一种脑功能单点位近红外检测系统及方法

技术领域

本发明涉及脑功能检测领域，尤其涉及一种脑功能单点位近红外检测系统及方法。

背景技术

近红外光谱技术因其实时性强、非侵入性、不产生电磁干扰及信噪比高等特点广泛应用于人脑功能检测，其中，时域近红外光谱技术因其测量深度深，检测速度快，不仅能测量脑血氧的相对浓度，还能测量脑血氧的绝对浓度特点为脑功能检测提供更为丰富的数据而备受瞩目。

现有的人脑近红外检测设备通常在固定光源处使用一根光纤注入近红外光，并在探测器处使用另一根光纤收集发射的信号，激光源与探测器分离且往往间隔15到40mm，在使用过程中，近红外光从固定光源发出经过注入光纤进入人脑，一部分近红外光在人脑内经过香蕉形的路径后射出大脑皮层被收集光纤接收送入探测器。该方法通过检测人脑部分区域或整个人脑获得大量的数据来判断监测部位脑血氧的浓度及变化。然而，若想检测人脑某一处具体点位的脑血氧，以现有人脑近红外检测设备的空间分辨率无法实现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种脑功能单点位近红外检测系统及方法，采用时域近红外光谱技术，采用单根光纤注入和收集光信号，使光源与探测器零距离检测，实现人脑单点位功能检测，提升近红外检测的空间分辨率。

为实现上述目的，本发明提供了一种脑功能单点位近红外检测系统，包括：

激光模组，用于根据激光启动脉冲的控制命令发射脉冲激光；

光路模组，用于将所述脉冲激光传输至人脑检测部位，以及接收经人脑吸收反射后形成的光信号，并输出所述光信号；

探测模组，用于接收所述光信号，并将所述光信号转换为弱电信号；

分析控制模组，用于接收所述弱电信号并对所述弱电信号的时间数据进行分析和计算，得到所述脉冲激光发射经人脑吸收反射后到达所述探测模组的时间差信息，根据所述时间差信息绘制所述脉冲激光深入大脑皮层下方深度的光波动曲线；

自检模组，用于通过耦合所述探测模组输出的弱电信号，对所述弱电信号进行分析，判断光通路的状态是否良好。

进一步地，所述激光模组包括比较器1，脉冲生成电路，比较器2，PHEMT及激光二极管。

进一步地，所述脉冲生成电路包括电容C1、电容C2、电容C3、电阻R1、电阻R2、电阻R3、二极管D1、二极管D2和二极管D3，所述电容C1、电容C2、电容C3串联，所述电容C1与所述电容C2之间并联有所述二极管D1和所述电阻R1，所述电容C2与所述电容C3之间并联有所述二极管D2和所述电阻R2，所述电容C3与Vo端连接，所述电容C3与Vo端之间并联有所述二极管D3和电阻R3，其中，所述二极管D1、二极管D2、二极管D3、电阻R1、电阻R2和电阻R3的阳极均连接到GND，阴极均与电容连接。

进一步地，所述光路模组包括壳体、分光镜、光纤，所述壳体为一个封闭不透光的腔室，所述分光镜设置在壳体的内腔中，所述激光模组耦合在所述壳体的首端，所述光纤的插接端口耦合在所述壳体的尾端，所述探测模组耦合在所述壳体的侧面端口；所述光纤和所述探测模组位于所述分光镜的一侧，所述激光模组位于所述分光镜的另一侧，所述经人脑吸收反射后形成的光信号通过所述光纤进入所述分光镜，再经过所述分光镜反射后进入所述探测模组。

进一步地，所述探测模组包括比较器3、脉冲生成电路、比较器4、可编程延时单元、PHEMT及SiPM模块，其中，所述SiPM模块用于将采集到的光信号转换为弱电信号。

进一步地，所述分析控制模组包括CPLD芯片、FPGA芯片、TDC ASIC芯片、DAC1、比较器5、单稳态电路以及可编程晶体震荡器，其中，所述CPLD芯片用于输出激光启动脉冲到激光模组，并同时输出STOP信号到FPGA芯片；所述弱电信号经比较器5、单稳态电路后形成START信号输送至FPGA芯片，所述FPGA芯片用于将STOP信号和START信号转换为差分LVPECL电平信号；所述TDC ASIC芯片用于接收差分LVPECL电平信号并计算所述脉冲激光发射经人脑吸收反射后到达所述SiPM模块的时间差，所述FPGA芯片还用于统计所述时间差出现的次数形成时域采样曲线。

