腦活動檢測方法和系統與流程

本發明涉及一種腦活動檢測方法和系統，尤其涉及一種基于腦電技術采集大腦神經元的電活動，同時通過功能近紅外技術同步采集對應腦區的血氧代謝變化的一體化采集系統。

背景技術：
腦功能活動包括神經元活動和局部能量代謝等多個過程，復雜的功能活動使得腦匯集了多個模態的信息，其中最為重要的是神經元的電活動和激活區域的血氧代謝變化，只有實現這兩種信息的有效提取、分析和融合，才能將腦功能活動有機的聯系起來。目前將神經電生理設備和代謝過程檢測設備結合，充分利用兩者的優勢，已經成為深度探測和理解神經信息的重要途徑。該系統旨在通過功能近紅外光譜技術和腦電采集技術的有效融合，在同一儀器上實現近紅外光譜儀、腦電儀及近紅外光譜和腦電融合儀三個功能一體化技術，從而實現腦區神經電活動和血氧供應信息的同步或分別采集等多種功能。腦電技術(Electroencephalography,EEG)主要通過測量大腦神經元的電活動變化獲得大腦的功能信息，其具有很高的時間分辨率(ms)。目前市場上NeuroScan公司、德國BrainProducts公司和美國EGI公司的腦電圖系統，因其具有較高的采集精度得到了廣泛的使用。功能近紅外光譜技術(functionalNear-infraredspectroscopy,fNIRS)是從20世紀70年代發展起來的一種無創新型腦功能成像方法。其檢測原理主要是基于近紅外光對大腦組織的良好穿透性實現對大腦皮層的功能活動的檢測。由于氧合血紅蛋白(Oxy-hemoglobin)和脫氧血紅蛋白(Deoxy-hemoglobin)對近紅外光的不同吸收特性，fNIRS通過測量進入大腦皮層的光強和經過大腦皮層組織散射、吸收后的出射光強的變化來反應大腦皮層血氧代謝的變化。與fMRI相比，fNIRS具有較高的時間分辨率(ms)和對運動相對不敏感性；同時具有重量輕、便攜、安全、價格相對便宜、并且能用于長時間的臨床監測等特點。目前市場上主要有：日立公司的ETG-4000到ETG-7000系列的系統；島津公司的FOIRE-3000、OMM-2001系統；美國TechEn公司的CW5系統；NIRxmedicaltech公司的DYNNIRI932、Dynot系統等；荷蘭Artinis公司的OXYMONMKIII系統等。雖然市場上已經有很多用于檢測大腦活動的設備或系統，但它們通常具有如下不足：1)腦電技術相對成熟，但有一些關鍵技術仍需不斷改進。例如：在腦電采集過程中直流漂移的存在，很容易使放大器工作在飽和狀態；共模干擾問題的存在限制了采集數據的精度；以及腦電采集過程中頻率帶寬有限等問題，急需發展新型的全頻段采集系統。2)NIRS系統的改進大多都停留在了外觀、界面、無線通信等技術層面，有關技術問題的基礎研究未取得很大進展。而且在我國，NIRS系統的研制一直處于國際落后地位。3)通常它們都是基于單模態的測量技術，例如：EEG僅采集腦神經元的電活動，fNIRS僅采集激活區域的血氧代謝的變化。一方面，這些生產廠家只專心于生產單模態的測量系統，對另一種模態的測量并不精通；另一方面，雙模態的聯合采集系統，由于存在硬件整合成本以及數據同步融合的設計難點。截至目前，國內外尚沒有光電同步檢測設備或系統，也未檢索到相應專利。4)隨著近年來科學技術的進步以及臨床上的迫切需要，將腦電與近紅外技術相結合進行的基礎研究和應用研究越來越多，然而目前的研究多數是將腦電電極與近紅外光極簡單交叉排布在某一腦區，通過外部觸發來實現腦電系統和近紅外系統這兩個獨立系統進行單獨的采集，在后期的數據分析時再將兩種數據進行配準和融合。這種簡單設計具有如下的特點：首先，未實現電極與光極的耦合；其次，通常兩個獨立的采集系統的采樣頻率相差較大，并沒有在頭皮同一點處完成腦電信號與血氧信號的同步采集。此外，在后續的數據分析過程中，常常采用降采樣或插值等方式進行兩種信號的時間點匹配，沒有真正實現腦電數據與近紅外數據的融合。因此，嚴重限制了基礎研究與臨床應用的發展。

