CN110812707B - 一种脑成像和光神经调控一体化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种脑成像和光神经调控一体化装置，包括：近红外光谱成像模块、控制模块和光神经调控模块；近红外光谱成像模块包括多个第一光源和接收器，用于对脑进行光照，得到脑的成像信号，并将其传输至控制模块；控制模块分析该成像信号，并根据成像信号对光神经调控模块的参数进行调整；光神经调控模块包括多个第二光源，第二光源以控制模块确定的参数对大脑的同一位置进行刺激；其中，第一光源组成第一阵列，接收器组成第二阵列，第一阵列和第二阵列相互嵌套，第二光源设置在第一阵列和第二阵列的间隙中。本装置通过上述设置方式，使得能够对大脑同一区域同时进行近红外光谱成像和光神经调控，对光神经调控的参数进行实时调整。
Description
技术领域
本发明是关于一种脑成像和光神经调控一体化装置，属于医疗设备领域。
背景技术
光神经调控是使用近红外光对人脑进行非侵入式、非热式神经调节的技术。光神经调控是一种新型的光生物调节形式，亦称为低水平光治疗，其利用特定波长的光安全地穿透大脑，调节线粒体的呼吸生物过程，导致大脑代谢和血流动力学改变，从而促进神经保护和认知增强。同时，为了量化光神经调控对人脑的影响，可用近红外光谱脑功能成像(fNIRS)对大脑功能活动进行检测。相比于其他成像技术，近红外脑成像操作简单、能实现高时间分辨率下的数据采集。近红外光谱脑成像利用近红外光在光生物组织中传播时的低吸收和高散射特性，计算入射光子和出射光子的强度变化，推算出人脑中血红蛋白浓度变化，从而可以在光神经调控时对大脑的情况进行监测、反馈。
但是现有技术中通常都是在光神经调控之前或者光神经调控之后进行近红外光谱脑成像，而没有在光神经调控过程中实时对大脑进行成像的装置，从而使得近红外光谱脑成像对光神经调控的反馈具有滞后性，需要反复多次才能获得最佳的光神经调控参数。这是因为近红外光谱脑成像的光发射和光检测装置需要与头顶皮肤直接接触，并且光发射和光检测装置覆盖面积比较大，这就导致光神经调控的区域和近红外光谱脑成像的区域不相同，反馈的数据没有可参考性。上述问题，当测试对象是婴儿或儿童时，尤为严重，亟待解决。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供了一种脑成像和光神经调控一体化装置，其通过合理排布近红外光谱成像光源、接收器和光神经调控光源位置，使得可对大脑同一区域同时进行近红外光谱成像和光神经调控，通过近红外光谱成像的实时反馈，对光神经调控的参数进行实时调整。
为实现上述目的，本发明提供了一种脑成像和光神经调控一体化装置，包括：依次连接的近红外光谱成像模块、控制模块和光神经调控模块；近红外光谱成像模块包括多个第一光源和接收器，用于对脑进行光照，得到脑的成像信号，并将成像信号传输至控制模块；控制模块分析近红外光谱成像模块得到的成像信号，并根据成像信号对光神经调控模块的参数进行调整；光神经调控模块包括多个第二光源，第二光源以控制模块确定的参数对近红外光谱成像模块检测的大脑的同一位置进行刺激；其中，第一光源组成第一阵列，接收器组成第二阵列，第一阵列和第二阵列相互嵌套，在第一阵列和第二阵列的间隙中设置第二光源。
进一步，第一阵列根据刺激的大脑的位置不同，能够排列成不同形状的第一阵列，该形状为矩形、三角形、梯形、菱形或多边形，接收器设置在第一阵列的中心位置。
进一步，近红外光谱成像模块和光神经调控模块集成在一柔性基底上，根据刺激的大脑的位置不同设置不同形状的柔性基底，将柔性基底贴在头顶待检测位置；或者将柔性基底设置为帽状，将其戴在待测对象头部进行检测。
进一步，第一光源和第二光源为微型LED光源，多个第一光源组成的第一阵列，多个接收器组成的第二阵列以及多个第二光源均组成的第三阵列，均集成在一微型LED芯片上。
