基于闪光视觉诱发电位原理的无创颅内压监测方法及装置

摘要

本发明涉及的一种基于闪光视觉诱发电位原理的无创颅内压监测方法，采用闪光眼罩对人眼发出标准光刺激信号，经视网膜光感受后转换成电信号→检测电极拾取电信号经放大器处理→输入计算机→显示闪光视觉诱发电位(FVEP)特征曲线→确定III波的波峰潜伏期(IIILatency)→应用颅内压与III波波峰潜伏期的函数关系ICP＝f(IIILatency)，在显示屏上即显示出FVEP－Latency曲线上III波波峰(负相)点所对应的颅内压值。所述装置包括眼罩式闪烁光源、光强探测器；电极；超微信号放大器。本方法实现了准确、快速、简便监测颅内压。装置临床验证应用有效。

说明书

技术领域

本发明涉及生物医学电子工程，具体是一种基于闪光视觉诱发电位原理的无创颅内压监测方法及装置。

技术背景

颅内压是反映脑功能状态的一项重要指标。脑功能损伤后均可表现为颅内压异常。颅内压增高是临床急症，对患者颅内压状况的及时、准确掌握是危重病人抢救成功与否的关键，而颅内压监测结果就是为准确诊断、积极治疗、及疗效评价提供直接依据。

颅内压监测是临床重症监护的必需技术。然而，传统的颅内压检测的方法为腰穿或开颅测压，皆为有创性方法。对于某些高颅压性疾病，腰穿测压可能出现脑疝危险，因此有禁忌，同时对一些疾病的测压误差也较大。开颅测压虽然误差较小，但技术要求高，只有脑外科能够施行，长时间监测有并发感染等危险，同时对脑组织有一定的损伤，且医疗费用较高。故传统的有创颅内压监测法，临床应用很受局限。

国外有基于其它原理的无创性颅压检测方法及装置，如：美国PX公司的采用的基于“扁平原理”的颅压检测方法及颅压监测仪，但该方法及装置只适用于囟门尚未闭合的婴儿，应用范围非常有限。

为实现无创检测颅内压，国内外同行开始了关于利用闪光视觉诱发电位(FVEP)原理反映颅内压的研究，但最终由于测量误差过大、或关键技术难点未能攻克、或适用范围太小，迄今没有一个满意的解决方案。

发明的内容

由于神经元及其纤维的兴奋与传导需不断从血循环得到能源，颅内压(ICP)升高时引起神经元及其纤维缺血缺氧以及代谢障碍，神经传导会发生阻滞，电信号在脑内的传导速度减慢。传导速度与颅内压有对应关系，根据闪光视觉诱发电位原理：对人眼发出标准光刺激，拾取来自头颅F_PZ、F_Z、O₁、O₂的FVEP信号，通过检测该电信号在脑内的传导速度从而得知颅内压值。

根据上述原理，本发明所构建了颅内压与被测信号之间的的数学函数关

                  系：ICP＝f(Latency)           (I)式(I)中ICP为颅内压值、L为潜伏期(Latency)、ΔL为硬件系统响应延时(为常数)。检测病人得到L_i、同时用有创法(开颅术)测得该病人的真实颅内压值ICP_i，通过n对测量数据[(L₁-ΔL)、ICP₁]；[(L₂-ΔL)、ICP₂]；[(L₃-ΔL)、ICP₃]；…；[(L_n-ΔL)、ICP_n]后回归得到函数关系ICP＝f(L-ΔL)。将该关系式编入分析软件，由计算机自动推算，并生成相关的特征曲线。

本发明所要解决的技术问题之一是：基于上述原理及式(I)的特征曲线，提供一种无创颅内压监测方法。

本发明所要解决的技术问题之二是：提供一种基于闪光视觉诱发电位原理的无创颅内压监测装置。

本发明解决上述技术问题之一所采用的的技术方案是：采用闪光眼罩对人眼发出标准光刺激信号，经视网膜光感受后转换成电信号→检测电极拾取电信号经放大器处理→输入计算机→显示闪光视觉诱发电位(FVEP)特征曲线→确定III波的波峰潜伏期(IIILatency)→应用颅内压与III波波峰潜伏期的函数关系ICP＝f(IIILatency)，在显示屏上即显示出FVEP-Latency曲线上III波波峰(负相)点所对应的颅内压值。

