一种新型TMS-fNIRS脑成像装置的制作方法

背景技术

围绕认知神经科学的研究，发展了很多脑成像技术，包括脑电图、脑磁图、功能性磁共振成像、功能近红外光谱技术等。现在这些单一的脑成像技术，只能给出认知活动与神经活动的关联性，不能用来研究脑区之间动态因果关系。而脑调控技术可以直接干预神经元活动，可以直接揭示脑区的信息流。现有设备虽然能用于脑血氧信号成像，但是它们都是单一的成像系统，不能结合tms设备进行使用，也就是不具备脑调控的能力，这就限制了它们不能应用于脑区之间动态因果联系的研究。目前唯一公开的能结合tms设备的装置不能做到实时的脑成像。因此我们设计了一种利用近红外光谱技术和经颅刺激技术的装置，实现在磁刺激的同时监控脑血氧变化。

现有技术存在以下几个缺点：

1、现有的近红外脑成像设备，前置光探头多采集集成电子电路，难以承受强磁场的干扰

2、其次，前置光探头高度一般在3cm左右，而tms刺激要尽可能的贴近头皮，这样的高度使得tms刺激难以达到预期效果。

3、现有的近红外脑成像设备也不能与tms设备进行数据通信，所以现有的近红外脑成像设备不能在tms刺激的同时，进行脑血氧信号的采集，也就是不能结合tms设备进行刺激，这就限制了这些设备不能用于脑区之间动态的因果关系的研究。

本发明将前置探头改为光纤结构，并内置反射镜，同时集成了滤波功能、功率谱计算功能和去噪功能，还设计了bnc通信接口与tms设备进行通信。实现了避免强磁场由于电磁感应现象产生的感应电流带来的干扰，有效降低了探头的高度，保证了tms刺激的有效距离，实时实现脑血氧预信号处理，控制tms刺激的开始和停止。

技术实现要素：

针对现有技术的缺点，本发明将前置探头改为光纤结构，并内置反射镜，同时集成了滤波功能、功率谱计算功能和去噪功能，还设计了bnc通信接口与tms设备进行通信。实现了避免强磁场由于电磁感应现象产生的感应电流带来的干扰，有效降低了探头的高度，保证了tms刺激的有效距离，实时实现脑血氧预信号处理，控制tms刺激的开始和停止。

本发明提供一种利用近红外光谱技术和经颅刺激技术来实现在磁刺激的同时监控脑血氧变化的装置，其特征在于，其包括光纤探头、fnirs硬件设备、上位机处理模块、tms刺激器。

所述光纤探头，其特征在于：包括发射光纤和接收光纤，材料选用石英光纤，内置反射镜使光路改变90°，使探头的高度降低至5mm。

所述的fnirs硬件设备，其特征在于：光电转换模块200采用apd模块c5460，此模块将光纤接收端采集到的光信号转化为电信号，放大和滤波模块204采用6阶巴特沃兹滤波器和pga204数字放大器实现对电信号的放大和滤波处理。

所述的上位机处理模块，其特征在于：ni采集板卡300采用多功能采集卡pci6251，实现上位机处理模块400与各模块的通信和模拟至数字信号的转换，供电模块201实现对各模块的供电，选用的是稳压芯片lm7805，光源驱动模块202采用以nzp为核心芯片的驱动电路，实现对激光二级管的控制。

所述的上tms刺激器，其特征在于：bnc接口与该刺激器进行通信，实现上位机处理模块对刺激器的实时控制。

本发明所述的tms-fnirs脑成像装置的具体工作方式为：光纤探头包括发射光纤和接收光纤，发射光纤受上位机处理模块控制发出波长分别为690nm和830nm的双波长近红外光后，经大脑皮层发射后的近红外光由接收光纤采集，再由fnirs处理传输至上位机处理模块，上位机处理模块处理采集到的脑血氧信号，可以控制tms设备对脑进行磁刺激。这样形成一个闭合的环路。实现在tms刺激下的实时脑血氧信号的成像，并能实时对采集到的信号进行滤波、功率谱计算和去噪等预处理过程。

