基于NIRS‑EEG的穿戴式多模态脑功能检测装置的制作方法

本实用新型涉及一种脑功能检测装置，尤其是一种基于NIRS-EEG的穿戴式多模态脑功能检测装置，属于认知神经科学领域和生命体征参数检测装置研究领域。

背景技术：

随着人们生活水平的提高，人们的健康意识日益增强，关于精神情绪领域的健康预防意识尤为突出，随时随地无负荷检测生理参数的需求也随之出现，近几年来，多模式认知功能成像已经逐渐成为现代认知神经科学领域的一个研究热点，通过几种不同技术的结合运用可以获得更多、更有价值的信息。其中，脑电图(Electro Encephalo Gram，EEG)可以直接测量神经活动的电信号，记录某一特定的事件相关电位(Event-related Potentials，ERP)；近红外光谱技术(Near-infrared Spectroscopy，NIRS)能够以ms级的时间分辨率反映了与大脑皮层激活状况相关的血液动力学参数变化信息。两种方法结合运用，具有非常广阔的应用前景。随着将NIRS脑血氧检测功能与EEG脑电检测功能相结合，可以实时监测脑组织的含氧血红蛋白与还原血红蛋白的含量，以及实时监测大脑的脑电信号，进而评估大脑认知功能状态，方便使用者通过系统自动分析后结果进行自我健康状况评估，及早采取措施控制不良情绪以及降低自身的精神压力。

大脑是一切思维活动如智力、观察力、注意力、记忆力、思考力、想象力、学习获得、认识理解、判断推理、综合分析、语言表达、社会活动、意识情感的生理基础。大脑皮层(cerebral cortex)，它大概约有140亿个神经元，信息处理的生理基础是神经元之间相互信息交流，皮层中拥有大量的血管，使得神经末梢能够及时得到养料,从而保障人体实时的对外界刺激做出反应。大脑的耗氧量占据着全身耗氧量的25％,缺氧导致大脑损伤,成人在一天中流经大脑的血液大约有2000升。所以研究脑血氧信息对脑功能分析有重大意义。

脑的结构与脑功能活动的关系是现代认知神经科学的主要研究对象，需要各种监测脑功能活动的非侵入式测量技术。现有的脑功能信号检测技术主要包括正电子发射断层扫描(positron emission tomography，PET)，单光子发射断层扫描(single positron emission computed tomography，SPECT)，功能磁共振成像(funvtional magnetic resonance imaging，fMRI)，脑电图(electroencephalography，EEG)与事件相关电位(event-related potential，ERP)，以及近红外光谱术(near-infrared spectroscopy，NIRS)等。而不同的 脑功能信号检测技术在时间分辨率和空间分辨率方面各有优势与不足之处，为了克服单独成像技术的局限，通过几种不同技术的结合，发挥各种技术优势的多模式认知功能成像正在逐步成为现代认知神经科学领域的一个研究热点。而在认知神经科学的研究中，脑电(EEG/ERP)方法能反映动态的认知过程，近红外光谱术(NIRS)能够确保被试处于更加自然的认知加工状态，便于实现认知加工过程中的多次重复测验。故脑电(EEG)与近红外光谱技术(NIRS)相结合，通过结合穿戴式检测技术，能够更加有效的推动脑功能检测的应用。

目前，脑电(EEG)检测功能与近红外光谱技术(NIRS)脑血氧检测功能一般见于医护场所的监护仪当中，为监护、健康评价提供了一种客观的生命体征参数，然而，市场上并未有将两种技术相结合的产品，现有的脑电检测产品与近红外光脑血氧检测产品不仅体积大、导联通道多，布线麻烦，操作不便、舒适度差，更会造成检测时的紧张感，给检测者带来心理压力和生理负荷，从而导致结果失真，且这些检测设备大多集中在大型医院里面，不利于用户随时随地地进行脑功能的检测以及对自身脑健康的认识。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种基于NIRS-EEG的穿戴式多模态脑功能检测装置，该装置穿戴于用户头部的前额上，穿戴时具有良好的舒适性，便于进行大脑认知功能、神经及精神疾病、睡眠和疲劳状态等场合的随时随地监测。