根据上述技术方案，本发明所指的基于闪光视觉诱发电位原理的无创颅内压监测方法包括以下步骤：

1.设置刺激人眼的可控脉冲式闪光信号，由其构成诱发电位的激励信号；闪光频率、闪光脉冲宽度、闪光次数、及光亮度值分别为：

0.75Hz～1.0Hz、5.33ms～7.33ms、50～60次、20000cd/m²～25000cd/m²；

光亮度定量控制，并维持适当的、稳定不变的闪光刺激强度，以保证无创颅内压检测的适应性和一致性。

2、采用无创性电极拾取来自被测者头颅F_PZ、F_Z、O₁、O₂的闪光视觉诱发电位FVEP信号。

3、将拾取的FVEP信号通过放大器放大后、经A/D转换为数字信号输入计算机，由计算机对FVEP-Latency波形进行动态聚类叠加、截断法数字滤波、以及滑动平移法光顺，显示具有高可信度、高保真度、并易于识别FVEP-Latency特征曲线，将III波的波峰处确定为潜伏期(IIILatency)；

4、根据颅内压与III波波峰潜伏期的函数关系(单位：IIILatency_ms，ICP_mmH₂O)，确定颅内压值，即

(1).根据公式ICP＝a×IIILatency+b确定急性颅内压增高，其中a的取值范围为4.732×(1±5％)，b的取值范围为-326.17×(1±5％)；或(2).根据公式ICP＝αEXP(β×IIILatency)确定非急性颅内压增高及正常颅内压，其中α的取值范围为9.3356×(1±5％)，β的取值范围为0.0199×(1±5％)。

在显示屏上即显示出FVEP-Latency曲线上III波波峰(负相)点所对应的颅内压值。

本发明解决上述技术问题之二所采用的技术方案是这样的，即一种基于闪光视觉诱发电位原理的无创颅内压监测装置，其特征在于：

1、包括信号与数据处理计算机，该计算机完成颅内神经诱发电位时序信号的检测采样、特征曲线的滤波和光顺处理、颅内压计算、检测单或监护记录单的生成与打印、检测数据文件管理，保证光闪烁触发和检测采样的精确定时和同步；

2、包括眼罩式闪烁光源及光源材料，该闪烁光源为脉冲式，由计算机触发控制，发光体由发光二极管阵列构成，并布置于一对眼罩内；

3、包括由计算机定量控制光强的光强探测器，；

4、包括电极，与超微信号放大器输入端连接；

5、超微信号放大器，它包括两个多阶带阻滤波器和一个低频带通滤波器等电路，用以消除外界无用干扰信号，从中提取所需的超微FVEP信号进行放大，该放大器特定频段；0Hz～30Hz。

所述超微信号放大器、眼罩式闪烁光源通过控制转换及调整模块电路和数据采集卡及输入输出控制模块接受计算机的控制。光强探测器及超微信号放大器通过数据采集卡及输入输出控制模块向计算机输入信号。

本发明所采用的基于FVEP原理的颅内压监测方法，克服了传统方法有创、操作复杂、适用范围小等缺点，实现了准确、快速、简便监测颅内压。与现有的颅内压检测产品相比，还增加了颅内分腔压力检测、实时监护、数据回放等功能，避免了有创检测的危险性和患者痛苦、减少了诊断费用。本发明具有高稳定性超微信号放大电路，光强定量控制及准确的ICP＝f(Latency)函数关系，装置采用模块化、智能化、完全汉化设计，功能丰富、操作简单、维护容易，还便于功能扩展、产品升级。

