本發(fā)明涉及近紅外成像技術領域，具體涉及一種腦血流測量裝置、系統(tǒng)及頭盔。

背景技術：

隨著生活水平的提高，“富裕病”越來越多，血流不暢造成的心腦血管疾病等給人們帶來了巨大的傷害，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)學中，血流測量越來越引起人們的重視。例如，在腦科學領域，研究發(fā)現(xiàn)當執(zhí)行某個特定任務時，大腦皮層的相應位置微血管血流會大幅迅速增加。假如腦部神經(jīng)通路或血流自我調節(jié)功能出現(xiàn)問題，會在血流測量中出現(xiàn)異常，預示著病人的腦功能受損，因此，目前提出了很多血流測量裝置。

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

為了克服上述血流測量裝置中的種種缺陷，目前提出了一種利用近紅外擴散自相關譜(Diffuse Correlation Spectroscopy,DCS)技術對組織深層微血管紅細胞流動進行測量的技術。該技術是一種無創(chuàng)、低成本的技術，主要原理是利用近紅外光在650-900nm波段對人體組織的高穿透率和對血紅細胞的敏感度，計算血流造成的反射光強自相關函數(shù)衰減速度，得出組織深層(2-3cm)微細血管的血液流動速率，該技術在近年來發(fā)展迅速，具有響應快、定量準確等優(yōu)勢。但是，現(xiàn)有的利用該技術的自相關譜血流測量裝置通常采用雪崩二極管作為探測器，存在體積大、動態(tài)范圍窄等缺點。

技術實現(xiàn)要素：

因此，本發(fā)明實施例要解決的技術問題在于現(xiàn)有技術中的血流測量裝置體積大、動態(tài)范圍窄。

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

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，其輸出端通過光纖與所述光切換器的輸入端連接，用于產(chǎn)生長相干長度的激光并輸出；

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量部位；

所述探測裝置包括單模光纖、準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轉換成電信號并輸出。

優(yōu)選地，所述準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復用的方式對左腦和右腦進行照射。

優(yōu)選地，所述探測裝置均勻排布于所述照射光纖的周圍。

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

本發(fā)明實施例的一種頭盔，包括上述的腦血流測量裝置和外殼；

所述腦血流測量裝置位于所述外殼內部。

本發(fā)明實施例的一種腦血流測量系統(tǒng)，包括上述的腦血流測量裝置、數(shù)據(jù)采集裝置和脈沖式多光子計數(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數(shù)裝置的輸入端連接，用于對所述硅光電倍增管輸出的模擬信號進行模數(shù)轉換成數(shù)字信號并輸出；

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

本發(fā)明實施例的技術方案，具有如下優(yōu)點：

1.本發(fā)明實施例提供的腦血流測量裝置，通過設置硅光電倍增管(硅光電倍增管陣列效果更佳)，減小了腦血流測量裝置的體積，提高了裝置的動態(tài)范圍，并且單模光纖接收到的激光經(jīng)過準直裝置(如梯度折射率棱鏡)準直后直接利用硅光電倍增管進行光電轉換，整個模塊體積很小，所以將光電轉換移動到了探測裝置，即探測端，將光信號傳播轉變成為電信號傳播，避免了原來采用雪崩二極管作為探測器時需要數(shù)米長的單模光纖引出信號而容易引入的動態(tài)偽影，即最大限度的減小了動態(tài)偽影，提高了信號的抗干擾能力。并且因無需笨重的數(shù)米長的光纖束，假如將該腦血流測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)明實施例提供的腦血流測量裝置，通過分時復用的方式提高了光源利用率。即調高光源瞬時強度，以降低噪聲影響，提高了信噪比，從而可以在降低采樣時間的同時保證測量精度。為避免高光強傷害局部人體組織，必須調低占空比，不斷變換頭部測量點，相當于總光源(切換前)一直保持在高光強，切換后的輸出單點光源工作在高光強低占空比的脈沖模式，以保證平均光強在安全范圍內，提高整個裝置完成一次高質量全腦掃描的時間采樣率。

3.本發(fā)明實施例提供的腦血流測量裝置，通過設置探測裝置均勻排布于照射光纖周圍，提高了對血紅細胞對相干散射光的擾動程度測量的全面性和準確性，從而進一步提高測量精度。

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

5.本發(fā)明實施例提供的腦血流測量系統(tǒng)，通過設置脈沖式多光子計數(shù)裝置，進行脈沖多光子采樣，能夠將采集時間降低到10ms量級，具有較高的成像時間分辨率。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明具體實施方式中的技術方案，下面將對具體實施方式描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實施方式，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實施例1中腦血流測量裝置的一個具體示例的原理框圖；

圖2為本發(fā)明實施例1的光源裝置的一個具體示例的原理框圖；

圖3為本發(fā)明實施例1中一個具體示例的光源裝置和探測裝置分布圖；

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

附圖標記：1-光源裝置，2-探測裝置，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-準直裝置，23-硅光電倍增管，221-梯度折射率棱鏡，100-腦血流測量裝置，200-數(shù)據(jù)采集裝置，300-脈沖式多光子計數(shù)裝置。