进一步，近红外光谱成像模块包括光信号处理器，第一光源用于发射近红外光；接收器用于接收经过脑组织的近红外透射光信号；光信号处理器用于将近红外透射光信号转换为氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白浓度，并根据氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白浓度计算脑网络指标。
进一步，脑网络指标包括脑功能连接性、大脑网络聚集系数、网络最短路径、归一化的聚类系数γ值、标准特征路径长度λ值、小世界属性值σ值、全局网络效率、局部网络效率和脑信号复杂度。
进一步，控制模块包括光参数调控模块和脑成像信息获取模块，脑成像信息获取模块通过光信号传输模块接收近红外光谱成像模块得到的成像信号；光参数调控模块根据成像信号对光神经调控模块的参数进行调整，并将调整后的参数通过光信号传输模块传输至光神经调控模块。
进一步，光神经调控参数包括光波长、光强、光照时间、光照位置和光照范围中的至少一者。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本装置通过合理排布近红外光谱成像光源、接收器和光神经调控光源位置，使得可对大脑同一区域同时进行近红外光谱成像和光神经调控，通过近红外光谱成像的实时反馈，对光神经调控的参数进行实时调整。2、根据综合各脑网络指标与标准值对比的结果判断使用者可能患有疾病，如抑郁症、自闭症、阿尔兹海默症、帕金森症和癫痫症等，并根据诊断结果对使用者头部进行有针对性的光神经调控，从而对上述疾病起到缓解和辅助治疗的效果。3、对健康的使用者使用本装置，也可以起到随时了解使用者脑部健康状况，提高使用者认知能力的作用。4、本装置集成在柔性基底上，并将柔性基底设置成分体式结构，可以直接粘贴在待测试对象的头顶相应部位，或者将柔性基底设置成帽状，戴在待测对象头顶，该装置结构简单，测试方便，提高了测试对象的舒适度。
附图说明
图1是本发明一实施例中脑成像和光神经调控一体化装置的结构示意图；
图2是本发明一实施例中脑成像和光神经调控一体化装置的使用状态示意图；
图3是本发明一实施例中柔性基底上的第一光源、接收器和第二光源排布的结构示意图。
附图标记：
1-第一光源；2-接收器；3-第二光源。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方向，通过具体实施例对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，具体实施方式的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，所用到的术语仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本实施例提供了一种脑成像和光神经调控一体化装置，如图1-3所示，包括：依次连接的近红外光谱成像模块、控制模块和光神经调控模块；近红外光谱成像模块包括多个第一光源1和接收器2，用于对脑进行光照，得到脑的成像信号，并将成像信号传输至控制模块；控制模块分析近红外光谱成像模块得到的成像信号，并根据成像信号对光神经调控模块的参数进行调整；光神经调控模块包括多个第二光源3，第二光源3以控制模块确定的参数对近红外光谱成像模块检测的大脑的同一位置进行刺激；其中，第一光源1组成第一阵列，接收器2组成第二阵列，第一阵列和第二阵列相互嵌套，在第一阵列和第二阵列的间隙中设置第二光源3。本实施例中装置通过合理排布近红外光谱成像光源、接收器2和光神经调控光源位置，使得可对大脑同一区域同时进行近红外光谱成像和光神经调控，通过近红外光谱成像的实时反馈，对光神经调控的参数进行实时调整。根据综合各脑网络指标与标准值对比的结果判断使用者可能患有疾病，如抑郁症、自闭症、阿尔兹海默症、帕金森症和癫痫症等，并根据诊断结果对使用者头部进行有针对性的光神经调控，从而对上述疾病起到缓解和辅助治疗的效果。
