一种基于近红外光电和脑电信号的多模态协同检测系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于近红外光电和脑电信号的多模态协同检测系统，包括：LED发光二极管，用于向人体组织发射不同波长的光信号；光电探测器，用于接收人体组织反射的光信号，并将光信号转换成光电信号；脑电干电极，用于持续检测大脑表面的脑电信号；电极后端电路，用于对脑电信号进行预处理，将预处理后的脑电信号发送至上位机；用于向LED发光二极管发出发光指令；还用于接收光电信号，并将光电信号转换成数字信号，将数字信号发送至上位机；上位机，用于将数字信号分别转换为脑血氧信号、肌动信号和心率信息。该系统能够同时对脑电信号和光电信号进行处理，能够较为准确的得到脑血氧信号、肌动信号、心率信息和脑电信号。心率信息和脑电信号。心率信息和脑电信号。

【技术实现步骤摘要】
一种基于近红外光电和脑电信号的多模态协同检测系统


[0001]本专利技术属于脑机接口
，具体涉及一种基于近红外光电和脑电信号的多模态协同检测系统。

技术介绍

[0002]传统的大脑检测方法通常检测的是单一信号，比如：检测脑电信号的脑电图(EEG)、检测大脑电磁生理信号的脑磁图扫描(MEG)、检测大脑血液动力信号的功能核磁共振成像(fMRI)和检测大脑血氧信号的功能近红外光谱(f NIRS)等。但是这些检测方法有其技术局限性，只能采集单一的脑信号，而大脑的活动涉及到从分子到大脑皮层整体的多个层次的变化，因此为了全面探索大脑的功能活动，需要更加多元化的脑功能多模态检测技术。
[0003]随着各种脑功能检测技术的不断发展，近几年发展出了将多种技术联合在一起检测脑功能的多模态检测技术。其中将功能近红外光谱(f NIRS)与脑电图(EEG)联合起来进行的大脑多模态检测方法，综合了两者的优势，弥补了缺陷。EEG采集脑电信号拥有良好的时间分辨率优势，但其空间分辨率的能力有限；相比之下，fNIRS提供了更好的空间分辨率，但是时间分辨率较差。同时，fNIRS检测到的光电信号和EEG检测到的大脑生理电信号处于不同的维度，互相不会干扰，这两种维度的信号提供了大脑活动相关的皮层电和血液动力学的互补信息。因此，基于近红外光电和脑电信号的多模态检测方法可以弥补EEG和f NIRS技术的缺陷，实现优势互补，可用于各种应用，比如神经血管耦合、精神疾病、新生儿监测等研究，可以很好地帮助研究人员更加系统、深入地了解认知任务中的神经过程和大脑功能机制。
[0004]现有的技术中，如专利公开号CN112932474A的中国专利所公开一种基于脑血氧和肌电信号的康复训练系统，包括：同步信息采集模块，处理分析模块和反馈模块，其中：同步信息采集模块用于采集受训者的近红外脑血氧以及肌电信号；处理分析模块用于处理和分析从同步信息采集模块同步采集到的脑血氧信号和肌电信号；反馈模块用于根据处理分析模块处理和分析后的脑血氧信号和肌电信号判断受训者的训练是否超出了正常标准，如果是，则调整训练设备的参数。上述专利采用光电信号传感器和电信号传感器检测信号，但是该专利只是简单的检测了脑血氧信号和肌电信号，没有扩展到脑部的多模态检测领域，也没有对检测的信号进行预处理后再传输给数据处理系统，导致处理的数据噪音较大。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种基于近红外光电和脑电信号的多模态协同检测系统，该系统能够同时对脑电信号和光电信号进行处理，并能够得到噪音较少的数据，从而能够较为准确的得到脑血氧信号、肌动信号、心率信息和脑电信号。
[0006]一种基于近红外光电和脑电信号的多模态协同检测系统，包括：
[0007]LED发光二极管，用于向人体组织发射不同波长的光信号；
[0008]光电探测器，用于接收人体组织反射的光信号，并将光信号转换成光电信号；
[0009]脑电干电极，用于持续检测大脑表面的脑电信号；
[0010]电极后端电路，用于接收脑电信号，并对脑电信号进行预处理，将预处理后的脑电信号发送至上位机；用于向LED发光二极管发出发光指令，发光指令包括发光时序、发光频率和光功率；还用于接收光电信号，并将光电信号转换成数字信号，将数字信号发送至上位机；
[0011]上位机，用于将数字信号分别转换为脑血氧信号、肌动信号和心率信息，将脑电信号通过脑电信号图进行展示；
[0012]LED发光二极管和光电探测器均位于电极后端电路上，脑电干电极与电极后端电路通过金属圆盘连接。
[0013]所述电极后端电路包括脑电处理电路和控制电路，脑电处理电路用于接收脑电信号，并对脑电信号进行预处理，将预处理后的脑电信号发送至控制电路；控制电路用于将光电信号转换为数字信号，并将数字信号和预处理后的脑电信号按照设定的通信方式打包发送至上位机；控制电路还用于向LED发光二极管发送发光指令，以调控LED发光二极管的发光周期，以及不同波长光信号的发光时序、频率和功率。
[0014]所述脑电处理电路对脑电信号进行预处理，所述预处理包括50Hz陷波或高频滤波。