本实用新型的目的可以通过采取如下技术方案达到：

基于NIRS-EEG的穿戴式多模态脑功能检测装置，包括NIRS-EEG检测单元、超低功耗控制单元、状态提示单元、蓝牙通讯单元、按键输入单元以及电源供电单元；

所述NIRS-EEG检测单元用于采集用户大脑的脑血氧信号和脑电信号；

所述超低功耗控制单元分别与NIRS-EEG检测单元、状态提示单元和蓝牙通讯单元相连，超低功耗控制单元通过SPI接口与NIRS-EEG检测单元进行数据指令通信，并控制NIRS-EEG检测单元的工作方式，超低功耗控制单元通过UART串口通讯协议与蓝牙通讯单元进行数据传输通信，蓝牙通讯单元将接收到的数据发送到移动终端进行后续处理；

所述按键输入单元与电源供电单元相连，所述电源供电单元用于为NIRS-EEG检测单元、超低功耗控制单元、状态提示单元和蓝牙通讯单元供电，并进行供电保护与电源管理。

优选的，所述NIRS-EEG检测单元采用单通道NIRS检测脑血氧信号，以及采用 单导联EEG检测脑电信号，该NIRS-EEG检测单元包括NIRS探头、脑电贴片电极、脑血氧集成模拟前端以及脑电集成模拟前端，所述NIRS探头包括发光二极管和接收二极管，所述发光二极管、接收二极管和脑电贴片电极置于用户的前额，所述接收二极管接收发光二极管所发出近红外光在经过脑部组织作用后的反射光，所述NIRS探头与脑血氧集成模拟前端相连，所述脑电贴片电极与脑电集成模拟前端相连，所述脑血氧集成模拟前端和脑电集成模拟前端集成在一起，使NIRS-EEG检测单元构成多模态脑功能检测单元。

进一步的，所述脑血氧集成模拟前端包括发光二极管驱动电路、时间控制器、滤波器、放大器、三角积分模数转换器以及SPI接口，所述发光二极管驱动电路用于驱动发光二极管，所述时间控制器用于控制发光二极管按照一定时序交替发光，所述接收二极管接收的反射光信号经过滤波器、放大器、三角积分模数转换器后，由SPI接口传输给超低功耗控制单元。

进一步的，所述脑电集成模拟前端包括右腿驱动电路、滤波器、可编程仪表放大器、三角积分模数转换器以及SPI接口，所述脑电贴片电极采集的脑电信号经过右腿驱动电路、滤波器、可编程仪表放大器、三角积分模数转换器后，由SPI接口传输给超低功耗控制单元。

优选的，所述超低功耗控制单元包括中央处理器、通用外围设备接口模块、时钟定时中断模块、铁电随机存取存储器模块、JTAG接口和通信接口模块；所述中央处理器通过通用外围设备接口模块或通信接口模块接收来自NIRS-EEG检测单元和蓝牙通讯单元的数据信息，对数据进行整合处理，然后进行判断决策并将数据存储在铁电随机存取存储器模块中，所述中央处理器通过通信接口模块进行指令的收发，进而控制NIRS-EEG检测单元的工作方式，实现不同的检测功能。

进一步的，所述铁电随机存取存储器模块采用集闪存和SRAM最佳特性于一体的存储器技术，支持快速和低功耗写入，可抵抗辐射和电磁场，且不易受到攻击者攻击和保证数据安全性的功能。

进一步的，所述通信接口模块包括I²C总线、CAN总线、UART串口和SPI接口，用于不同功能单元之间的通信接口要求。

优选的，所述蓝牙通讯单元包括天线模块、链路控制模块、链路管理模块以及蓝牙协议模块，所述链路管理模块分别与天线模块和链路控制模块相连，所述蓝牙协议模块分别与天线模块和链路管理模块相连。

优选的，所述电源供电单元包括依次相连的电源充电模块、电源管理模块和LDO电源输出模块，采用多路LDO输出供电，减小了模拟电路的电源噪声，消除了各单元电源之间的相互影响，同时具有电源保护和管理的功能，提高了穿戴式产品的安全性。

优选的，所述状态提示单元为状态指示灯，根据状态指示灯的闪烁状态，用于脑功能的状态提醒；所述按键输入单元为按键开关，按下按键开关后，输入按键开关信号，控制电源供电单元为NIRS-EEG检测单元、超低功耗控制单元、状态提示单元和蓝牙通讯单元提供工作电压。