技術實現要素：
本發明的目的是針對現有技術的缺陷，提供一種腦活動檢測方法和系統，實現一種基于腦電技術采集大腦神經元的電活動，同時通過功能近紅外技術同步采集對應腦區的血氧代謝變化的一體化采集系統。為實現上述目的，本發明提供了一種腦活動檢測方法，其特征在于，所述方法為：同時進行腦電信號和腦皮層血氧信號的多路同步采集，在通道間保證采集信號的同步性，同一個時刻采集到所有位置的所述腦電信號和所述腦皮層血氧信號。進一步的，所述腦電信號和腦皮層血氧信號的多路同步采集，具體為：中央控制單元同時向血氧檢測模塊和腦電檢測模塊發送同步指令信號，所述血氧檢測模塊和所述腦電檢測模塊同時對各自模態的數據進行讀取和打包標記，再將帶有識別標簽的有用數據上傳至所述中央控制單元。進一步的，所述腦電信號和腦皮層血氧信號的采集位置一致，在頭皮同一點既采集所述腦電信號又采集所述腦皮層血氧信號。進一步的，所述中央控制單元具有相應的數據采集和控制軟件；所述中央控制單元具有：光通道頻率、功率配置信息的下載能力，近紅外數據和腦電數據的實時顯示能力，數據保存能力，利用數據處理算法進行數據分析和處理的能力。為實現上述目的，本發明提供了一種腦活動檢測系統，所述系統包括：多功能聯合采集頭盔、功能近紅外光源發射模塊、功能近紅外檢測模塊、腦電檢測模塊、中央控制單元和上位計算機；所述多功能聯合采集頭盔包括：腦電電極、功能近紅外光源發射光極、功能近紅外光源接收光極、以及柔性材料；所述功能近紅外光源發射模塊包括：控制終端、調制波發生模塊、LD驅動模塊、光反饋模塊；所述功能近紅外光源發射模塊，采用頻分復用技術，所述近紅外光源經過不同頻率的載波調制，以區別不同通道的光路，所述近紅外光源產生的光信號通過傳輸光纖從多功能聯合采集頭盔接入，照射頭皮，經過顱腦的散射和吸收作用后，衰減的光信號再由功能近紅外檢測模塊進行處理；所述功能近紅外檢測模塊包括：光電轉換電路、解調模塊、數據處理模塊；所述功能近紅外檢測模塊用于頭皮微弱光信號的探測，該頭皮微弱光信號由多功能聯合采集頭盔上的探測光極檢測，通過傳輸光纖連接至功能近紅外檢測模塊進行光電轉換、放大、解調處理；其中解調模塊包括模擬開關選通電路、相敏檢波電路、低通濾波電路，用于光通道的識別和模數轉換；所述腦電檢測模塊包括：緩沖放大電路、信號調理模塊、數據處理模塊；所述腦電檢測模塊用于頭皮微弱電信號的探測，該頭皮微弱電信號由多功能聯合采集頭盔上的腦電電極采集，通過傳輸電纜連接至腦電檢測模塊進行放大、調理處理；所述中央控制單元是光電同步腦活動檢測系統的核心，其主要負責數據流的同步和融合、向各個功能模塊下發控制命令、向所述上位計算機上傳數據。進一步的，所述功能近紅外光源模塊具體用于進行多通道的并行發射，光強以穩定功率發射，且經過載波調制。進一步的，所述的功能近紅外檢測模塊具體用于進行多通道并行檢測，通過模擬開關選通電路和相敏檢波電路完成不同光通道的識別和模數轉換。進一步的，所述的腦電檢測模塊采用零漂移運放和斬波運放相結合的緩沖放大電路。