一种脑水肿脑氧多模态复合检测系统

摘要

本发明公开了一种脑水肿脑氧多模态复合检测系统，包括检测颅骨翼点的脑电阻抗检测模块、检测前额的脑血氧含量检测模块和控制设备，能同时检测病人颅脑的生物电阻抗和脑血氧饱和度；检测脑血氧饱和度，能迅速分辨正常颅脑和缺血性脑卒中的情况；检测病人颅脑生物阻抗能快速鉴别是否属于出血性脑卒中的情况；有效地克服低中高频段无法鉴别缺血性脑卒中病人的生物阻抗与正常人脑电阻抗的技术难题，能实现快速精准鉴别，把握病人的黄金救治时间，降低致残率；且脑血氧检测前额，而脑电阻抗检测颅骨翼点，互不干扰，有效保证脑卒中类型的鉴别精度。

说明书

技术领域

本发明属于医疗检测技术领域，具体涉及一种脑水肿脑氧多模态复合检测系统。

背景技术

脑卒中亦称“中风”，为急性脑血管疾病，发病率、致残率和死亡率都非常高，在我国所有死因中排第一，高于癌症患者。脑卒中又分缺血性脑卒中(脑梗)和出血性脑卒中，前者占比约60-70％。对不同类型的脑卒中病人其治疗方案截然不同，故脑卒中类型的早期鉴别对挽救病人生命和降低致残率具有特别重要的意义。对缺血性脑卒中病人，如能在发病后的时间窗口期(4-5小时)内进行溶栓治疗，对挽救生命、降低致残率具有决定性的作用。非常遗憾的是，受限于目前的诊断手段只有CT和MRI，能够在这一时间窗口在医院进行溶栓治疗的缺血性脑卒中病人比例，在西方发达国家也只有8％，而在我国仅为2.4％。缺血性脑卒中和出血性脑卒中病人在早期症状上极其相似，故仅凭观察难以区分。通常的情况是，病人送到医院通过CT等影像手段确诊后已经错过了黄金治疗期。所以，无创、可移动式、实时、早期脑卒中诊断电路和方法为全世界神经医学界所急切盼望。

电阻抗成像(Electrical Impedance Tomography,EIT)是一种无创的以人体内部的电阻抗率分布为目标的重建体内组织图像的技术。人体是一个大的生物电导体，各组织、器官均有一定的生物电阻抗，当人体的局部器官发生病变时，局部部位的阻抗必然会发生改变，会干扰外加电场在体内的正常分布，因而可以通过阻抗的测量对人体组织、器官的病变状况进行检测、诊断和监护。在待检测的人体部位，通过电极从人体表面注入安全电流(或电压)，再用其它电极(或相同电极)在体表不同位置测量其响应电压(或电流)，即可计算出体内不同部位的阻抗分布。通过仿真实验，动物实验，正常人检测以及病人检测，以及大数据分析，构建相应的不同病变比如肿瘤、血肿、水肿、积水等在特定生物电磁场环境中(比如颅脑、胸)的数学模型和鉴别算法，即可对病人的病情进行辅助鉴别和监护。

EIT技术在国际国内的研究已经持续了约四十年时间，取得了大量的实质性进展。国际上已经有“乳腺癌诊断仪”、“肺功能检测仪”、“人体成分分析仪”等产品问世。EIT技术应用于脑卒中类型鉴别与区分在国内外的研究与应用已有20多年的历史。但因缺血性脑卒中病人的生物阻抗与正常人脑电阻抗在低中高频段非常接近，只有在超低频段才有所区别，导致检测现有EIT技术对缺血性脑卒中病人的鉴别和区分检测结果准确率和可信度存在一定制约。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术对缺血性脑卒中病人现场及时性检测较为困难和检测结果不能完全信任的缺点，提出了一种脑水肿脑氧多模态复合检测系统。

本发明采用如下技术方案：

一种脑水肿脑氧多模态复合检测系统，其关键在于：包括脑血氧含量检测模块和脑电阻抗检测模块，所述脑血氧含量检测模块和脑电阻抗检测模块分别与控制设备电连接；

所述脑血氧含量检测模块包括时序驱动电路、探测头适配器、发送探头和接收探头，所述时序驱动电路与所述探测头适配器电连接；所述探测头适配器分别与所述发送探头和所述接收探头电连接；

所述脑电阻抗检测模块包括信号产生电路、变频电路、差分信号处理电路、发送电极组和接收电极组，所述信号产生电路、所述变频电路和所述发送电极组依次电连接，所述接收电极组与所述差分信号处理电路电连接；