进一步的，所述脑血氧集成模拟前端选用TI公司的集成模拟前端AFE4400，用于脑血氧数据的采样和模数转换处理，通过SPI接口与超低功耗控制单元之间进行数据传输；所述脑电集成模拟前端选用TI公司的集成模拟前端ADS1291，用于脑电数据的采样和模数转换处理，通过SPI接口与超低功耗控制单元之间进行数据传输；所述超低功耗控制单元选用TI公司的超低功耗微处理器MSP430FR5969，灵活的配置微处理器的待机中断唤醒模式，极大地减小了设备运行时的功耗，延长了设备的待机时间；所述蓝牙通讯单元采用TI公司的CC2541芯片，该芯片采用蓝牙4.1标准，支持多款设备连接到一个蓝牙设备上，具备自行激活与睡眠控制功能，支持IPV6专用同代联机上网功能，提升了设备连接的灵活性，降低了LTE网络间的干扰，兼容蓝牙4.1版本以下的蓝牙设备，既能保证高速传输，又能解决功耗过大的问题；各个主要单元均采用TI公司的芯片进行电路设计，各芯片之间的参数统一，减小了分立器件引入的不必要干扰，提高了整体检测装置的准确性。

本实用新型相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本实用新型的基于NIRS-EEG的穿戴式多模态脑功能检测装置采用穿戴式检测技术，结合近红外光谱技术(NIRS)和脑电(EEG)检测技术来采集用户大脑的脑血氧信号和脑电信号，能够很大程度地丰富和提高脑功能认知活动信息检测时的精度和准确性，便携舒适、轻便小巧，方便了用户随时随地进行脑功能信息检测，为用户带来更好的医疗体验。

2、本实用新型的基于NIRS-EEG的穿戴式多模态脑功能检测装置中，超低功耗控制单元采用超低功耗技术设计，选用TI公司的超低功耗微处理器MSP430FR5969，灵活的配置微处理器的待机中断唤醒模式，极大地减小了设备运行时的功耗，延长了设备的待机时间。

3、本实用新型的基于NIRS-EEG的穿戴式多模态脑功能检测装置中，超低功耗控制单元采用新的非易失性存储器技术，嵌入铁电随机存取存储器模块，具有快速数据读写、低功耗、高寿命、可抵抗电磁场和辐射的功能。

4、本实用新型的基于NIRS-EEG的穿戴式多模态脑功能检测装置中，NIRS-EEG检测单元采用TI公司的集成模拟前端进行数据采集，工作方式灵活多变，采样精度高，误差小，功耗低，采用集成技术大大的缩减了设备板级空间，提高了穿戴式产品的轻便性与舒适性。

5、本实用新型的基于NIRS-EEG的穿戴式多模态脑功能检测装置中，电源供电单元采用多路LDO输出供电，减小了模拟电路的电源噪声，消除了各单元电源之间的相互影响，具有电源保护和管理的功能，提高了穿戴式产品的安全性。

6、本实用新型的基于NIRS-EEG的穿戴式多模态脑功能检测装置中，蓝牙通讯单元采用蓝牙4.1标准，支持多款设备连接到一个蓝牙设备上，具备自行激活与睡眠控制功能，支持IPV6专用同代联机上网功能，提升了设备连接的灵活性，降低了LTE网络间的干扰，兼容蓝牙4.1版本以下的蓝牙设备，既能保证高速传输，又能解决功耗过大的问题。

7、本实用新型的基于NIRS-EEG的穿戴式多模态脑功能检测装置中，通过蓝牙通讯单元可以将脑功能检测装置采集的数据发送到移动终端应用进行后续处理，丰富了后续功能应用的开发，便于用户随时随地了解自身的脑功能认知情况。

8、本实用新型的基于NIRS-EEG的穿戴式多模态脑功能检测装置中，各个主要单元均采用TI公司的芯片进行电路设计，各芯片之间的参数统一，减小了分立器件引入的不必要干扰，提高了整体检测装置的准确性。