本发明的平均相对测量误差低于除开颅测压以外的其它测压方法。本发明的一次测压完成时间约3分钟，远少于其它测压方法

附图说明

图1闪光刺激、及FVEP信号拾取位置示意图；

图2FVEP-Latency典型波形图；

图3数字信号处理模块流程图；

图4截断法数字滤波示意；

图5硬件系统构成框图；

图6FVEP信号放大、模数转换框图；

图7～9闪光眼罩结构示意图；

图10眼罩内电路图；

图11～15 VL-C590型光亮度探头结构示意图；

图16转换开关模块电路图；

图17前置放大、中置放大电路；

图18第一级函数陷波器；

图19隔离微信号放大器；

图20低通滤波电路；

图21控制转换及调整模块(9)的结构框图；

图22非急性颅内增高实施例ICP＝f(Latency)函数关系图；

图23急性颅内增高实施例ICP＝f(Latency)函数关系图；

图24非急性颅内压增高实施例有创与无创数据表；

图25急性颅内压增高实施例有创与无创数据表。

具体实施方式

本发明的上述方法及装置，可以通过具体附图给出的实施例进一步说明。

根据本发明，方法的步骤包括：

1、闪光眼罩对人眼发出标准光刺激信号，经视网膜光感受器转换成电信号：

眼罩内的光源为脉冲式，由计算机触发控制，构成了诱发电位的激励信号。闪光频率、闪光脉冲宽度、闪光次数、及光亮度采用最优组合值：

1.0Hz、5.997ms、60次、22000cd/m²。

所述光亮度需定量控制，并维持适当的、稳定不变的闪光刺激强度，才能够保证无创颅内压检测的适应性和一致性。

该光源的特点是：

(1)采用速率快的光电转换，无滞后效应；

(2)采用黄色光源，褪彰性好，不易诱发视网膜延迟电位——该电位对本检测系统为干扰信号；

(3)低电压、小电流驱动发光，使用寿命长；

(4)发射光束为平行光、且亮度均匀、瞳孔为大视野受光，眼球转动对测量影响很小；

(5)光强适中——既超过产生FVEP所需要的阈值、又不致产生视网膜延迟电位等干扰；

(6)闪光眼罩发光亮度可自检、并可随时调整到所需数值，从而能够避免光衰所导致的光刺激偏差及颅内压测量误差。

1、采用触阻抗小、无创性的葵花状电极拾取来自F_PZ、F_Z、O₁、O₂的FVEP信号。其中无创性的葵花状电极专利号ZL 00 2 44894.7公开的技术结构

3、FVEP信号通过放大器(10～17)放大、再经数据采集卡(6)转换为数字信号输入计算机，见图2。

(1)计算机对FVEP-Latency特征曲线进行数学处理后显示，见图2、图3。

计算机对FVEP-Latency波形进行动态聚类叠加、截断法数字滤波、以及滑动平移法光顺，使其具有高可信度、高保真度、并易于识别。

①动态聚类叠加：就是对N次(50～60)检测采样曲线进行叠加并平均，再经聚类分析后剔除n个(N*10％)奇异样本，以使最终的FVEP-Latency特征曲线具有高的可信度，所述“N次”代表“闪光次数”；

②截断法数字滤波：包括低通数字滤波、工频截频滤波、肌电截频滤波，其特征在于采用了截断法——消除数字滤波的“端点效应”，使FVEP-Latency特征曲线失真极小；

截断法：如图4所示，设欲取用的FVEP-Latency特征曲线长度为L(从时刻t2～时刻t3)，则事先提取长度为2L(从时刻t1～时刻t4)的区段进行数字滤波处理，然后掐头1/2L(从时刻t1～时刻t2)去尾1/2L(从时刻t3～时刻t4)，最终只取用所需的中间段L(从时刻t2～时刻t3)。

③滑动平移法光顺：对FVEP-Latency特征曲线光顺处理后，可使波形易于识别及便于III波的波峰定位。

(2)移动光标至III波的波峰处以确定其潜伏期(IIILatency)，见图2。

(3)应用颅内压与III波波峰潜伏期的函数关系式①、或式②，计算机自动推算出颅内压值。

式①ICP＝a*IIILatency+b急性颅内压增高适用；

公式①根据急性颅内压增高患者的III波波峰潜伏期值与开颅测压值经数学回归得到，。

式②ICP＝α*EXP(β*IIILatency)非急性颅内压增高及正常颅内压适  用。

 公式②根据非急性颅内压增高患者及正常人的III波波峰潜伏期值与开颅测压值经数学回归得到。

注：a、b、α、β均为常数，HILatency单位：ms，ICP单位：mmH₂O。a、b、α、β的较佳取值如下：

①公式ICP＝4.7432IIILatency-326.17急性颅内压增高适用；

②公式ICP＝9.3356EXP(0.0199IIILatency)非急性颅内压增高及正常颅

内压适用。

4、显示屏上即显示出FVEP-Latency曲线上III波波峰(负相)点所对应的颅内压值。见图2。

参见图22、23，及附表1、2，通过48例非急性颅内压增高检测数据及56例急性颅内压增高检测数据，举例说明ICP＝f(Latency)函数关系的获得，其误差在临床允许的范围内。实际上，本发明的给出的函数关系是经过上千例实测数据回归获得的。