[0015]所述向人体组织发射不同波长的光信号，包括：按照发光指令通过LED发光二极管向人体组织依次发射绿光、红光、第一近红外光和第二近红外光，所述LED发光二极管包括绿光LED、红光LED、第一近红外光LED和第二近红外光LED。
[0016]通过所述控制电路发出的发光指令控制LED发光二极管，所述发光指令为LED发光二极管的发光周期1ms～1s可调，发光顺序依次为绿光LED、红光LED、第一近红外光LED和第二近红外光LED，每个LED的发光时间250μs～250ms可调，每个LED的发光频率和光功率分别为1～1000Hz可调和10～1000mW可调。
[0017]所述控制电路用于将光电信号转换为数字信号，所述数字信号包括红外光数据信号、绿光数据信号和红光数据信号，其中：
[0018]通过控制电路将第一红外光电信号和第二红外光电信号转换得到红外光数据信号；通过光电探测器将探测得到人体组织反射的第一红外光，并将第一红外光转换得到第一红外光电信号；通过光电探测器将探测得到人体组织反射的第二红外光，并将第二红外光转换得到第二红外光电信号；
[0019]通过控制电路将绿光光电信号转换得到绿光数据信号，通过光电探测器探测得到人体组织反射的绿光，将绿光转换得到绿光光电信号；
[0020]通过控制电路将红光光电信号转换得到绿光数据信号，通过光电探测器探测得到人体组织反射的红光，将红光转换得到红光光电信号。
[0021]所述上位机对所述红光数据信号进行平滑滤波和微分处理得到肌动信号；
[0022]所述上位机提取所述绿光数据信号中的AC信号，并对所述AC信号进行光电容积描记法得到心率信息；
[0023]所述上位机从红外光数据信号中过滤肌动信号和心率信息得到干净的红外光数据信息，采用比尔
‑
朗伯方法将干净的红外光数据转换为脑血氧信号，所述脑血氧信号为氧
合血红蛋白、脱氧血红蛋白和总体血红蛋白的浓度随时间的变化。
[0024]所述从红外光数据信号中过滤肌动信号和心率信息得到干净的红外光数据信息，包括：根据肌动信号判断脑部肌肉活动，红外光数据信号使用中值滤波滤除脑部肌肉活动对应时间段的肌动信号；根据心率信息得到心率实时频率，红外光数据信号滤除对应频率的心率信号。
[0025]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0026]本专利技术将处理脑电信号和处理光电信号的处理器集成到电极后端电路，并将电极后端电路分别与探测光电的探测器和探测脑电信号的探测器相连，从而能够将探测后的光电信号和脑电信号直接通过电极后端电路进行预处理，从而避免了信号传输带来的信息损耗和噪音，能够较为干净的脑电信号和光电信号打包按照设定的通讯要求传输至上位机，使得上位机对预处理过的脑电信号和光电信号进行转换，得到准确的脑血氧信号本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于近红外光电和脑电信号的多模态协同检测系统，其特征在于，包括：LED发光二极管，用于向人体组织发射不同波长的光信号；光电探测器，用于接收人体组织反射的光信号，并将光信号转换成光电信号；脑电干电极，用于持续检测大脑表面的脑电信号；电极后端电路，用于接收脑电信号，并对脑电信号进行预处理，将预处理后的脑电信号发送至上位机；用于向LED发光二极管发出发光指令，发光指令包括发光时序、发光频率和光功率；还用于接收光电信号，并将光电信号转换成数字信号，将数字信号发送至上位机；上位机，用于将数字信号分别转换为脑血氧信号、肌动信号和心率信息，将脑电信号通过脑电信号图进行展示；LED发光二极管和光电探测器均位于电极后端电路上，脑电干电极与电极后端电路通过金属圆盘连接。2.根据权利要求1所述的基于近红外光电和脑电信号的多模态协同检测系统，其特征在于，所述电极后端电路包括脑电处理电路和控制电路，脑电处理电路用于接收脑电信号，并对脑电信号进行预处理，将预处理后的脑电信号发送至控制电路；控制电路用于将光电信号转换为数字信号，并将数字信号和预处理后的脑电信号按照设定的通信方式打包发送至上位机；控制电路还用于向LED发光二极管发送发光指令，以调控LED发光二极管的发光周期，以及不同波长光信号的发光时序、频率和功率。3.根据权利要求2所述的基于近红外光电和脑电信号的多模态协同检测系统，其特征在于，所述脑电处理电路对脑电信号进行预处理，所述预处理包括50Hz陷波或高频滤波。4.根据权利要求2所述的基于近红外光电和脑电信号的多模态协同检测系统，其特征在于，所述向人体组织发射不同波长的光信号，包括：按照发光指令通过LED发光二极管向人体组织依次发射绿光、红光、第一近红外光和第二近红外光，所述LED发光二极管包括绿光LED、红光LED、第一近红外光LED和第二近红外光LED。5.根据权利要求4所述的基于近红外光电和脑电信号的多模态协同检测系统，其特征在于，通过所述控制电路发出的发光指令控制LED发光二极管，所述发光指令为LED发光二极...

【专利技术属性】
技术研发人员：董树荣，周慧超，金浩，夏洁，钟高峰，邹锦林，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：