本实施例中第一阵列根据刺激的大脑的位置不同，能够排列成不同形状的第一阵列，其形状可以但不限于矩形、三角形、梯形、菱形或多边形，接收器2设置在第一阵列的中心位置。如图3所示，额叶区域的第一光源1排列成三角形，接收器2设置在三角形中心处；顶叶区域的第一光源1排列成矩形，接收器2设置在矩形中心处；枕叶区域的第一光源1排列成梯形，接收器2设置在梯形中心处。近红外光谱成像模块、光神经调控模块集成在一柔性基底上，根据刺激的大脑的位置不同设置不同形状的柔性基底，如图3所示额叶区域的柔性基底为三角形；顶叶区域的柔性基底为菱形；枕叶区域的柔性基底为梯形。使用时，将柔性基底贴在头顶待检测位置或者将柔性基底设置为帽状，将其戴在待测对象头部进行检测。柔性基底可以是柔性贴片或类似眼罩的柔性带或者柔性头套或者帽子等，但柔性基底的类型不以此为限。
本实施例中第一光源1和第二光源3为微型LED光源，多个第一光源1组成的第一阵列，多个接收器2组成的第二阵列以及多个第二光源3组成的第三阵列，均集成在一微型LED芯片上。其中图3中排布方式只是示意性说明，并不代表第一光源1和接收器2的面积必然比第二光源3大，第一光源1和第二光源3可以是同样大小的LED阵列。当光神经调控所需的光正好是近红外光时，也可以只设置一个光源同时作为第一光源1和第二光源2使用。
本实施例中近红外光谱成像模块，包括：成对设置的第一光源1、接收器2以及光信号处理器。第一光源1用于发射近红外光；接收器2用于接收经过脑组织的近红外透射光信号；光信号处理器用于根据修正的Beer-Lambert定律将近红外透射光信号转换为含氧血红蛋白浓度和脱氧血红蛋白浓度；对浓度信号进行去除运动伪迹和生理噪声处理，并进行带通滤波。然后，根据氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白浓度计算脑网络指标。脑网络指标包括：脑网络指标包括脑功能连接性、大脑网络聚集系数、网络最短路径、归一化的聚类系数γ值、标准特征路径长度λ值、小世界属性值σ值、全局网络效率、局部网络效率和脑信号复杂度。其中，光信号处理器可以与第一光源1、接收器2设置在一起，以方便近红外透射光信号的处理；但为了使近红外光谱成像模块更加轻便，光信号处理器也可以不与第一光源1、接收器2设置在一起。比如，可以将光信号处理器设置在控制模块中。近红外光谱成像模块的数据通过光信号传输模块传输至控制模块。其中，光信号传输模块可以包括数据线，数据接口等，但优选光信号传输模块为无线光信号传输模块，如WIFI、GPRS、蓝牙等。
由于本实施例中，脑成像模块不仅可以在光神经调控脑神经前对脑功能进行检测，确定光神经调控的位置、强度等参数，同时，在整个光神经调控的过程中，脑成像模块也可以随时对脑神经情况进行监控，用于检测光神经调控的位置、范围和光强等参数设置是否合理，是否需要调整，并将实时检测到的信息反馈至控制模块。故控制模块中内设控制模块包括光参数调控模块和脑成像信息获取模块，脑成像信息获取模块通过光信号传输模块接收近红外光谱成像模块得到的成像信号；光参数调控模块根据成像信号对光神经调控模块的参数进行调整，并将调整后的参数通过光信号传输模块传输至光神经调控模块。
光参数调控模块接收近红外光谱成像模块反馈回来的信息，并根据程序中预设算法对反馈回来的信息进行分析处理，判断最初确定的光神经调控方案是否合理，如合理则进一步优化方案的参数，如对光照强度、波长、面积和位置等参数进行微调，以期达到更好的光神经调控效果。如果最初的光神经调控方案不合理，则对方案进行调整，避免了由于不当操作对使用者带来的危害，提高了光神经调控的安全性和准确性。
本实施例中光神经调控模块根据控制模块传出的信号调节光照参数，用于对使用者脑神经进行调节，对脑部疾病有一定的辅助治疗效果；对于健康的使用者也有提高认知能力的作用。该光神经调控模块之所以能够缓解脑科疾病、提高认知能力是由于人脑中的细胞色素c氧化酶(cytochrome coxidase，CCO)对光子的吸收。细胞色素c氧化酶在细胞呼吸中处于细胞色素***的末端，此酶是把呼吸底物的电子经过细胞色素***直接传递给分子态氧。从光发射模块发射出的光，通过头皮、骨膜、颅骨、脑膜和硬脑膜等一系列层，最终部分到达人脑皮层表面，被CCO所吸收。CCO在脑代谢中起关键作用，其活性越高，则线粒体的耗氧量和代谢量越高。