像装置同时在头皮表面左右两侧对称的区域检测颅内血肿位置的步骤进一步还包括：在颅内血肿检测的过程中，两个多通道近红外光谱成像装置始终对称于头皮表面的左右中分线；

在颅内血肿检测的过程中，根据ΔOD值进行检测结果分析：

I_left是左侧多通道近红外光谱成像装置检测到的近红外光输出量，I_right是右侧多通道近红外光谱成像装置检测到的近红外光输出量，当ΔOD为正且大于设定的阈值时，右侧多通道近红外光谱成像装置的下方存在血肿，当ΔOD为负且小于设定的阈值时，左侧多通道近红外光谱成像装置的下方存在血肿。

在上述颅内血肿检测方法的优选技术方案中，所述精细尺度检测血肿边界的步骤进一步包括：检测到血肿位置的多通道近红外光谱成像装置进一步对所述血肿周边的4-8个区域进行血肿检测；当所述血肿位置的周边的边缘处没有检测到新的血肿时，确定血肿边界；当所述血肿位置的周边的边缘处检测到新的血肿时，所述多通道近红外光谱成像装置进一步对所述新血肿周边的4-8个区域进行血肿检测。

在上述颅内血肿检测方法的优选技术方案中，所述近红外光的波长在650nm-950nm之间。

在上述颅内血肿检测方法的优选技术方案中，所述多通道近红外光谱成像装置包括观测模块。

在上述颅内血肿检测方法的优选技术方案中，所述观测模块设置有多个性能相同的近红外成像通道，且左右两侧的观测模块上的近红外成像通道相互对应。

在上述颅内血肿检测方法的优选技术方案中，所述近红外成像通道包括发光光源和用于检测近红外光输出量的检测探头。

在上述颅内血肿检测方法的优选技术方案中，通过多通道近红外光谱成像装置以脑叶为单位在全头皮表面进行粗尺度检测颅内血肿；或者通过多通道近红外光谱成像装置根据国际通用的10-20标准在全头皮表面粗尺度检测颅内血肿。

本领域技术人员能够理解的是，在本发明的优选技术方案中，通过两个设置有多个近红外成像通道的观测模块进行颅内血肿检测，具体地，两个观测模块在进行血肿检测时始终对称于头皮表面的左右中分线，并且两个观测模块内的近红外成像通道具有左右一一对应的关系。通过将左右两个观测模块所检测到的近红外光输出量进行对比处理，以此来判断当前该观测模块所处位置头皮下是否存在血肿。当某一观测模块检测到血肿时，该观测模块进一步对该血肿位置的周边进行血肿检测，当血肿位置的周边没有检测到新的血肿时，则可以对血肿边界进行确定；当血肿位置的周边检测到新的血肿时，该观测模块进一步对新的血肿的周边进行血肿检测，以此类推，直至检测不到新的血肿便可对血肿边界进行确定。因此，本发明的方法能够增加血肿的检测面积、降低血肿漏检概率、提高颅内血肿检测的精度，进而能够对颅内血肿边界进行精确地判断。

附图说明

图1是本发明的基于多通道近红外光谱成像的非侵入式颅内血肿检测方法的步骤流程图；

图2是近红外光在大脑组织中的传播路径示意图；

图3是本发明的基于多通道近红外光谱成像的非侵入式颅内血肿检测方法的近红外成像通道排布图；

图4是国际通用的10-20标准系统用在头皮表面进行定位的示意图；

图5是通过本发明的基于多通道近红外光谱成像的非侵入式颅内血肿检测方法的遍颅内血肿检测方位示意图；

图6是通过本发明的基于多通道近红外光谱成像的非侵入式颅内血肿检测方法的递进式检测血肿边界的示意图。

附图标记

1、发光光源；2、检测探头；3、头皮。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。例如，虽然说明书是结合附图以具有4个近红外成像通道的观测模块来对本发明的方法进行阐述说明的，但是很明显观测模块的近红外成像通道的数量可以是任意值，本领域技术人员可以根据需要对其作出调整，以便适应具体的应用场合。

如图1所示，本发明的基于多通道近红外光谱成像的非侵入式颅内血肿检测方法包括：步骤S100，在全头皮表面进行粗尺度检测颅内血肿位置；步骤S200，精细尺度检测血肿边界；步骤S300，根据血肿边界计算血肿大小。