所述控制设备分别与所述信号产生电路、所述变频电路、所述差分信号处理电路、所述时序驱动电路电连接；

在检测时，所述发送电极组与所述接收电极组分别安装在待检测颅脑两侧，所述发送探头与接收探头均安装在待检测颅脑前额处；

所述控制设备用于控制所述脑电阻抗检测模块和脑血氧含量检测模块进行所述待检测颅脑的生物电阻抗检测和脑血氧饱和度检测；

所述控制设备，还用于获取一种脑水肿脑氧多模态复合检测系统中预先设置的初始状态参数；以及，根据所述初始状态参数向所述时序驱动电路发出驱动指令；

所述时序驱动电路用于根据所述控制设备发出的所述驱动指令驱动和控制所述探测头适配器运行和数据采集；以及，获取所述探测头适配器的数据采集结果；以及，根据所述数据采集结果计算出脑血氧饱和度；

所述探测头适配器用于输出发射电信号，并将所述发射电信号转换成发射光信号，根据所述发射光信号控制所述发送探头发射近红外光；以及，用于控制所述接收探头接收散射回接收探头的近红外光；以及，接收所述接收探头生成的回收光信号，并将所述回收光信号转换成回收电信号；以及，根据所述发射电信号和所述回收电信号形成所述数据采集结果；

所述发送探头用于根据所述发射光信号发射出无损伤性的低密度近红外光线，通过病人前额的探头进入颅骨和大脑皮层；

所述接收探头用于用以接收散射回所述接收探头的近红外光并形成所述回收光信号；

所述信号产生电路用于产生电磁波信号；

所述变频电路用于调节所述电磁波信号的频率，输出不同频率的变频电磁波信号；

所述发送电极组将所述变频电磁波信号输入待检测颅脑；

所述接收电极组用于接收所述待检测颅脑输出的待处理电磁波信号；

所述差分信号处理电路用于接收所述待处理电磁波信号，输出差分电磁波信号，所述控制设备根据所述差分电磁波信号确定待检测颅脑的生物电阻抗；所述控制设备，还用于通过所述生物电阻抗和脑血氧饱和度综合识别所述待检测颅脑的脑卒中类别。

作为优选方案，所述探测头适配器包括图像探测器和光电转换电路，所述图像探测器分别与所述时序驱动电路、光电转换电路电连接，所述光电转换电路还分别与所述发送探头和所述接收探头电连接；

所述图像探测器用于根据所述驱动指令输出所述发射电信号；以及，根据所述光电转换电路传输的所述回收电信号形成所述数据采集结果；

所述光电转换电路用于将所述发射电信号增益调节后转换成发射光信号；以及，将所述回收光信号转换成所述回收电信号后传输到所述图像探测器。

作为优选方案，所述探测头适配器控制用于控制850nm和730nm两种不同波长的近红外光发射和接收。

作为优选方案，所述控制设备包括数据处理组件，所述数据处理组件设有颅脑预设数据，所述预设数据包括预设生物电阻抗和预设脑血氧饱和度，所述控制设备通过对比检测得到的所述生物电阻抗检测和所述脑血氧饱和度与所述颅脑预设数据，鉴别出所述待检测颅脑的脑卒中类别。

作为优选方案，检测时，所述发送探头待检测颅脑正中位置，所述发送探头两侧分别安装有接收探头。

作为优选方案，所述信号产生电路同时产生多个所述电磁波信号，所述变频电路将多个所述电磁波信号调节成频率不同的多个所述变频电磁波信号。

有益效果：本发明的一种脑水肿脑氧多模态复合检测系统，能同时检测病人颅脑的生物电阻抗和脑血氧饱和度；检测病人颅脑血氧饱和度，能迅速分辨正常颅脑和缺血性脑卒中的情况；检测病人颅脑生物阻抗能快速鉴别是否属于出血性脑卒中的情况；有效地克服低中高频段无法鉴别缺血性脑卒中病人的生物阻抗与正常人脑电阻抗的技术难题，根据生物电阻抗和脑血氧饱和度检测结果综合鉴别脑卒中类别，能实现快速精准鉴别，避免误诊，有效把握病人的黄金救治时间；保障病人的生命安全，降低致残率；且本方案脑血氧检测的粘贴位置为前额，而脑电阻抗检测的粘贴位置为颅骨翼点，两个信号不重合，互不干扰，有效保证脑卒中类型的鉴别精度。

附图说明

图1为一种脑水肿脑氧多模态复合检测系统的结构示意图；

图2为正常人脑组织、缺血性卒中病人脑组织和血液电导率随频率的变化曲线图；

图3为常见重要脑组织的电导率和介电系数对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明：

实施例：如附图1所示，一种脑水肿脑氧多模态复合检测系统，包括脑血氧含量检测模块和脑电阻抗检测模块，所述脑血氧含量检测模块和脑电阻抗检测模块分别与控制设备100电连接；

所述脑血氧含量检测模块包括时序驱动电路900、探测头适配器1000、发送探头1100和接收探头1200，所述时序驱动电路900与所述探测头适配器1000电连接；所述探测头适配器1000分别与所述发送探头1100和所述接收探头1200电连接；