而ATP是生物体中的一种高能量化合物，主要由线粒体产生，通常存在于细胞内部，并作为能量货币分子去支持细胞的各种代谢活动。线粒体是细胞内ATP最主要的来源，决定着ATP的水平。故线粒体的耗氧量和代谢量提高会导致细胞内ATP增加，从而促进人脑细胞的生长发育，ATP一定水平的上升可刺激细胞内游离的Ca2+、一氧化氮(NO)、活性氧(ROS)等分子含量的增加。其中，NO会与CCO结合从而抑制CCO活性，降低ATP的产生。而被CCO吸收的光信号能够通过分离NO，进而阻止NO与CCO的结合，使ATP产量增加。因此光神经调控可以使大脑的血管舒张、增加血液循环，促进脑神经保护和增强脑认知功能。
上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，例如各部件的外观尺寸、固定方式、引线方式和组装后的几何结构，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (7)
1.一种脑成像和光神经调控一体化装置，其特征在于，包括：依次连接的近红外光谱成像模块、控制模块和光神经调控模块；
所述近红外光谱成像模块包括多个第一光源和接收器，用于对脑进行光照，得到脑的成像信号，并将所述成像信号传输至控制模块；
所述控制模块分析所述近红外光谱成像模块得到的成像信号，并根据成像信号对所述光神经调控模块的参数进行调整；
所述光神经调控模块包括多个第二光源，所述第二光源以所述控制模块确定的参数对所述近红外光谱成像模块检测的大脑的同一位置进行刺激；
其中，所述第一光源组成第一阵列，所述接收器组成第二阵列，所述第一阵列和第二阵列相互嵌套，在所述第一阵列和第二阵列的间隙中设置第二光源；
所述近红外光谱成像模块包括光信号处理器，所述第一光源用于发射近红外光；所述接收器用于接收经过脑组织的近红外透射光信号；所述光信号处理器用于将所述近红外透射光信号转换为氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白浓度，并根据氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白浓度计算脑网络指标。
2.如权利要求1所述的脑成像和光神经调控一体化装置，其特征在于，所述第一阵列根据刺激的大脑的位置不同，能够排列成不同形状的所述第一阵列，所述形状为矩形、三角形、梯形、菱形或多边形，所述接收器设置在所述第一阵列的中心位置。
3.如权利要求2所述的脑成像和光神经调控一体化装置，其特征在于，所述近红外光谱成像模块和光神经调控模块集成在一柔性基底上，根据刺激的大脑的位置不同设置不同形状的所述柔性基底，将所述柔性基底贴在头顶待检测位置；或者将所述柔性基底设置为帽状，将其戴在待测对象头部进行检测。
4.如权利要求1-3任一项所述的脑成像和光神经调控一体化装置，其特征在于，所述第一光源和第二光源为微型LED光源，多个所述第一光源组成的第一阵列，多个所述接收器组成的第二阵列以及多个所述第二光源组成的第三阵列，均集成在一微型LED芯片上。
5.如权利要求4所述的脑成像和光神经调控一体化装置，其特征在于，所述脑网络指标包括脑功能连接性、大脑网络聚集系数、网络最短路径、归一化的聚类系数γ值、标准特征路径长度λ值、小世界属性值σ值、全局网络效率、局部网络效率和脑信号复杂度。
6.如权利要求1-3任一项所述的脑成像和光神经调控一体化装置，其特征在于，所述控制模块包括光参数调控模块和脑成像信息获取模块，所述脑成像信息获取模块通过光信号传输模块接收所述近红外光谱成像模块得到的成像信号；所述光参数调控模块根据所述成像信号对所述光神经调控模块的参数进行调整，并将调整后的参数通过光信号传输模块传输至所述光神经调控模块。
7.如权利要求6所述的脑成像和光神经调控一体化装置，其特征在于，所述光神经调控模块的参数包括光波长、光强、光照时间、光照位置和光照范围中的至少一者。
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