本發(fā)明涉及近紅外成像技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種腦血流測(cè)量裝置、系統(tǒng)及頭盔。

背景技術(shù)：

隨著生活水平的提高，“富裕病”越來(lái)越多，血流不暢造成的心腦血管疾病等給人們帶來(lái)了巨大的傷害，在診治中，早發(fā)現(xiàn)、早治療，以及治療效果追蹤有著重要的意義，因此在近代醫(yī)學(xué)中，血流測(cè)量越來(lái)越引起人們的重視。例如，在腦科學(xué)領(lǐng)域，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)執(zhí)行某個(gè)特定任務(wù)時(shí)，大腦皮層的相應(yīng)位置微血管血流會(huì)大幅迅速增加。假如腦部神經(jīng)通路或血流自我調(diào)節(jié)功能出現(xiàn)問(wèn)題，會(huì)在血流測(cè)量中出現(xiàn)異常，預(yù)示著病人的腦功能受損，因此，目前提出了很多血流測(cè)量裝置。

但是，現(xiàn)有的血流測(cè)量裝置存在著種種缺陷，比如氙氣增強(qiáng)CT測(cè)量對(duì)人體有輻射損傷，動(dòng)脈血自旋標(biāo)記的核磁共振測(cè)量成本昂貴，超聲測(cè)量主要對(duì)大血管流速敏感，激光多普勒測(cè)量的穿透深度僅為毫米級(jí)，激光散斑測(cè)量的穿透深度更淺。

為了克服上述血流測(cè)量裝置中的種種缺陷，目前提出了一種利用近紅外擴(kuò)散自相關(guān)譜(Diffuse Correlation Spectroscopy,DCS)技術(shù)對(duì)組織深層微血管紅細(xì)胞流動(dòng)進(jìn)行測(cè)量的技術(shù)。該技術(shù)是一種無(wú)創(chuàng)、低成本的技術(shù)，主要原理是利用近紅外光在650-900nm波段對(duì)人體組織的高穿透率和對(duì)血紅細(xì)胞的敏感度，計(jì)算血流造成的反射光強(qiáng)自相關(guān)函數(shù)衰減速度，得出組織深層(2-3cm)微細(xì)血管的血液流動(dòng)速率，該技術(shù)在近年來(lái)發(fā)展迅速，具有響應(yīng)快、定量準(zhǔn)確等優(yōu)勢(shì)。但是，現(xiàn)有的利用該技術(shù)的自相關(guān)譜血流測(cè)量裝置通常采用雪崩二極管作為探測(cè)器，存在體積大、動(dòng)態(tài)范圍窄等缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

因此，本發(fā)明實(shí)施例要解決的技術(shù)問(wèn)題在于現(xiàn)有技術(shù)中的血流測(cè)量裝置體積大、動(dòng)態(tài)范圍窄。