进一步地，所述自检模组包括放大电路1、滤波电路、比较器6、单稳态电路及DAC2，所述探测模组输出的所述弱电信号经放大电路2放大为高电压脉冲后耦合到自检模组，所述高电压脉冲经放大电路1、滤波电路、比较器6、单稳态电路后生成脉冲信号，通过是否存在脉冲信号来判断光通路的状态是否良好，其中,DAC2用于向比较器6输出比较电压。

本发明还提供了一种脑功能单点位近红外检测方法，该方法包括以下步骤：

S1. 根据激光启动脉冲的控制命令，激光模组发射脉冲激光;

S2. 光路模组将所述脉冲激光传输至人脑检测部位，同时接收经人脑吸收反射后形成的光信号，并输出所述光信号；

S3. 探测模组接收所述光路模组输出的光信号后，将光信号转换为弱电信号；

S4. 分析控制模组在接收到所述探测模组输出的所述弱电信号后，对所述弱电信号的时间数据进行分析和计算，得到所述脉冲激光发射经人脑吸收反射后到达所述探测模组的时间差信息，根据所述时间差信息绘制所述脉冲激光深入大脑皮层下方深度的光波动曲线；

S5. 所述探测模组输出的所述弱电信号同时传输到自检模组，所述自检模组对所述弱电信号进行分析，判断光通路的状态是否良好。

进一步地，所述经人脑吸收反射后形成的光信号通过所述光路模组的光纤进入所述光路模组的分光镜，再经过所述分光镜反射后进入所述探测模组，所述探测模组的SiPM模块将光信号转换为弱电信号。

进一步地，所述分析控制模组的CPLD芯片输出激光启动脉冲到激光模组，并同时输出STOP信号到所述分析控制模组的FPGA芯片，所述弱电信号经所述分析控制模组的比较器5、单稳态电路后形成START信号输送至所述FPGA芯片，所述FPGA芯片将STOP信号和START信号转换为差分LVPECL电平信号；所述分析控制模组的TDC ASIC芯片通过所述差分LVPECL电平信号计算所述脉冲激光发射经人脑吸收反射后到达所述SiPM模块的时间差，所述FPGA芯片通过统计所述时间差出现的次数形成时域采样曲线。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明使用单根光纤注入和收集光信号，通过光路模组的分光镜实现激光模组与探测模组放置在同一光纤上，通过SiPM模块将光信号转换为弱电信号，通过TDC ASIC芯片计算脉冲激光发射经人脑吸收反射后到达SiPM模块的时间差，通过FPGA芯片统计时间差出现的次数形成时域采样曲线，来观测脉冲激光深入大脑皮层特定深度的光波动情况，从而实现了光源与探测器的零距离检测及人脑单点位功能检测，提升了近红外时域检测设备的空间分辨率。

2、本发明采用分光镜和分光器将脉冲激光分为多个光信号，并采用多组探测模组检测，当单个激光脉冲发出后，多个分时SiPM模块将随机采集该工作时间窗口的光信号，增加了多倍的数据采样率，也提升了数据的获得速率，使得系统具备了更快的反应和检测能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明一实施例的时域近红外检测系统的结构框图；

图2是根据本发明一实施例的激光模组的结构框图；

图3是根据本发明一实施例的脉冲生成电路的电路图；

图4是根据本发明一实施例的光路模组的示意图一；

图5是根据本发明一实施例的光路模组的示意图二；

图6是根据本发明一实施例的探测模组的结构框图；

图7是根据本发明一实施例的脉冲信号采集图；

图8是根据本发明另一实施例的光路模组的示意图一；

图9是根据本发明另一实施例的光路模组的示意图二。

主要附图标记说明：

100、壳体；200、光纤；300、分光镜；400、激光模组；500、探测模组；600、分光器。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

如图1所示，本发明实施例提供了一种脑功能单点位近红外检测系统，包括激光模组，光路模组，探测模组，分析控制模组及自检模组，其中：

激光模组，用于根据激光启动脉冲的控制命令发射脉冲激光；

光路模组，用于将脉冲激光传输至人脑检测部位，以及接收经人脑吸收反射后形成的光信号，并输出光信号；

探测模组，用于接收光信号，并将光信号转换为弱电信号；

分析控制模组，用于接收弱电信号并对弱电信号的时间数据进行分析和计算，得到脉冲激光发射经人脑吸收反射后到达探测模组的时间差信息，根据时间差信息绘制脉冲激光深入大脑皮层下方深度的光波动曲线；