附图说明

图1为本实用新型实施例的基于NIRS-EEG的穿戴式多模态脑功能检测装置的结构框图。

图2为本实用新型实施例的基于NIRS-EEG的穿戴式多模态脑功能检测装置的安装位置图。

图3为本实用新型实施例的NIRS-EEG检测单元中脑血氧集成模拟前端的工作流程图。

图4为本实用新型实施例的NIRS-EEG检测单元中脑电集成模拟前端的工作流程图。

图5为本实用新型实施例的蓝牙通讯单元的结构框图。

图6为本实用新型实施例的超低功耗控制单元的工作流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1所示，本实施例的基于NIRS-EEG的穿戴式多模态脑功能检测装置包括 NIRS-EEG检测单元、超低功耗控制单元、状态提示单元、蓝牙通讯单元、按键输入单元以及电源供电单元；所述超低功耗控制单元分别与NIRS-EEG检测单元、状态提示单元和蓝牙通讯单元相连。

如图2所示，本实施例的基于NIRS-EEG的穿戴式多模态脑功能检测装置采用穿戴式检测技术，通过集成模拟前端的运用，大大缩减了设备的板级空间，有助于穿戴式检测技术的实现，结合近红外光谱技术(NIRS)和脑电图(EEG)检测技术，穿戴于用户的前额，同时进行脑血氧和脑电信号的检测，所述NIRS-EEG检测单元用于采集用户大脑的脑血氧信号和脑电信号，其采用单通道NIRS检测脑血氧信号，以及采用单导联EEG检测脑电信号；该NIRS-EEG检测单元包括NIRS探头、脑电贴片电极、脑血氧集成模拟前端以及脑电集成模拟前端，所述NIRS探头包括发光二极管和接收二极管，所述发光二极管、接收二极管和脑电贴片电极置于用户的前额，所述接收二极管接收发光二极管所发出近红外光在经过脑部组织作用后的反射光，所述NIRS探头与脑血氧集成模拟前端相连，所述脑电贴片电极与脑电集成模拟前端相连，所述脑血氧集成模拟前端和脑电集成模拟前端集成在一起，使NIRS-EEG检测单元构成多模态脑功能检测单元。

所述脑血氧集成模拟前端选用TI(Texas Instruments，德州仪器)公司的AFE4400芯片，用于脑血氧数据的采样和模数转换处理，通过SPI接口(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)与超低功耗控制单元之间进行数据传输，其包括发光二极管驱动电路、时间控制器、滤波器、放大器、三角积分(Δ-Σ)模数转换器(ADC)以及SPI接口，所述发光二极管驱动电路用于驱动发光二极管，所述时间控制器用于控制发光二极管按照一定时序交替发光，所述接收二极管接收的反射光信号经过滤波器、放大器、三角积分模数转换器后，由SPI接口传输给超低功耗控制单元。

如图3所示，本实施例的脑血氧集成模拟前端的工作流程如下：

脑血氧集成模拟前端通过时间控制器设定的时钟频率控制发光二极管驱动电路，点亮额头前方的发光二极管，使发光二极管分时发出特定波长的近红外光照射脑部前额组织，接收二极管接收经过脑部组织作用后的光强信号，经过放大、滤波和三角积分(Δ-Σ)模数转换后，生成脑血氧的检测数据，通过脑血氧集成模拟前端的SPI接口将采集到的脑血氧信号数据传输给超低功耗控制单元。

所述脑电集成模拟前端选用TI公司的集成模拟前端ADS1291，用于脑电数据的采样和模数转换处理，通过SPI接口与超低功耗控制单元之间进行数据传输，其包括右腿驱动电路(RDL)、滤波器、可编程仪表放大器(PGA)、三角积分(Δ-Σ)模数转换器(ADC)以及SPI接口，所述脑电贴片电极采集的脑电信号经过右腿驱动电路、滤波器、可编程仪表放大器、三角积分模数转换器后，由SPI接口传输给超低功耗控制单元。

如图4所示，本实施例的脑电集成模拟前端的工作流程如下：

脑电贴片电极采集的脑电数据经过脑电集成模拟前端的右腿驱动电路，然后进行滤波、放大处理过后，通过三角积分(Δ-Σ)模数转换，生成脑电信号数据，通过脑电集成模拟前端的SPI接口将采集到的脑电信号数据传输给超低功耗控制单元。