本装置的具体硬件结构:

光纤接收端100和光纤发射端101材料选用石英光纤，内置反射镜使光路改变90°，使探头的高度降低至5mm，光电转换模块200采用apd模块c5460，此模块将光纤接收端采集到的光信号转化为电信号，放大和滤波模块204采用6阶巴特沃兹滤波器和pga204数字放大器实现对电信号的放大和滤波处理，ni采集板卡300采用多功能采集卡pci6251，实现上位机处理模块400与各模块的通信和模拟至数字信号的转换，供电模块201实现对各模块的供电，选用的是稳压芯片lm7805，光源驱动模块202采用以nzp为核心芯片的驱动电路，实现对激光二级管的控制，bnc接口203实现对tms设备的通信，tms设备102用于对大脑进行磁刺激，采用的装置是magstim(rapid2)磁刺激器。

前置光纤探头结构设计:

前置光纤探头的设计:在光纤的前端内置一个角度为45°的反射镜，这样就可以使光的传播路径改变90°，这样的好处就是可以有效的降低前置探头的高度，本装置的光纤探头高度是5mm，这样就可以保证了tms刺激的有效性。光纤发射端与光纤接收端的结构类似，只是近红外光的传播方向不同。

与tms通信结构设计:

本装置tms刺激器采用的是magstim(rapid2)磁刺激器，本装置设计了bnc接口与该刺激器进行通信，实现上位机处理模块对刺激器的实时控制.

本发明的优点：

1、多芯光纤组合的方式实现双波长近红外光的单端发射，实现了两个通道的同时采集；

2、光纤发射端采用嵌入直角反射镜的方式，有效的降低了光纤探头的高度，保证了tms线圈与头皮之间进行有效刺激的距离，是本系统实现兼容tms设备并实时采集脑血氧信号功能的硬件关键部分设计；

3、本系统采用时分复用的方式进行多通道的复用，有效的避免了通道之间的信号串扰；

4、本系统可通过bnc接口实现与magstim(rapid2)刺激设备的通信，通过本系统的上位机软件交互界面控制magstim(rapid2)设备刺激模式的开启和停止，上位机软件能自动标记并记录下tms开启的时间；

5、集成了滤波算法、功率谱算法和去除头皮血氧信号干扰的设计，且可以自由选择。

附图说明

图1是本发明的装置的工作流程示意图。

图2是本装置的硬件结构示意图。

图3是前置光纤探头的结构示意图。

图4是本装置在tms刺激下采集的脑血氧信号效果图。

图5tms刺激方向示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明的具体实施例如以下说明：

本发明提供一种利用近红外光谱技术和经颅刺激技术来实现在磁刺激的同时监控脑血氧变化的装置，其特征在于，其包括光纤探头、fnirs硬件设备、上位机处理模块、tms刺激器。

所述光纤探头，其特征在于：包括发射光纤和接收光纤，材料选用石英光纤，内置反射镜使光路改变90°，使探头的高度降低至5mm。

所述的fnirs硬件设备，其特征在于：包括光电转换模块、放大和滤波模块、供电模块、光源驱动模块、bnc接口模块和ni采集板卡；光电转换模块200采用apd模块c5460，此模块将光纤接收端采集到的光信号转化为电信号，放大和滤波模块204采用6阶巴特沃兹滤波器和pga204数字放大器实现对电信号的放大和滤波处理。

所述的上位机处理模块，其特征在于：ni采集板卡300采用多功能采集卡pci6251，实现上位机处理模块400与各模块的通信和模拟至数字信号的转换，供电模块201实现对各模块的供电，选用的是稳压芯片lm7805，光源驱动模块202采用以nzp为核心芯片的驱动电路，实现对激光二级管的控制。