自检模组，用于通过耦合探测模组输出的弱电信号，对弱电信号进行分析，判断光通路的状态是否良好。

如图2所示，激光模组包括比较器1，脉冲生成电路，比较器2，PHEMT（赝调制掺杂异质结场效应晶体管）及激光二极管。

具体地，脉冲激光通过激光模组的比较器1产生一个上升沿陡峭的上升沿信号，经过脉冲生成电路生成一个高电平且宽度窄的脉冲，脉冲宽度低至Ps等级。窄脉冲通过比较器2形成一个驱动力更强的窄脉冲，再通过PHEMT对激光二极管的电源进行导通，使激光二极管产生一个时间非常短的脉冲激光。本施例中采用脉冲生成电路作为激光源，相比于传统时域近红外设备使用的固态激光器及光纤激光器，本发明时域近红外设备的尺寸更小，成本更低，波长转换时间更快。本发明的激光模组能够发射多种波长的脉冲激光，优选地，脉冲激光的波长为820-840nm或670-690nm，更优选脉冲激光的波长为835nm或680nm。

在本发明一实施例中，激光模组发射的脉冲激光的平均光功率在1mW以内，激光脉冲的重复频率为10-80MHz，激光脉冲的宽度窄于500ps。激光模组控制环境的温度范围为25±10℃，控温误差低于0.3℃，温度稳定的预热时间为10分钟。

本发明一实施例中，如图3所示，脉冲生成电路包括电容C1、电容C2、电容C3、电阻R1、电阻R2、电阻R3、二极管D1、二极管D2和二极管D3，电容C1、电容C2、电容C3串联，电容C1与电容C2之间并联有二极管D1和电阻R1，电容C2与电容C3之间并联有二极管D2和电阻R2，电容C3与Vo端连接，电容C3与Vo端之间并联有二极管D3和电阻R3，其中，二极管D1、二极管D2、二极管D3、电阻R1、电阻R2和电阻R3的阳极均连接到GND，阴极均与电容连接。

本发明一实施例中，如图4-5所示，光路模组包括壳体100、光纤200、分光镜300，壳体100为一个封闭不透光的腔室，分光镜300设置在壳体100的内腔中，激光模组400耦合在壳体100的首端，光纤200的插接端口耦合在壳体100的尾端，探测模组500耦合在壳体100的侧面端口，光纤200和探测模组500位于分光镜300的一侧，激光模组400位于分光镜300的另一侧。优选地，光路模组为光纤探头。光纤探头的首端与激光模组400耦合，分光镜300固定在光纤探头的内腔中。光纤200用于注入和收集光信号，分光镜300用于将脉冲激光分为折射光与反射光两束光线。在光信号注入的过程中，如图4所示，激光模组400发射的脉冲激光经分光镜300折射后进入光纤200，并经光纤200到达人脑检测部位。在光信号采集过程中，如图5所示，经人脑吸收反射后形成的光信号通过光纤200进入分光镜300，再经过分光镜300反射后进入探测模组500。

本发明一实施例中，探测模组包括比较器3、脉冲生成电路、比较器4、可编程延时单元，PHEMT及SiPM（硅光电倍增管）模块，如图6所示。探测模组的构成与激光模组构成相似，不同之处在于比较器4输出的驱动脉冲通过可编程延时单元进行延时，延时脉冲通过PHEMT激活SiPM模块，SiPM模块将采集到的光信号转换为弱电信号。

传统的时域近红外监测设备中，传感器采集光信号转换成电信号输入到模数转换器（ADC），ADC将电信号转换成模拟信号来还原光信号，需要光信号2.56-4倍的采样频率。本发明所采用的脉冲激光为Ps级别，ADC采样频率至少达到THZ级别。然而，如果在传统设备中使用脉冲激光，即使最顶级的ADC器件也无法满足脉冲激光的采样频率，因为ADC器件的最高采样频率不过20GHZ，价格还十分昂贵。本发明的探测模组采用时间相关单光子计数（TCSPC）原理进行光信号采样，以概率与时间的关系建立图形，通过图形分析得到相关数据。该方法无需采用ADC即可满足脉冲激光的采用频率，极大地降低了成本。

本发明一实施例中，如图1所示，分析控制模组包括CPLD芯片、FPGA芯片、TDC ASIC芯片、DAC1、比较器5、单稳态电路以及可编程晶体震荡器。可编程晶体震荡器产生高稳定的工作时钟提供给CPLD芯片，CPLD芯片主要起到控制作用，FPGA芯片起到储存数据作用，TDCASIC芯片起到数据分析作用。