為此，本發(fā)明實(shí)施例的一種腦血流測(cè)量裝置，包括至少一組光源裝置和至少兩組探測(cè)裝置；

所述光源裝置包括單縱模晶體激光器、光切換器和照射光纖；

所述單縱模晶體激光器，其輸出端通過(guò)光纖與所述光切換器的輸入端連接，用于產(chǎn)生長(zhǎng)相干長(zhǎng)度的激光并輸出；

所述光切換器，其輸出端與至少兩根照射光纖連接，用于將輸入的一束激光切換成至少兩束激光輸出；

所述照射光纖，用于使激光出射至待測(cè)量部位；

所述探測(cè)裝置包括單模光纖、準(zhǔn)直裝置和硅光電倍增管；

所述單模光纖，用于接收含有血流信息的相干激光并輸出；

所述準(zhǔn)直裝置，用于將接收到的所述單模光纖輸出的激光均勻出射到所述硅光電倍增管的接收窗口上；

所述硅光電倍增管，用于將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并輸出。

優(yōu)選地，所述準(zhǔn)直裝置包括梯度折射率棱鏡。

優(yōu)選地，所述光源裝置的數(shù)量為兩組，其中一組光源裝置用于照射左腦，另一組光源裝置用于照射右腦。

優(yōu)選地，兩組所述光源裝置采用分時(shí)復(fù)用的方式對(duì)左腦和右腦進(jìn)行照射。

優(yōu)選地，所述探測(cè)裝置均勻排布于所述照射光纖的周?chē)?/p>

優(yōu)選地，所述探測(cè)裝置的數(shù)量為十六組，其中八組探測(cè)裝置用于探測(cè)左腦血流信息，另八組探測(cè)裝置用于探測(cè)右腦血流信息。

本發(fā)明實(shí)施例的一種頭盔，包括上述的腦血流測(cè)量裝置和外殼；

所述腦血流測(cè)量裝置位于所述外殼內(nèi)部。

本發(fā)明實(shí)施例的一種腦血流測(cè)量系統(tǒng)，包括上述的腦血流測(cè)量裝置、數(shù)據(jù)采集裝置和脈沖式多光子計(jì)數(shù)裝置；

所述數(shù)據(jù)采集裝置，其輸入端與所述腦血流測(cè)量裝置的硅光電倍增管的輸出端連接，其輸出端與所述脈沖式多光子計(jì)數(shù)裝置的輸入端連接，用于對(duì)所述硅光電倍增管輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并輸出；

所述脈沖式多光子計(jì)數(shù)裝置，用于進(jìn)行脈沖多光子計(jì)數(shù)并獲得腦血流數(shù)據(jù)。

本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1.本發(fā)明實(shí)施例提供的腦血流測(cè)量裝置，通過(guò)設(shè)置硅光電倍增管(硅光電倍增管陣列效果更佳)，減小了腦血流測(cè)量裝置的體積，提高了裝置的動(dòng)態(tài)范圍，并且單模光纖接收到的激光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直裝置(如梯度折射率棱鏡)準(zhǔn)直后直接利用硅光電倍增管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，整個(gè)模塊體積很小，所以將光電轉(zhuǎn)換移動(dòng)到了探測(cè)裝置，即探測(cè)端，將光信號(hào)傳播轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)傳播，避免了原來(lái)采用雪崩二極管作為探測(cè)器時(shí)需要數(shù)米長(zhǎng)的單模光纖引出信號(hào)而容易引入的動(dòng)態(tài)偽影，即最大限度的減小了動(dòng)態(tài)偽影，提高了信號(hào)的抗干擾能力。并且因無(wú)需笨重的數(shù)米長(zhǎng)的光纖束，假如將該腦血流測(cè)量裝置安裝在頭盔上，則可以大大減輕頭盔的重量，提高頭盔的貼合度和使用舒適度。

2.本發(fā)明實(shí)施例提供的腦血流測(cè)量裝置，通過(guò)分時(shí)復(fù)用的方式提高了光源利用率。即調(diào)高光源瞬時(shí)強(qiáng)度，以降低噪聲影響，提高了信噪比，從而可以在降低采樣時(shí)間的同時(shí)保證測(cè)量精度。為避免高光強(qiáng)傷害局部人體組織，必須調(diào)低占空比，不斷變換頭部測(cè)量點(diǎn)，相當(dāng)于總光源(切換前)一直保持在高光強(qiáng)，切換后的輸出單點(diǎn)光源工作在高光強(qiáng)低占空比的脈沖模式，以保證平均光強(qiáng)在安全范圍內(nèi)，提高整個(gè)裝置完成一次高質(zhì)量全腦掃描的時(shí)間采樣率。

3.本發(fā)明實(shí)施例提供的腦血流測(cè)量裝置，通過(guò)設(shè)置探測(cè)裝置均勻排布于照射光纖周?chē)?，提高了?duì)血紅細(xì)胞對(duì)相干散射光的擾動(dòng)程度測(cè)量的全面性和準(zhǔn)確性，從而進(jìn)一步提高測(cè)量精度。