具體實施方式

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

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，術語“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，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、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，還可以是兩個元件內部的連通，可以是無線連接，也可以是有線連接。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發(fā)明中的具體含義。

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

實施例1

本實施例提供一種腦血流測量裝置，例如應用于對大腦視覺皮層進行全面的血流(血液流動速率)測量，如圖1所示，腦血流測量裝置100包括至少一組光源裝置1和至少兩組探測裝置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，其輸出端通過光纖與光切換器12的輸入端連接，用于產(chǎn)生長相干長度的激光并輸出。優(yōu)選地，該長相干長度可以是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量部位。

探測裝置2包括單模光纖21、準直裝置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)血紅細胞的散射等擾動作用后，被單模光纖21接收。準直裝置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轉換成電信號并輸出。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，單模光纖負責采集含有血流信息的相干光強，準直裝置負責將光強均勻投射在SiPM感光面上。

上述腦血流測量裝置，通過設置硅光電倍增管(硅光電倍增管陣列效果更佳)，減小了腦血流測量裝置的體積，提高了裝置的動態(tài)范圍，并且單模光纖接收到的激光經(jīng)過準直裝置(如梯度折射率棱鏡)準直后，直接利用硅光電倍增管進行光電轉換，整個模塊體積很小，所以將光電轉換移動到了探測裝置，即探測端，將光信號傳播轉變成為電信號傳播，避免了原來采用雪崩二極管作為探測器時需要數(shù)米長的單模光纖引出信號而容易引入的動態(tài)偽影，即最大限度的減小了動態(tài)偽影，提高了信號的抗干擾能力。并且因無需笨重的數(shù)米長的光纖束，假如將該腦血流測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，準直裝置22包括梯度折射率(Grin)棱鏡221，具有形小體輕、結構簡單的優(yōu)點，從而可以進一步減小腦血流測量裝置的體積，減輕腦血流測量裝置的重量。

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采用分時復用的方式對左腦和右腦進行照射。通過分時復用對左、右腦進行循環(huán)掃描，以達到最高的時間分辨率。通過分時復用的方式提高了光源利用率。即調高光源瞬時強度，以降低噪聲影響，提高了信噪比，從而可以在降低采樣時間的同時保證測量精度。為避免高光強傷害局部人體組織，必須調低占空比，不斷變換頭部測量點，相當于總光源(切換前)一直保持在高光強，切換后的輸出單點光源工作在高光強低占空比的脈沖模式，以保證平均光強在安全范圍內，提高整個裝置完成一次高質量全腦掃描的時間采樣率。

優(yōu)選地，如圖3所示，探測裝置2均勻排布于照射光纖13的周圍。優(yōu)選地，探測裝置2的數(shù)量為十六組(不限于十六組)，其中八組探測裝置2用于探測左腦血流信息，另八組探測裝置2用于探測右腦血流信息。通過設置探測裝置均勻排布于照射光纖周圍，提高了對血紅細胞對相干散射光的擾動程度測量的全面性和準確性，從而進一步提高測量精度。

實施例2

本實施例提供一種頭盔，包括上述實施例1的腦血流測量裝置100和外殼，腦血流測量裝置100位于外殼內部。

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

實施例3

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

數(shù)據(jù)采集裝置200，其輸入端與腦血流測量裝置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數(shù)裝置300的輸入端連接，用于對硅光電倍增管23輸出的模擬信號進行模數(shù)轉換成數(shù)字信號并輸出。優(yōu)選地，數(shù)據(jù)采集裝置200包括A/D數(shù)據(jù)采集卡。

脈沖式多光子計數(shù)裝置300，用于進行脈沖多光子計數(shù)并獲得腦血流數(shù)據(jù)。優(yōu)選地，脈沖式多光子計數(shù)裝置300進行的處理包括光子計數(shù)過濾、傅里葉變換、雜波過濾、自相關函數(shù)計算等。優(yōu)選地，血流計算采取光強自相關算法，其擴散公式為

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

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

G₁(r,τ)為自相關函數(shù)，D_γ與血流速率直接相關，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)血紅細胞對相干散射光的擾動程度，計算血流速率。

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

上述腦血流測量系統(tǒng)，通過設置脈沖式多光子計數(shù)裝置，進行脈沖多光子采樣，能夠將采集時間降低到10ms量級，與常規(guī)利用fNIRS設備(通常具有亞秒級時間分辨率，目前最快100ms)進行腦部成像相比，具有較高的成像時間分辨率(多通道時信號采集的時間分辨率理論預期可達到10ms的水平)。因為腦血氧代謝活動的變化是比較緩慢的，而且還有延遲，而腦血流(血液流動速率)是隨神經(jīng)活動快速變化的。

顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明創(chuàng)造的保護范圍之中。