CPLD芯片输出激光启动脉冲到激光模组，同时输出STOP信号到FPGA芯片。激光模组根据启动脉冲的控制命令发射脉冲激光。光路模组将脉冲激光传输至人脑检测部位，接收经人脑吸收反射后形成的光信号，并输出光信号。SiPM模块接收光信号，光信号经过SiPM模块后输出为弱电信号。分析控制模组接收弱电信号，弱电信号经过放大电路后通过比较器5形成一个电压幅度更高的脉冲，再经过单稳态电路形成固定宽度的脉冲信号，该脉冲信号作为时间采样的START信号送入FPGA芯片。FPGA芯片将STOP信号和START信号转换为差分LVPECL电平信号输入到TDC ASIC芯片，TDC ASIC芯片内部集成的时间计数单元对START信号到STOP信号时间进行计算。时间计数单元采用周期时间减去时间计数单元计算的采集时间，得到脉冲激光发射经人脑吸收反射后到达SiPM模块的时间差，如图7所示。该时间差表示脉冲激光深入大脑皮层下方的深度，光信号进入的时间越长表面其经过的路径越长，进入大脑皮层的深度越深。FPGA芯片统计时间差出现的次数形成时域采样曲线，FPGA芯片对时间差信息进行采集记录并可通过数据接口被访问。

每一次脉冲激光经人脑吸收反射后形成的光信号被SiPM模块接收的过程中，START信号和STOP信号之间的时间会存在差异。将该差异在时间轴上展开，通过统计时间轴上时间差出现的次数，形成脉冲激光在时域上的采样曲线。FPGA芯片对该时域采样曲线进行采集记录。当采集了采集大量的时间差数据后，可得到批量的时域采样曲线。通过提取批量时域采样曲线中特定时间点的采样次数，可绘制出在该特定时间点上脉冲激光深入大脑皮层下方深度的光波动曲线，即可观测大脑皮层特定深度的光波动情况。该光波动曲线数据可通过数据接口被访问。

本发明一实施例中，如图1所示，自检模组包括放大电路1、滤波电路、比较器6、单稳态电路及DAC2。SiPM模块输出的弱电信号经放大电路2放大为高电压脉冲后耦合到自检模组，高电压脉冲经放大电路1、滤波电路、比较器6、单稳态电路后生成一个脉冲信号，通过是否存在脉冲信号来判断光通路的状态是否良好。其中，通过控制DAC2输出的比较电压电平控制检测灵敏度，电压越小，滤波电路的低电压越能比较出来。

工作时，为了判断光路是否有头发或者环境光的干扰，通过信号耦合的方式将SiPM模块输出到分析控制模组放大的高电压脉冲耦合到自检模组。由于人体存在心率信号，SiPM模块数据统计结果中必然存在心率信号，心率信号作为周期性信号可通过微带线耦合的方式耦合到另一支路，在该支路上，心率信号通过放大电路1进行放大、通过滤波电路进行低通滤波，经过比较器6对滤波电路输出的信号和DAC2输出的比较电压进行电压比较，若比较结果正常，比较器6将信号输送至单稳态电路后形成脉冲信号，而后输送至分析控制模组；若比较结果异常，单稳态电路不输出脉冲信号。当分析控制模组接收到脉冲信号，则可判断光通路状态良好；当分析控制模组没有接收到脉冲信号，则可判断光路收到干扰。如果光通路受到干扰，可通过挪动光纤来排除干扰。

本发明的另一实施例中，如图8-9所示，光路模组包括壳体100、光纤200、分光镜300及分光器600，壳体100为一个封闭不透光的腔室，分光镜300设置在壳体100的内腔中，激光模组400耦合在壳体100的首端，光纤200的插接端口耦合在壳体100的尾端，探测模组500耦合在壳体100的侧面端口，光纤200与探测模组500位于分光镜200的一侧，激光模组400位于分光镜300的另一侧。优选地，光路模组为光纤探头。光纤探头的首端与激光模组400耦合，分光镜300固定在光纤探头内腔中，分光器600固定在光纤探头的侧壁。光纤200用于注入和收集光信号，分光镜300用于将脉冲激光分为折射光与反射光两束光线。在光信号注入的过程中，如图8所示，激光模组400发射的脉冲激光经分光镜300折射后进入光纤200，并经光纤200到达人脑检测部位。在光信号采集过程中，如图9所示，经人脑吸收反射后形成的光信号通过光纤200进入分光镜300，再经过分光镜300反射后进入分光器600，分光器600将光信号分为若干份送入探测模组500。

探测模组500有多组，探测模组500的数量与分光器600的光纤末端的数量相适配。分光器600的多个光纤末端与多组探测模组500耦合。在分光镜300与多组探测模组500中间增加分光镜300进行耦接，使得探测模组500可接收若干个光信号，并将若干个光信号转换为若干个弱电信号。分光器600是现有通信技术中常用的光学元件，用于将光路一分多进行传输，本实施例采用1:5分光器。