進一步的，所述的腦電檢測模塊，通過采樣共模噪音，并使用自適應的方法濾除噪音。進一步的，所述中央控制單元具體用于分別向功能近紅外檢測模塊和腦電檢測模塊發送同步指令信號，然后功能近紅外檢測模塊和腦電檢測模塊同時對各自模態的數據進行讀取和打包標記，再將帶有識別標簽的有用數據上傳至所述中央控制單元。本發明腦活動檢測方法和系統具有如下優點：1、這兩種技術的結合，并不是簡單地技術拼合。該光電同步腦活動檢測系統克服了傳統應用中僅將腦電電極與近紅外光極簡單交叉布置，而由外部觸發兩套獨立系統進行單獨采集的不足，不僅完成了多功能聯合采集頭盔的優化設計，也從底層硬件設置上將兩種模態信號采集模塊集成到一起，真正實現了光電兩種信號的同步與融合。2、近紅外光譜技術與腦電采集技術的結合，是光電兩種信號的同步采集，相互之間的干擾可以控制到最小。3、兩種信號的時間分辨率比較匹配，時間尺度一致性較好。整個一體化設備可以采用較高的采樣頻率，從原始數據的采集上實現在同一時刻頭皮同一點處腦電信號與血氧信號的同步采集。4、近紅外光譜技術和腦電技術的結合，不僅體現在設備本身采集信息的豐富和互補性，而且這種多模態的信息也具有明確的生理意義。通過光電同步檢測系統可以以功能區為單位建立血氧信號與神經元活動的對應關系。5、具有便攜、成本低、可長時間臨床應用等優點。6、可以同步進行神經元活動和血氧濃度變化的跟蹤分析，也可以對如嬰兒等特殊群體進行數據采集與分析。附圖說明圖1為本發明腦活動檢測系統的示意圖；圖2A和2B為本發明腦活動檢測系統中的多功能聯合采集頭盔的示例圖；圖3為本發明腦活動檢測系統中的功能近紅外光源發射模塊的原理圖；圖4為本發明腦活動檢測系統中功能近紅外檢測模塊的原理圖；圖5為本發明腦活動檢測系統中的功能近紅外發射光極與接收光極示意圖之一；圖6為本發明腦活動檢測系統中的功能近紅外發射光極與接收光極示意圖之二；圖7為本發明腦活動檢測系統中腦電檢測模塊的原理圖；圖8為本發明腦活動檢測系統中數據流同步的原理圖。具體實施方式下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。本發明提供了一種腦活動檢測方法，主要包括：同時進行腦電信號和腦皮層血氧信號的多路同步采集，在通道間保證采集信號的同步性，同一個時刻采集到所有位置的腦電信號和腦皮層血氧信號。近紅外光譜技術與腦電采集技術的結合，是光電兩種信號的同步采集，干擾可以控制到最小。而且這兩種信號的時間分辨率比較匹配，時間尺度一致性較好。進行腦電信號和腦皮層血氧信號的多路同步采集，具體為：中央控制單元同時向血氧檢測模塊和腦電檢測模塊發送同步指令信號，血氧檢測模塊和腦電檢測模塊同時對各自模態的數據進行讀取和打包標記，再將帶有識別標簽的有用數據上傳至中央控制單元。腦電信號和腦皮層血氧信號的采集位置一致是指：可以在頭皮同一點既采集腦電信號又采集腦皮層血氧信號。本方法可以利用近紅外光譜技術和腦電技術的結合，通過光電同步檢測系統可以以功能區為單位建立血氧信號與神經元活動的對應關系；可以同步進行神經元活動和血氧濃度變化的跟蹤分析；可以對如嬰兒等的特殊患者進行數據采集，輔助分析他們的腦功能活動；還可以對其它精神疾病進行研究和分析。圖1為本發明腦活動檢測系統的示意圖，如圖所示，本發明具體包括：多功能聯合采集頭盔1、功能近紅外光源發射模塊2、功能近紅外檢測模塊3、腦電檢測模塊4、中央控制單元5和上位計算機6。