本发明装置的实施例中，主要由以下部件构成：

(1)信号与数据处理计算机。该计算机完成颅内神经诱发电位时序信号的检测采样、特征曲线的滤波和光顺处理、颅内压计算、检测单或监护记录单的生成与打印、检测数据文件管理。相应的控制软件在MS-DOS操作系统下运行，以保证光闪烁触发和检测采样的精确定时和同步。

(2)闪烁光源。该闪烁光源为脉冲式，由计算机触发控制。发光体(20)由发光二极管阵列构成，并布置于一对MK11型眼罩(21)之中，以便于临床使用，见图7～9。所述MK11型眼罩(21)由苏州半导体总厂生产。其参数为：

①光源材料：发光二极管(LED)，亮度9000cd/m²±5％、波长590±5nm(黄光)发射角15°、(恒压源VF＝2.0V)正向电流21.5mA±7％；

②排列方式：在a＝29.8mm、b＝25.0mm的椭圆面积内点阵式密布，见图8；其电路由稳压集成器SCA015与发光二极管LED构成，见图10；

(3)光强探测器。本实施例中，采用VL-C590型高精度光亮度检测探头，该探头由杭州远方公司生产。参见图11～15。

VL-C590型光亮度探头由光探头(22)和遮光筒(23)构成，其中遮光筒(23)套在闪光眼罩(21)的发光体(20)上。适用于测量λ＝590±5nm发光二极管点阵(眼罩式外形)的光亮度。亮度探头将输入的光亮度信号转换为相应比例的直流电压信号，输出至数据采集卡(6)转换成数字信号再输入计算机，再由计算机根据事先编入软件的亮度要求自动控制闪光眼罩发光体(20)的闪光亮度。

VL-C590型光亮度探头主要参数和性能指标：   ①探头测量量程：67500cd/m²、最大允许输入：100000cd/m²；   ②探头额定输出范围：DC 0V～5V；   ③探头变比系数：K＝13500cd/m²/V；   ④线性：0.5％；   ⑤零位：±0.1％量程；   ⑥准确度：一级；   ⑦探头输出阻抗：1kΩ；   ⑧工作条件：a.工作电源：±12V～15V；b.环境温度：0℃～40℃；c.环   境湿度：55±15R.H.

(4)电极。本实施例中，电极采用SEF-1型葵花状电极，参见专利ZL 00 244894.7，为FVEP信号的拾取器。电极也可选用针状电极。

(5)放大器。该放大器是为实现特定频段的超微FVEP信号的正常放大而专门设计的，它由(10)开关转换电路，(11)输入级保护电路，(12)前置放大器，(13)中置放大器，(15)隔离放大器，两个函数陷波器(14)、(17)及一个低频带通滤波器(16)电路优化组合而成的，见图6。

其特征在于：开关转换电路(10)由光继电器组成接收信号电路；前置放大器(12)由微信号差分放大器构成；中置放大器(13)由微信号放大器构成；函数陷波器(14)、(17)由有源函数型带阻放大电路构成；隔离放大器(15)由一个输出、输入、电源三端隔离的放大器构成；低频带通滤波器(16)由五阶椭圆低通有源滤波电路构成。FVEP信号经开关转换电路(10)分别由两条信号线通过前置放大器(12)的输入端与前置放大器连接，再通过输出端与中置放大器(13)的输入端连接，再通过中置放大器的输出端与第一级函数型带阻滤波器(14)的输入端连接，再通过第一级函数型带阻滤波器的输出端与隔离放大器(15)的输入端连接，再通过隔离放大器的输出端与低频带通滤波器(16)的输入端连接，再通过低频带通滤波器的输出端与第二级函数型带阻滤波器(17)的输入端连接，最后再通过第二级函数型带阻滤波器的输出端输出至数据卡(6)，见图6。

其主要技术指标：放大倍数≥2.8×10⁵；信号输入范围：0.01μV～10.00μV；信号频率范围：0Hz～30Hz；共模抑制比≥60dB；幅频特性：在10Hz～30Hz范围内输出信号变化幅度不超过1V；阻带特性：50Hz时，输出电压不大于0.08V(无输入信号)。

放大器结构中，由于各单元电路采用了上述连接方式，可抑制消除外界无用干扰信号，从输入信号的特定频段中提取出所需检测的FVEP信号，见图6。

放大器工作流程如图6所示：FVEP信号由电极输入转换开关模块(10)进入输入级保护电路(11)后，依次通过前置放大器(12)中置放大器(13)的全频段信号处理后，进入第一级有源函数型带阻滤波器(14)进行干扰频段信号的滤波处理，再由隔离微信号放大器(15)隔离后进入大信号处理阶段。再经低频带通滤波器(16)和第二级有源函数型带阻滤波器(17)提取FVEP信号所在频段的有效信号，输入数据采集卡(6)再提供给计算机进行运算分析并将结果显示、记录。