所述的上tms刺激器，其特征在于：bnc接口与该刺激器进行通信，实现上位机处理模块对刺激器的实时控制。

本发明所述的tms-fnirs脑成像装置的具体工作方式为：光纤探头包括发射光纤和接收光纤，发射光纤受上位机处理模块控制发出波长分别为690nm和830nm的双波长近红外光后，经大脑皮层发射后的近红外光由接收光纤采集，再由fnirs处理传输至上位机处理模块，上位机处理模块处理采集到的脑血氧信号，可以控制tms设备对脑进行磁刺激。这样形成一个闭合的环路。实现在tms刺激下的实时脑血氧信号的成像，并能实时对采集到的信号进行滤波、功率谱计算和去噪等预处理过程。

具体而言，图1为本装置工作方式的结构图，主要包括光纤探头、fnirs硬件设备、上位机处理模块、tms刺激器。具体工作方式为：光纤探头包括发射光纤和接收光纤，发射光纤受上位机处理模块控制发出波长分别为690nm和830nm的双波长近红外光后，经大脑皮层发射后的近红外光由接收光纤采集，再由fnirs处理传输至上位机处理模块，上位机处理模块处理采集到的脑血氧信号，可以控制tms设备对脑进行磁刺激。这样形成一个闭合的环路。实现在tms刺激下的实时脑血氧信号的成像，并能实时对采集到的信号进行滤波、功率谱计算和去噪等预处理过程。

本装置的硬件结构如图2所示，光纤接收端100和光纤发射端101材料选用石英光纤，内置反射镜使光路改变90°，使探头的高度降低至5mm，光电转换模块200采用apd模块c5460，此模块将光纤接收端采集到的光信号转化为电信号，放大和滤波模块204采用6阶巴特沃兹滤波器和pga204数字放大器实现对电信号的放大和滤波处理，ni采集板卡300采用多功能采集卡pci6251，实现上位机处理模块400与各模块的通信和模拟至数字信号的转换，供电模块201实现对各模块的供电，选用的是稳压芯片lm7805，光源驱动模块202采用以nzp为核心芯片的驱动电路，实现对激光二级管的控制，bnc接口203实现对tms设备的通信，tms设备102用于对大脑进行磁刺激，采用的装置是magstim磁刺激器。

前置光纤探头的设计结构如图3所示，在光纤的前端内置一个角度为45°的反射镜，这样就可以使光的传播路径改变90°，这样的好处就是可以有效的降低前置探头的高度，本装置的光纤探头高度是5mm，这样就可以保证了tms刺激的有效性。光纤发射端与光纤接收端的结构类似，只是近红外光的传播方向不同。

本装置tms刺激器采用的是magstim磁刺激器，本装置设计了bnc接口与该刺激器进行通信，实现上位机处理模块对刺激器的实时控制。

积极效果：本装置实现了能在tms刺激下利用近红外技术实时进行脑血氧信号的成像。

为了验证性能，设计了验证了实验，实验过程如下：

(1)tms刺激器采用magstim，设置magstim刺激器设备参数和本系统的参数，刺激频率设置为10hz，刺激强度设置为110％，刺激模式设置为重复刺激；

(2)先将本fnirs采集系统的光纤接收端探头固定于大脑前额fp1处，光纤发射端探头与光纤接收端探头的距离为3cm；

(3)再将magstim线圈固定于前额区域，位于光纤探头之上，紧贴光纤探头，使线圈产生的磁场能垂直的刺激大脑前额区域，同时使本系统能采集到刺激区域血氧信号；

(4)先启动本系统，待波形稳定后，再通过本系统启动magstim刺激器，实时记录tms刺激下采集到的fnirs信号；

(5)对照组试验过程和实验条件与tms-fnirs联合实验组过程相同，不同之处为tms线圈的刺激方向，就是对照实验的magstim线圈刺激方向，如图5中a图所示，与前额保持平行状态，同时保持与光纤探头的接触，而tms刺激实验组的线圈刺激方向如图5中b图所示，垂直于前额，这样对照实验的magstim线圈产生的磁场不会刺激到大脑前额区域，记录下波形与实验组对照。

最终的结果如图4，图中竖直的实线为tms刺激开始的时间，在刺激后2秒左右会出现含氧血红蛋白浓度的上升和脱氧血红蛋白的下降，可以看出本系统能实现在tms刺激下同步实时的对脑血氧信号进行成像。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。