多功能聯合采集頭盔1用于交叉布置腦電電極與功能近紅外光極；功能近紅外光源發射模塊2用于控制近紅外光源的穩定發射，通過光纖將信號連接至多功能聯合采集頭盔1；功能近紅外檢測模塊3用于頭皮微弱光信號的檢測，通過光纖與多功能聯合采集頭盔1相連；腦電檢測模塊4用于頭皮微弱電信號的檢測，通過傳輸電纜與多功能聯合采集頭盔1相連；中央控制單元5用于整個系統的協調控制，包括數據流的同步和融合、向各個功能模塊下發控制命令、向上位計算機6上傳數據等；上位計算機6作為人機交互界面，用于數據的實時顯示與處理、控制命令的下載等功能。作為優選的實施例，多功能聯合采集頭盔包括1：腦電電極、功能近紅外光源發射光極、功能近紅外光源接收光極。可作為更加優選的實施方案，多功能聯合采集頭盔可以選擇覆蓋頭皮的柔性材料，以增加被試的試驗舒適度。可作為更加優選的實施方案，多功能聯合采集頭盔還可以在覆蓋頭皮的柔性材料上布置腦電電極底座、功能近紅外發射光極底座、功能近紅外接收光極底座。底座和電極/光極之間采用分離式設計，以方便插拔。作為優選的實施例，功能近紅外光源發射模塊2包括：控制終端、調制波發生模塊、LD驅動模塊、光反饋模塊；該功能近紅外光源發射模塊采用頻分復用技術，光源經過不同頻率的載波調制，以區別不同通道的光路，此信號通過傳輸光纖從多功能聯合采集頭盔接入，照射頭皮，經過顱腦的散射和吸收作用后，衰減的光信號再由功能近紅外檢測模塊進行處理。作為優選的實施例，功能近紅外檢測模塊3包括：光電轉換電路、解調模塊、數據處理模塊；該功能近紅外檢測模塊用于頭皮微弱光信號的探測，該信號由多功能聯合采集頭盔上的探測光極檢測，通過傳輸光纖連接至功能近紅外檢測模塊進行光電轉換、放大、解調處理；其中解調模塊包括模擬開關選通電路、相敏檢波電路、低通濾波電路，用于光通道的識別和模數轉換。作為優選的實施例，腦電檢測模塊4包括：緩沖放大電路、信號調理模塊、數據處理模塊；該模塊腦電檢測模塊用于頭皮微弱電信號的探測，信號由多功能聯合采集頭盔上的腦電電極采集，通過傳輸電纜連接至腦電檢測模塊進行放大、調理處理。中央控制單元5是光電同步腦活動檢測系統的核心，其主要負責數據流的同步和融合、向各個功能模塊下發控制命令、向上位計算機上傳數據。一方面，完成光信號的檢測。首先由上位計算機配置光源的發射頻率和發射功率，然后將這些配置信息下載到中央控制單元，再由中央控制單元向功能近紅外發射模塊的控制器寫入光源和發射頻率和功率，從而生成近紅外光信號的調制波。功能近紅外光源發射模塊產生的光信號通過傳輸光纖連接至多功能聯合采集頭盔，近紅外光經過大腦的散射和吸收作用后，衰減后的微弱光信號再由多功能聯合采集頭盔的接收光極通過光纖傳送到功能近紅外檢測模塊，該檢測模塊對探測到的微弱光信號進行光電轉換、解調以及相應的數據處理，然后上傳到中央控制單元。另一方面，完成腦電信號的檢測。頭皮微弱的電信號由多功能聯合采集頭盔的腦電電極采集，再通過傳輸電纜將該微弱電信號傳輸到腦電檢測模塊進行緩沖、放大等處理，然后上傳到中央控制單元。光信號與腦電信號的數據流的同步主要由中央控制單元來協調完成。圖2A和2B為本發明腦活動檢測系統中的多功能聯合采集頭盔的示例圖。多功能聯合采集頭盔主要包括覆蓋頭皮的柔性材料、腦電電極底座、功能近紅外發射光極底座、功能近紅外接收光極底座、以及腦電電極、功能近紅外發射光極、功能近紅外接收光極。其中，腦電電極與功能近紅外光極交叉布置。底座和電極/光極之間采用分離式設計，方便插拔。