在步骤S100中，以脑叶为单位在全头皮表面进行粗尺度检测颅内血肿，或者根据国际通用的10-20标准在全头皮表面进行粗尺度检测颅内血肿。

具体地，通过两个参数完全相同的多通道近红外光谱成像装置分别在人头皮表面左右(以人左耳方向为左，以人右耳方向为右)两侧对称的区域同时进行颅内血肿位置的检测。进一步，每个多通道近红外光谱成像装置内设置有观测模块，并且位于人头皮表面上左右两侧的观测模块的参数完全相同，更进一步，每个观测模块内分别设置有多个近红外成像通道，且左右两个观测模块上的多个近红外成像通道一一对应。

具体地，在颅内血肿检测的过程中，两个观测模块始终对称于头皮表面的左右中分线，进而使得左右两个观测模块上一一对应的近红外成像通道能够分别对颅内左右两侧相对应的位置进行检测。然后将左右两个观测模块上一一对应的近红外成像通道检测的数据进行比较，进而判定颅内左侧或右侧是否存在血肿。

判定颅内左侧或右侧是否存在血肿的公式(1)具体如下：

其中，ΔOD为光强比值，I_left是左侧观测模块上的近红外成像通道检测到的近红外光输出量，I_right是右侧观测模块上的近红外成像通道检测到的近红外光输出量。当ΔOD的绝对值超过设定的阈值th时，则左侧或右侧观测模块上的近红外成像通道的下方存在血肿；若ΔOD为正，则表示右侧近红外成像通道位置下方存出血肿；若ΔOD为负，则表示左侧位置近红外成像通道下方存在血肿。

根据步骤S100检测出血肿后，在步骤S200中，在该血肿位置的周围继续进行血肿的检测，具体地，在该血肿位置周围的4-8个方向进行血肿的搜索检测。若在该血肿位置的某一方向的边缘处没有检测出新的血肿，则停止对该方向的检测，血肿在该方向上的边界被确定；若在该血肿位置的某一方向的边缘处检测出了新的血肿，则以新的血肿位置为中心点，在新的血肿位置周围的4-8个方向进行血肿的搜索检测，直至新的血肿位置所有方向的边缘除最初的血肿外不再有其他血肿，则血肿的检测工作完成，血肿的边界被全部确定。

本领域技术人员能够理解的是，若是根据步骤S100检测出多个血肿，则每个血肿的周围都要按照步骤S200进行检测。

在步骤S300中，统计血肿的检测结果，并根据检测到的血肿边界计算血肿在头皮上的投影面积大小。

下面以图2至图6为例，对本发明的基于多通道近红外光谱成像的非侵入式颅内血肿检测方法作进一步地说明。

如图2所示，近红外成像通道主要包括发光光源1和检测探头2，且两者之间间距在2.5cm-4.5cm。其中，发光光源1所发出的近红外光的波段为650nm-950nm之间的某一单一频率。

如图3所示，在本发明的优选实施方式中，选用四个发光光源1(S1、S2、S3和S4)和四个检测探头2(D1、D2、D3和D4)形成八个近红外成像通道，其中四个近红外成像通道(Ch1、Ch2、Ch3和Ch4)覆盖左侧脑区，另外四个近红外成像通道(Ch5、Ch6、Ch7和Ch8)覆盖右侧脑区。同时根据相对空间位置关系，确定左右两个观测模块上的近红外成像通道之间的一一对应关系：Ch1-Ch5，Ch2-Ch6，Ch3-Ch7，Ch4-Ch8。

进一步，在本发明的优选实施方式中，发光光源1所发出的近红外光的波长为830nm，发射光强为4nw，在时间上连续不间断地发射，且发光光源1和检测探头2之间的间距均为3cm。进一步，不同的发光光源1采用不同的载波频率，以便能够通过一个检测探头2分别对与其相邻的近红外成像通道的信号进行解析，实现发光光源1和检测探头2之间的复用，即每个检测探头2都能够接受相邻的两个发光光源1所发出的近红外光信号并能够通过不同的载波频率区分信号是由哪个发光光源1发出的。

如图4和图5所示，按照国际通用的10-20系统先粗尺度搜索血肿位置。具体地，分别将左右两个观测模块放置于Fp1-Fp2，F3-F4，F7-F8，C3-C4，T3-T4，P3-P4，T5-T6，O1-O2共8个对称区域，每个区域持续记录时长为20秒。计算20秒内每个通道探头记录到的平均光强。根据公式(1)计算左右相互对应的近红外光成像通道间的光强比值ΔOD。

以对称区域C3-C4和相互对应的近红外成像通道Ch1-Ch5为例，若是与之对应的ΔOD为正，且绝对值大于预先设定的阈值(例如＝0.3)，则判定血肿出现在右侧近红外成像通道Ch5的下方。标记此时Ch5和Ch1的中心位置。