采用多组探测模组接收光信号，不同探测模组的延时不同，使得多个SiPM模块在不同的时间窗口采集光信号。工作时，SiPM模块接收光子后需等待光子湮灭后才会继续接收光子，由于单个激光脉冲发出后的持续时间很短，在这期间一个SiPM模块只能接收到一个光子。采用多组探测模组检测时，当单个激光脉冲发出后，多个分时SiPM模块将随机采集该工作时间窗口的光信号，增加了多倍的数据采样率，也提升了数据的获得速率，使得系统具备了更快的反应和检测能力。

本发明实施例还提供了一种脑功能单点位近红外检测方法，该方法包括以下步骤：

S1. 根据激光启动脉冲的控制命令，激光模组发射脉冲激光;

S2. 光路模组将脉冲激光传输至人脑检测部位，同时接收经人脑吸收反射后形成的光信号，并输出光信号；

S3. 探测模组接收光路模组输出的光信号后，将光信号转换为弱电信号；

S4. 分析控制模组在接收到探测模组输出的弱电信号后，对弱电信号的时间数据进行分析和计算，得到脉冲激光发射经人脑吸收反射后到达探测模组的时间差信息，根据时间差信息绘制脉冲激光深入大脑皮层下方深度的光波动曲线；

S5. 探测模组输出的弱电信号同时传输到自检模组，自检模组对弱电信号进行分析，判断光通路的状态是否良好。

本发明一实施例中，步骤S1具体包括：脉冲激光通过激光模组的比较器1产生一个上升沿陡峭的上升沿信号，经过脉冲生成电路生成一个高电平且宽度窄的脉冲。窄脉冲通过比较器2形成一个驱动力更强的窄脉冲，再通过PHEMT对激光二极管的电源进行导通，使激光二极管产生一个时间非常短的脉冲激光。

本发明一实施例中，经人脑吸收反射后形成的光信号通过光路模组的光纤进入光路模组的分光镜，再经过分光镜反射后进入探测模组，探测模组的SiPM模块将采集到的光信号转换为弱电信号。

本发明一实施例中，步骤S4具体包括：分析控制模组的CPLD芯片输出激光启动脉冲到激光模组，并同时输出STOP信号到分析控制模组的FPGA芯片，弱电信号经分析控制模组的比较器5、单稳态电路后形成START信号输送至FPGA芯片，FPGA芯片将STOP信号和START信号转换为差分LVPECL电平信号；分析控制模组的TDC ASIC芯片通过差分LVPECL电平信号计算脉冲激光发射经人脑吸收反射后到达SiPM模块的时间差，FPGA芯片通过统计时间差出现的次数形成时域采样曲线。

具体地，分析控制模组接收的弱电信号经过放大电路2放大后通过比较器5形成一个电压幅度更高的脉冲，再经过单稳态电路形成固定宽度的脉冲信号，该脉冲信号作为时间采样的START信号送入FPGA芯片。FPGA芯片将STOP信号和START信号转换为差分LVPECL电平信号输入到TDC ASIC芯片，TDC ASIC芯片内部集成的时间计数单元对START信号到STOP信号时间进行计算。时间计数单元采用周期时间减去时间计数单元计算的采集时间，得到脉冲激光发射经人脑吸收反射后到达SiPM模块的时间差。

本发明一实施例中，步骤S4具体还包括：将START信号和STOP信号之间的时间差在时间轴上展开，通过统计时间轴上时间差出现的次数，采集大量的时间差数据后形成脉冲激光在时域上的采样曲线。通过提取时域采样曲线中特定时间点出的采样次数，绘制出在该特定时间点上脉冲激光深入大脑皮层下方深度的光波动曲线，以观测大脑皮层特定深度的光波动情况。

本发明一实施例中，步骤S5具体包括：通过信号耦合的方式将SiPM模块输出到分析控制模组放大的高电压脉冲耦合到自检模组。通过微带线耦合的方式将SiPM模块输出的心率信号作为周期性信号耦合到另一支路，在该支路上，心率信号通过放大电路1进行放大、通过滤波电路进行低通滤波，经过比较器6对滤波电路输出的信号和DAC2输出的比较电压进行电压比较，若比较结果正常，比较器6将信号输送至单稳态电路后形成脉冲信号，而后输送至分析控制模组；若比较结果异常，单稳态电路不输出脉冲信号。

本发明另一实施例中，经人脑吸收反射后形成的光信号通过光路模组的分光器分为若干个光信号，若干个光信号分别经分光器的各光纤末端到达若干探测模组的SiPM模块，SiPM模块将在不同时间窗口采集到的光信号转换为弱电信号。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。