圖3為本發明腦活動檢測系統中的功能近紅外光源發射模塊的原理圖。該模塊主要包括控制終端、調制波發生模塊、LD驅動模塊、光反饋模塊。首先由控制終端寫入控制命令，并發送到調制波發生模塊生成相應發射頻率和功率的調制波信號，以控制LD以固定頻率閃爍，LD工作過程中LD驅動模塊和光反饋模塊共同作用使其輸出功率穩定的載波光信號，光反饋模塊采用光電轉換二極管將接收的LD功率不穩定波動反饋，同時結合LD驅動模塊抑制功率波動，并可通過設置多路調制波信號發生模塊和LD模塊來完成多路并行載波光的控制和發射。穩定發射的光信號通過傳輸光纖連接至多功能聯合采集頭盔，發射光穿透大腦，經過散射和吸收作用后輸出帶有血氧信息的微弱光信號。圖4為本發明腦活動檢測系統中功能近紅外檢測模塊的原理圖。該模塊包括光電轉換模塊、解調模塊、數據處理模塊。頭皮表面微弱的光信號經由多功能聯合采集頭盔的近紅外接收光極采集，再由傳輸光纖輸送至功能近紅外檢測模塊進行光電轉換、放大、解調以及相應的數據處理。其中光電轉換模塊采用的核心部件是APD，APD將傳來的攜帶血氧信息的光信號轉化為電信號，對該電信號進行隔直處理，除去環境背景光的影響，然后將電信號交由通道解調模塊進行解調。解調模塊主要采用鎖相放大技術對每一通道的有用信號進行解調以及后續處理。圖5為本發明腦活動檢測系統中的功能近紅外發射光極與接收光極示意圖之一，圖中多個發射光極對應一個接收光極；圖6為本發明腦活動檢測系統中的功能近紅外發射光極與接收光極示意圖之二，圖中一個發射光極對應多個接收光極。為了提高光源利用率，本發明采用模擬開關選通電路實現多路光通道的獨立選通，近紅外發射光極與接收光極的配比可以實現一對一、一對多、多對一，不僅結構簡單、功能靈活，生產成本也可大大降低。圖7為本發明腦活動檢測系統中腦電檢測模塊的原理圖。該模塊主要包括高阻抗緩沖放大模塊、信號調理模塊、數據處理模塊。頭皮表面的微弱電信號通過多功能聯合采集頭盔的腦電電極采集，并由傳輸電纜連接至腦電檢測模塊進行緩沖、放大等處理。其中，高阻抗緩沖放大電路采用零漂移運算放大器和斬波運算放大器相結合的方法，減少放大器的直流漂移，同時通過采樣的方法保留直流信息，然后在后端信號調理模塊中，將直流抵消，獲得交流信號。同時對保留的直流信號和獲得的交流信號分別采用不同的放大電路，按不同的放大倍數進行放大，最后在數字端將交、直流信號整合，最后獲得實際的腦電信號。針對共模干擾問題，通過數字信號處理算法濾除噪音，提高所采集數據的精度，從而提高放大器的共模抑制比。圖8為本發明腦活動檢測系統中數據流同步的原理圖。當光電同步腦活動檢測系統運行在同步采集模式下，就需要對功能近紅外單元和腦電單元進行數據流的同步。中央控制單元是整個光電同步腦活動檢測系統的核心，也是控制數據流同步的協調中心。首先由中央控制單元發送同步信號給相應的近紅外ADC模塊和腦電ADC模塊，然后ADC模塊對各自的近紅外數據和腦電數據進行讀取和打包標記，然后將帶有識別標簽的有用數據上傳到中央控制單元進行后續處理。該同步方法保證了近紅外數據和腦電數據同步采集的時間精度，真正實現了光信號和電信號的同步采集。本發明由于采取以上技術方案，具有以下優點：1、系統采用模塊化設計，各模塊的功能定位更加精確，結構合理，控制容易，穩定可靠，具有較高的集成度和擴展性。2、通過功能近紅外光譜技術和腦電采集技術的有效融合，在同一儀器上可實現近紅外光譜儀、腦電儀及近紅外光譜和腦電融合儀三個功能一體化技術，從而實現腦區神經電活動和血氧供應信息的同步或分別采集等多種功能。