如图5所示，将粗尺度搜索到的颅内血肿进行精细尺度检测用以获得该血肿的边界。具体地，以标记的Ch5的中心位置为中心点，右侧观测模块按照前、后、左、右、左前、左后、右前、右后的顺序在该中心点的周围共8个方向分别进行检测；在右侧观测模块检测的过程中，左侧观测模块按照前、后、右、左、右前、右后、左前、左后的顺序与右侧观测模块同步进行检测。右侧观测模块在前后左右四个方向上据中心点的最大偏移距离均为d。由于在本发明的实施方案中，发光光源1和检测探头2的间距为3cm，所以指定d＝3cm，以便于右侧观测模块在不会漏检的前提下，提高血肿的检测效率。

如图5中(a)所示，先使右侧观测模块的检测中心(S3和S4的连线与D3和D4的连线的交点)与标记的Ch5的中心点相重合，该位置计作初始位置；然后将右侧观测模块沿从C4到Cz的方向向左移动距离1.5cm，使得Ch5与中心点重合(这种情况与粗尺度搜索时成像区域重合，可省略)，检测20秒；

如图5中(a)和(b)所示，进一步，依次，从初始位置将右侧观测模块沿从C4到T4的方向向右移动距离1.5cm，使得Ch8与中心点重合，采集20s数据；从初始位置将右侧观测模块沿从C4到F4的方向向前(鼻根点方向)移动距离1.5cm，使得Ch6与中心点重合，采集20s数据；从初始位置将右侧观测模块沿从C4到P4的方向向后移动距离1.5cm，使得Ch7与中心点重合，采集20s数据；从初始位置将观测模块向左后侧移动，使得S3与中心点重合，采集20s数据；从初始位置将观测模块向右后侧移动，使得D4与中心点重合，采集20s数据；从初始位置将观测模块向右前侧移动，使得S4与中心点重合，采集20s数据；从初始位置将观测模块向左前侧移动，使得D3与中心点重合，采集20s数据。本领域技术人员能够理解的是，右侧观测模块向左、右、前、后、左后、右后、右前、左前移动的顺序并非固定不变，本领域技术人员可根据实际需要和操作习惯做出适当调整。

需要说明的是，在右侧观测模块进行血肿检测的过程中，左侧观测模块始终与右侧观测模块对称于Fz-Cz-Pz所构成的头皮左右中分线上，以便使左右两侧的近红外成像通道能够一一相互对应。

如图5中(c)所示，图中黑点是右侧观测模块的所有近红外成像通道在中心点的8个方向的空间累计分布，其空间分辨率为1.5cm。从图5(c)中不难看出在血肿的精细尺寸检测的过程中，不同方向的近红外成像通道位置有些会重叠，使得对同一位置的重复检测能够降低检测的假阳性误差，提高检测的正确率。进一步，在每个位置的检测结束后，均根据公式(1)计算左右两个观测模块上所有对应的近红外成像通道间的平均光强比值ΔOD。若是发现右侧观测模块的某一近红外成像通道所对应的ΔOD大于预先设定的阈值th(例如th＝0.3)，则判定该通道下方有血肿，记录并标记该近红外成像通道的位置。

如图6中(a)所示，标记黑色爆炸符号的近红外成像通道其下方均存在血肿。由此可以基本判定血肿的下方(人脑后方)边界就在最初的中心点附近，宽度约为3cm。为了方便叙述将该中心点计作中心点1。

如图6中(a)和(b)所示，由于(a)中血肿位置向上(人脑前方)延伸到观测区域的边缘处，所以无法确定血肿上方的边界，因此还需要以该边缘处的近红外成像通道为新的中心点，计作中心点2(如图6(b)所示)，对其周围的8个方向进行血肿检测，其中和已检测的区域完全重合的方向(中心点2的下、左后及右后方)可以省略。

如图6中(b)所示，最终确定的血肿长约4.5cm，宽约3cm，面积约9cm²，后边界在Cz-C4-T4连线处，后边界中心临近C4。

本领域技术人员能够理解的是，在记录血肿的位置时，除了可以采用如图6所示的二维网格化位置记录方法外，还可以借助三维定位仪等外部辅助定位装置，获得人头部的立体空间信息，在三维空间中精确记录每个近红外成像通道的位置。

综上所述，通过本发明的基于多通道近红外光谱成像的非侵入式颅内血肿检测方法能够增加血肿的检测面积、降低血肿漏检概率、提高颅内血肿检测的精度，进而能够对颅内血肿边界进行精确地判断。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。