4.本發(fā)明實(shí)施例提供的頭盔，通過(guò)將腦血流測(cè)量裝置整體安裝于外殼內(nèi)部，由于腦血流測(cè)量裝置與外部裝置之間都是電連接/無(wú)線連接，無(wú)需采用笨重的光纖連接，并且腦血流測(cè)量裝置本身具有體積小的優(yōu)點(diǎn)，因此頭盔具有重量輕、體積小、便攜的優(yōu)點(diǎn)，提高了頭盔的舒適度。

5.本發(fā)明實(shí)施例提供的腦血流測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)置脈沖式多光子計(jì)數(shù)裝置，進(jìn)行脈沖多光子采樣，能夠?qū)⒉杉瘯r(shí)間降低到10ms量級(jí)，具有較高的成像時(shí)間分辨率。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明具體實(shí)施方式中的技術(shù)方案，下面將對(duì)具體實(shí)施方式描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實(shí)施方式，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1中腦血流測(cè)量裝置的一個(gè)具體示例的原理框圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例1的光源裝置的一個(gè)具體示例的原理框圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例1中一個(gè)具體示例的光源裝置和探測(cè)裝置分布圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例3中腦血流測(cè)量系統(tǒng)的一個(gè)具體示例的原理框圖。

附圖標(biāo)記：1-光源裝置，2-探測(cè)裝置，11-單縱模晶體激光器，12-光切換器，13-照射光纖，21-單模光纖，22-準(zhǔn)直裝置，23-硅光電倍增管，221-梯度折射率棱鏡，100-腦血流測(cè)量裝置，200-數(shù)據(jù)采集裝置，300-脈沖式多光子計(jì)數(shù)裝置。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

在本發(fā)明的描述中，需要說(shuō)明的是，術(shù)語(yǔ)“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。

在本發(fā)明的描述中，需要說(shuō)明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語(yǔ)“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過(guò)中間媒介間接相連，還可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通，可以是無(wú)線連接，也可以是有線連接。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語(yǔ)在本發(fā)明中的具體含義。

此外，下面所描述的本發(fā)明不同實(shí)施方式中所涉及的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互結(jié)合。

實(shí)施例1

本實(shí)施例提供一種腦血流測(cè)量裝置，例如應(yīng)用于對(duì)大腦視覺(jué)皮層進(jìn)行全面的血流(血液流動(dòng)速率)測(cè)量，如圖1所示，腦血流測(cè)量裝置100包括至少一組光源裝置1和至少兩組探測(cè)裝置2。

光源裝置1包括單縱模晶體激光器11、光切換器12和照射光纖13。單縱模晶體激光器11，其輸出端通過(guò)光纖與光切換器12的輸入端連接，用于產(chǎn)生長(zhǎng)相干長(zhǎng)度的激光并輸出。優(yōu)選地，該長(zhǎng)相干長(zhǎng)度可以是50米以上。光切換器12，其輸出端與至少兩根照射光纖13連接，用于將輸入的一束激光切換成至少兩束激光輸出。照射光纖13，用于使激光出射至待測(cè)量部位。

探測(cè)裝置2包括單模光纖21、準(zhǔn)直裝置22和硅光電倍增管(SiPM)23。單模光纖21，用于接收含有血流信息的相干激光并輸出。照射光纖13出射的激光經(jīng)血紅細(xì)胞的散射等擾動(dòng)作用后，被單模光纖21接收。準(zhǔn)直裝置22，用于將接收到的單模光纖21輸出的激光均勻出射到硅光電倍增管23的接收窗口上。硅光電倍增管23，用于將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并輸出。優(yōu)選地，硅光電倍增管23可以是微型或超小型硅光電倍增管。在成像系統(tǒng)中，單模光纖負(fù)責(zé)采集含有血流信息的相干光強(qiáng)，準(zhǔn)直裝置負(fù)責(zé)將光強(qiáng)均勻投射在SiPM感光面上。