所述超低功耗控制单元选用TI公司的超低功耗微处理器MSP430FR5969，灵活的配置微处理器的待机中断唤醒模式，极大地减小了设备运行时的功耗，延长了设备的待机时间，该超低功耗控制单元包括中央处理器、通用外围设备接口模块、时钟定时中断模块、铁电随机存取存储器模块(Ferromagnetic Random Access Memory，FRAM)、JTAG接口和通信接口模块；所述中央处理器通过通用外围设备接口模块或通信接口模块接收来自NIRS-EEG检测单元和蓝牙通讯单元的数据信息，对数据进行整合处理，然后进行判断决策并将数据存储在铁电随机存取存储器模块中，所述中央处理器通过通信接口模块进行指令的收发，进而控制NIRS-EEG检测单元的工作方式，实现不同的检测功能；其中，超低功耗控制单元通过SPI接口与NIRS-EEG检测单元进行数据指令通信，通过UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用非同步收发传输器)串口通讯协议与蓝牙通讯单元进行数据传输通信。

所述超低功耗控制单元中的铁电随机存取存储器模块采用集闪存和SRAM最佳特性于一体的存储器技术，支持快速和低功耗写入，可抵抗辐射和电磁场，且不易受到攻击者攻击和保证数据安全性的功能。

所述超低功耗控制单元中的所述通信接口模块包括I²C(Inter-Integrated Circuit，内部集成电路)总线、CAN(Controller Area Network，控制器局域网络)总线、UART串口和SPI接口，用于不同功能单元之间的通信接口要求。

所述蓝牙通讯单元采用TI公司的CC2541芯片，该芯片采用蓝牙4.1标准，支持多款设备连接到一个蓝牙设备上，具备自行激活与睡眠控制功能，支持IPV6专用同代联机上网功能，提升了设备连接的灵活性，降低了LTE网络间的干扰，兼容蓝牙4.1版本以下的蓝牙设备，既能保证高速传输，又能解决功耗过大的问题。

如图5所示，所述蓝牙通讯单元用于将接收到的数据发送到移动终端进行后续处理，其包括天线模块、链路控制模块、链路管理模块以及蓝牙协议模块，所述链路管理模块分别与天线模块和链路控制模块相连，所述蓝牙协议模块分别与天线模块和链路管理模块相连，链路管理模块通过蓝牙协议模块可以进行数据加密，加密过后的数据通过天线模块进行发送与接收。

如图6所示，本实施例的超低功耗控制单元的工作流程如下：

超低功耗控制单元通过初始化函数首先发送蓝牙连接请求，连接成功过后，对NIRS-EEG检测单元的集成模拟前端(脑血氧集成模拟前端和脑电集成模拟前端)进行 寄存器配置，使集成模拟前端工作在低功耗脑血氧与脑电信号检测方式，配置完成过后，通过中断进行脑功能检测装置的佩戴检测，佩戴上脑功能检测装置后开启NIRS-EEG检测功能，进入外围设备终端等待函数，脑血氧与脑电信号数据生成后触发外围中断信号跳变，进入数据发送程序，超低功耗控制单元将接收到的数据发送给蓝牙通讯单元发送到移动终端应用的蓝牙接收端，至此，完成一个周期的数据收发。

所述状态提示单元为状态指示灯，根据状态指示灯的闪烁状态，用于脑功能的状态提醒；所述按键输入单元为按键开关，其与电源供电单元相连，按下按键开关后，输入按键开关信号，控制电源供电单元为NIRS-EEG检测单元、超低功耗控制单元、状态提示单元和蓝牙通讯单元提供工作电压；所述电源供电单元包括依次相连的电源充电模块、电源管理模块和LDO(low dropout regulator，低压差线性稳压器)电源输出模块，采用多路LDO输出供电，减小了模拟电路的电源噪声，消除了各单元电源之间的相互影响，同时具有电源保护和管理的功能，提高了穿戴式产品的安全性。

上述实施例中的移动终端可以是智能手机、平板电脑、PDA手持终端等。

综上所述，本实用新型的基于NIRS-EEG的穿戴式多模态脑功能检测装置采用穿戴式检测技术，结合近红外光谱技术(NIRS)和脑电(EEG)检测技术来采集用户大脑的脑血氧信号和脑电信号，能够很大程度地丰富和提高脑功能认知活动信息检测时的精度和准确性，便携舒适、轻便小巧，方便了用户随时随地进行脑功能信息检测，为用户带来更好的医疗体验。

以上所述，仅为本实用新型专利较佳的实施例，但本实用新型专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型专利所公开的范围内，根据本实用新型专利的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都属于本实用新型专利的保护范围。