3、這兩種技術的結合，并不是簡單地技術拼合。該光電同步腦活動檢測系統克服了傳統應用中僅將腦電電極與近紅外光極簡單交叉布置，而由外部觸發兩套獨立系統進行單獨采集的不足，不僅完成了多功能聯合采集頭盔的優化設計，也從底層硬件設置上將兩種模態信號采集模塊集成到一起，真正實現了光電兩種信號的同步與融合。4、兩種信號的時間分辨率比較匹配，時間尺度一致性較好。整個一體化設備可以采用較高的采樣頻率，從原始數據的采集上實現在同一時刻頭皮同一點處腦電信號與血氧信號的同步采集。5、光電同步腦活動檢測系統的數據流同步由中央控制單元協調控制。作為整個光電同步腦活動檢測系統的核心部件，中央控制單元發送同步啟動信號到功能近紅外檢測模塊和腦電檢測模塊，然后該雙模態檢測模塊負責對各自的數據讀取和打包標記，再將帶有識別標簽的多通道有用數據上傳至中央控制單元進行后續處理。該同步策略保證了光電信號的時間精度和同步性。6、多功能聯合采集頭盔，設計靈活，腦電電極與功能近紅外光極交叉排布，并設置有相應的底座，方便插拔。7、功能近紅外光源發射模塊，采用頻分復用技術克服了傳統時分復用的不足，保證系統具有較高的時間精度，實現了多路光通道的并行穩定發射。采用多波長LD光源，降低了生產成本的同時，克服了由于激光光源造價高、波長范圍有限、且需要光源耦合器將兩個激光光源耦合到一起才能完成一路采集通道的要求的缺點。8、采用模擬開關選通電路實現多路光通道的獨立選通，近紅外發射光極與接收光極的配比可以實現一對一、一對多、多對一，使整個系統的光源利用率得到很大的提高。9、功能近紅外檢測模塊采用雪崩光電二極管(APD)，與傳統的光電倍增管相比，不僅生產和制造的成本大大降低，同時APD的波長適應范圍也更寬。另外，由于光電倍增管具有不穩定性、抗機械沖擊能力差以及“疲乏”現象等缺點，采用APD可以使系統更加持續穩定的工作。10、腦電檢測模塊采用零漂移運放和斬波運放相結合的緩沖放大電路，大大減少了放大器的直流漂移。針對共模干擾問題，通過采樣共模噪音并使用自適應的方法濾除噪音，提高了數據的采集精度。11、從多功能聯合采集頭盔的設計，到功能近紅外系統和腦電系統的模塊化集成，以及數據流同步方法的設計，根本上將兩種采集技術融合、集成，真正實現了光電同步。專業人員應該還可以進一步意識到，結合本文中所公開的實施例描述的各示例的單元及算法步驟，能夠以電子硬件、計算機軟件或者二者的結合來實現，為了清楚地說明硬件和軟件的可互換性，在上述說明中已經按照功能一般性地描述了各示例的組成及步驟。這些功能究竟以硬件還是軟件方式來執行，取決于技術方案的特定應用和設計約束條件。專業技術人員可以對每個特定的應用，使用不同方法來實現所描述的功能，但是這種實現不應認為超出本發明的范圍。結合本文中所公開的實施例描述的方法或算法的步驟可以用硬件、處理器執行的軟件模塊，或者二者的結合來實施。軟件模塊可以置于隨機存儲器(RAM)、內存、只讀存儲器(ROM)、電可編程ROM、電可擦除可編程ROM、寄存器、硬盤、可移動磁盤、CD-ROM、或技術領域內所公知的任意其它形式的存儲介質中。以上所述的具體實施方式，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施方式而已，并不用于限定本發明的保護范圍，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。