上述腦血流測(cè)量裝置，通過(guò)設(shè)置硅光電倍增管(硅光電倍增管陣列效果更佳)，減小了腦血流測(cè)量裝置的體積，提高了裝置的動(dòng)態(tài)范圍，并且單模光纖接收到的激光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直裝置(如梯度折射率棱鏡)準(zhǔn)直后，直接利用硅光電倍增管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，整個(gè)模塊體積很小，所以將光電轉(zhuǎn)換移動(dòng)到了探測(cè)裝置，即探測(cè)端，將光信號(hào)傳播轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)傳播，避免了原來(lái)采用雪崩二極管作為探測(cè)器時(shí)需要數(shù)米長(zhǎng)的單模光纖引出信號(hào)而容易引入的動(dòng)態(tài)偽影，即最大限度的減小了動(dòng)態(tài)偽影，提高了信號(hào)的抗干擾能力。并且因無(wú)需笨重的數(shù)米長(zhǎng)的光纖束，假如將該腦血流測(cè)量裝置安裝在頭盔上，則可以大大減輕頭盔的重量，提高頭盔的貼合度和使用舒適度。

優(yōu)選地，如圖1所示，準(zhǔn)直裝置22包括梯度折射率(Grin)棱鏡221，具有形小體輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，從而可以進(jìn)一步減小腦血流測(cè)量裝置的體積，減輕腦血流測(cè)量裝置的重量。

優(yōu)選地，如圖2所示，光源裝置1的數(shù)量為兩組，其中一組光源裝置1用于照射左腦，另一組光源裝置1用于照射右腦。每一組光源裝置1中包括兩根照射光纖13。優(yōu)選地，兩組光源裝置1采用分時(shí)復(fù)用的方式對(duì)左腦和右腦進(jìn)行照射。通過(guò)分時(shí)復(fù)用對(duì)左、右腦進(jìn)行循環(huán)掃描，以達(dá)到最高的時(shí)間分辨率。通過(guò)分時(shí)復(fù)用的方式提高了光源利用率。即調(diào)高光源瞬時(shí)強(qiáng)度，以降低噪聲影響，提高了信噪比，從而可以在降低采樣時(shí)間的同時(shí)保證測(cè)量精度。為避免高光強(qiáng)傷害局部人體組織，必須調(diào)低占空比，不斷變換頭部測(cè)量點(diǎn)，相當(dāng)于總光源(切換前)一直保持在高光強(qiáng)，切換后的輸出單點(diǎn)光源工作在高光強(qiáng)低占空比的脈沖模式，以保證平均光強(qiáng)在安全范圍內(nèi)，提高整個(gè)裝置完成一次高質(zhì)量全腦掃描的時(shí)間采樣率。

優(yōu)選地，如圖3所示，探測(cè)裝置2均勻排布于照射光纖13的周?chē)?。?yōu)選地，探測(cè)裝置2的數(shù)量為十六組(不限于十六組)，其中八組探測(cè)裝置2用于探測(cè)左腦血流信息，另八組探測(cè)裝置2用于探測(cè)右腦血流信息。通過(guò)設(shè)置探測(cè)裝置均勻排布于照射光纖周?chē)?，提高了?duì)血紅細(xì)胞對(duì)相干散射光的擾動(dòng)程度測(cè)量的全面性和準(zhǔn)確性，從而進(jìn)一步提高測(cè)量精度。

實(shí)施例2

本實(shí)施例提供一種頭盔，包括上述實(shí)施例1的腦血流測(cè)量裝置100和外殼，腦血流測(cè)量裝置100位于外殼內(nèi)部。

上述頭盔，通過(guò)將腦血流測(cè)量裝置整體安裝于外殼內(nèi)部，由于腦血流測(cè)量裝置與外部裝置之間都是電連接/無(wú)線連接，無(wú)需采用笨重的光纖連接，并且腦血流測(cè)量裝置本身具有體積小的優(yōu)點(diǎn)，因此頭盔具有重量輕、體積小、便攜的優(yōu)點(diǎn)，提高了頭盔的舒適度。