在具体实施例中：

①参见图16：图中电路由光继电器U8，U9，U10，U18组成信号开关转换通道，由缓冲驱动器U13及电阻R3，R48-R51组成控制电路，由电容C43，C44，电阻R52-R56组成衰耗输入电路，微信号通过葵花电极拾取进入高灵敏度微信号放大器的通道转换模块(10)。其特征在于，所述电路输入端接收来自Fpz、Fz、O₁、O₂四点的FVEP信号(参见附图6)，转换开关模块由无感的低阻抗高速光继电器组成开关阵列，实时传输被测信号。

②参见图17：图中电路由电容C33-C36，电阻R42，R43组成输入级滤波及自激消除电路，可通过关断信号通路来控制消除电路的自激。由双端差分输入放大集成电路U7，电阻R41，电容C31，C32组成高灵敏度、高增益的前置输入级，由集成电路U6A，U6B，电容C2，C27-C30，电阻R36组成中置放大电路。由其构成低噪声、低漂移的三运放放大系统，极大的提高了系统检测弱信号的能力，同时也提高了双通道之间的平衡度，降低了外界干扰信号对前置放大级的干扰。

③参见图18：图中的第一函数陷波器由集成电路U1A，U1B，电阻R4，R19，R22，R25-R29，R32，R33，电位器W6-W8，电容C1，C11-C13，C15，C16，C19，C20，C23组成，并利用中置放大器和第一级函数陷波器组成一 级组合电路，此种组合有效的将被测信号和与被测信号同样大小的人体本体干扰信号一起放大后进入第一级函数陷波器，使后者更有效的针对干扰信号进行抑制处理，

函数陷波器的变形电路结构有较好的通阻带特性。用于抑制无用的干扰信号和电源杂波的干扰。

④参见图19：图中电路由隔离放大集成电路U5，电阻R11，R44-R47，电容C24，C25，C37-C42组成隔离放大电路，由U14光电隔离器，线圈T2，电阻R59，R60，电容C47-C49组成电源供给及检测电路。由其实现隔离微信号放大级和采样级的电气隔离，以达到系统的安全性。并向前、后级提供高品质的工作电源。

⑤参见图20：图中电路由放大集成电路U2，U3，U4，电阻R2，R6，R8-R12，R14-R18，R20，R21，R23，R24，R61，R62，R65，电容C1-C3，C5，C6，C17，C18，C21，C22，C50，C55，C60，C61组成五阶椭圆函数低通有源滤波电路，低频带通滤波器其特征在于，通过低频带通滤波器可提取特定频段FVEP信号。特定频段为0Hz～30Hz。

⑥第二级函数陷波器的结构与第一级函数陷波器的结构相同，但有关元器件的取值存在不同。

第二级函数陷波器，采用的是单一频率阻带滤波电路(50Hz)。用于消除来自于计算机系统的工频干扰。

整个放大系统采用模块优化布置，加装多种屏蔽，隔离各种干扰源。放大器具有优良的抗干扰能力和弱信号高保真放大能力，具有很高的稳定性、可靠性。

(6)数据采集卡及输入输出控制。见图5、6：数据采集卡及输入输出控制电路由高速高精度16位A/D构成，负责将放大和滤波处理后的FVEP信号转换为数字信号，以便于计算机的处理。还可产生标准的信号源用于整个系统的自测及自动调整。

(7)打印机。略。

(8)显示器。略。

(9)控制转换及调整模块。见图21：图中电路由LED驱动器(MK10A)U30，U31，光继电器U32，U33，数字电位器U34，U35组成。由其实现在计算机控制下由光继电器产生脉冲控制信号用于眼罩的闪烁发光，并利用LED驱动器(MK10A)和数字电位器对眼罩的发光强度进行自动调整。

根据样机在重庆医科大学第二医院临床试验证明，所作的急性颅内压增高29例，非急性颅内压增高22例验证试验中，有创与无创颅内压检测值相关、一致，平均相对误差低于11.1％，在临床允许的范围之内，证明两者具有可互换性，本发明颅内监测仪临床应用有效。