實(shí)施例3

本實(shí)施例提供一種腦血流測(cè)量系統(tǒng)，如圖4所示，包括上述實(shí)施例1的腦血流測(cè)量裝置100、數(shù)據(jù)采集裝置200和脈沖式多光子計(jì)數(shù)裝置300。

數(shù)據(jù)采集裝置200，其輸入端與腦血流測(cè)量裝置100的硅光電倍增管23的輸出端連接，其輸出端與脈沖式多光子計(jì)數(shù)裝置300的輸入端連接，用于對(duì)硅光電倍增管23輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并輸出。優(yōu)選地，數(shù)據(jù)采集裝置200包括A/D數(shù)據(jù)采集卡。

脈沖式多光子計(jì)數(shù)裝置300，用于進(jìn)行脈沖多光子計(jì)數(shù)并獲得腦血流數(shù)據(jù)。優(yōu)選地，脈沖式多光子計(jì)數(shù)裝置300進(jìn)行的處理包括光子計(jì)數(shù)過(guò)濾、傅里葉變換、雜波過(guò)濾、自相關(guān)函數(shù)計(jì)算等。優(yōu)選地，血流計(jì)算采取光強(qiáng)自相關(guān)算法，其擴(kuò)散公式為

$(D_{\mathrm{\γ}}{\▿}^2-{\mathrm{v\μ}}_a(r)-\frac{1}{3}{\mathrm{v\μ}}_s^{,}(r){k_0}^2\<{\mathrm{\Δr}}^2(\mathrm{\τ})\>)G_1(r,\mathrm{\τ})=-vS\left(r\right)---\left(1\right)$

$D_{\mathrm{\γ}}=\frac{v}{3{\mathrm{\μ}}_s^{,}\left(r\right)}---\left(2\right)$

G₁(r,τ)為自相關(guān)函數(shù)，D_γ與血流速率直接相關(guān)，μ_a(r)為吸收系數(shù)，μ′_s(r)為散射系數(shù)，k₀為波函數(shù)，v為光速，S(r)為光源分布，可以根據(jù)血紅細(xì)胞對(duì)相干散射光的擾動(dòng)程度，計(jì)算血流速率。

舉例來(lái)說(shuō)，如采用40mW，785nm的單縱模晶體激光器，到達(dá)3cm外探測(cè)器的光子數(shù)約為5x10⁷/s，最小時(shí)間窗0.1us內(nèi)，光子數(shù)可達(dá)5個(gè)，統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上可以獲得非常平滑的自相關(guān)曲線。即使在血流非常緩慢的情況下，2ms也足夠取一個(gè)血流數(shù)據(jù)點(diǎn)。為避免傷害人體組織，并提高采樣率，可以調(diào)低占空比。在光源切換時(shí)間(1-2ms)不可忽略的情況下，全腦掃描需要約10ms。

上述腦血流測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)置脈沖式多光子計(jì)數(shù)裝置，進(jìn)行脈沖多光子采樣，能夠?qū)⒉杉瘯r(shí)間降低到10ms量級(jí)，與常規(guī)利用fNIRS設(shè)備(通常具有亞秒級(jí)時(shí)間分辨率，目前最快100ms)進(jìn)行腦部成像相比，具有較高的成像時(shí)間分辨率(多通道時(shí)信號(hào)采集的時(shí)間分辨率理論預(yù)期可達(dá)到10ms的水平)。因?yàn)槟X血氧代謝活動(dòng)的變化是比較緩慢的，而且還有延遲，而腦血流(血液流動(dòng)速率)是隨神經(jīng)活動(dòng)快速變化的。

顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說(shuō)明所作的舉例，而并非對(duì)實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無(wú)需也無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見(jiàn)的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明創(chuàng)造的保護(hù)范圍之中。