所述脑电阻抗检测模块包括信号产生电路200、变频电路300、差分信号处理电路500、发送电极组600和接收电极组700，所述信号产生电路200、所述变频电路300和所述发送电极组600依次电连接，所述接收电极组700与所述差分信号处理电路500电连接；

所述控制设备100分别与所述信号产生电路200、所述变频电路300、所述差分信号处理电路500、所述时序驱动电路900电连接；

在检测时，所述发送电极组600与所述接收电极组700分别安装在待检测颅脑400两侧，所述发送探头1100与接收探头1200均安装在待检测颅脑400前额处，所述发送探头1100两侧分别安装有接收探头1200。

所述控制设备100用于控制所述脑电阻抗检测模块和脑血氧含量检测模块进行所述待检测颅脑400的生物电阻抗检测和脑血氧饱和度检测；

所述控制设备100，还用于获取一种脑水肿脑氧多模态复合检测系统中预先设置的初始状态参数；以及，根据所述初始状态参数向所述时序驱动电路900发出驱动指令；所述时序驱动电路900用于根据所述控制设备100发出的所述驱动指令驱动和控制所述探测头适配器1000运行和数据采集；以及，获取所述探测头适配器1000的数据采集结果；以及，根据所述数据采集结果计算出脑血氧饱和度；

所述探测头适配器1000用于输出发射电信号，并将所述发射电信号转换成发射光信号，根据所述发射光信号控制所述发送探头1100发射近红外光；以及，用于控制所述接收探头1200接收散射回接收探头1200的近红外光；以及，接收所述接收探头1200生成的回收光信号，并将所述回收光信号转换成回收电信号；以及，根据所述发射电信号和所述回收电信号形成所述数据采集结果；

所述发送探头1100用于根据所述发射光信号发射出无损伤性的低密度近红外光线，通过病人前额的探头进入颅骨和大脑皮层；

所述接收探头1200用于用以接收散射回所述接收探头1200的近红外光并形成所述回收光信号；

所述控制设备100包括数据处理组件，所述数据处理组件设有颅脑预设数据，所述预设数据包括预设生物电阻抗和预设脑血氧饱和度，所述控制设备100通过对比检测得到的所述生物电阻抗检测和所述脑血氧饱和度与所述颅脑预设数据，鉴别出所述待检测颅脑400的脑卒中类别。

进行检测时，所述信号产生电路200同时产生多个电磁波信号，所述变频电路300将多个所述电磁波信号调节成频率不同的多个变频电磁波信号；所述发送电极组600将多个所述变频电磁波信号输入待检测颅脑400；

所述接收电极组700用于接收所述待检测颅脑400输出的待处理电磁波信号；所述差分信号处理电路500用于接收所述待处理电磁波信号，输出差分电磁波信号，所述控制设备100根据所述差分电磁波信号确定待检测颅脑400的生物电阻抗；

所述探测头适配器1000包括图像探测器1010和光电转换电路1020，所述图像探测器1010分别与所述时序驱动电路900、光电转换电路1020电连接，所述光电转换电路1020还分别与所述发送探头1100和所述接收探头1200电连接；

所述图像探测器1010用于根据所述驱动指令输出所述发射电信号；以及，根据所述光电转换电路1020传输的所述回收电信号形成所述数据采集结果；

所述光电转换电路1020用于将所述发射电信号增益调节后转换成发射光信号；以及，将所述回收光信号转换成所述回收电信号后传输到所述图像探测器1010。

通常所述探测头适配器1000控制用于控制850nm和730nm两种不同波长的近红外光发射和接收。

此外，在具体实施时，为了防止损伤病人颅脑，还可以在所述变频电路300和所述发送电极组600之间设置与两者电连接的安全控制设备800，该安全控制设备800与控制设备100电连接，所述颅脑预设数据包含有预设的保护参数，所述安全控制设备800根据保护参数对变频电磁波信号进行增益调节和滤波处理；

安全控制设备800包括滤波调节电路810和瞬时抑制电路820，瞬时抑制电路820与滤波调节电路810电连接，滤波调节电路810与变频电路300电连接，瞬时抑制电路820分别与发送电极组600电连接；

滤波调节电路810，用于根据保护参数对变频电磁波信号进行增益调节和滤波处理，瞬时抑制电路820，用于对增益调节和滤波处理后的变频电磁波信号进行限幅抑制，以保证病人不受到检测电磁波的伤害。本系统的检测原理：

(1)脑电阻抗检测模块的检测原理：

脑组织主要由脑白质、脑灰质、血液和脑脊液组成，不同的组织成分有不同的电导率和介电系数(如附图3所示)。在外加交流电场作用下，脑白质和脑灰质的电导率变化不大，但介电系数随频率升高而急剧减小；另外，脑脊液和血液的电导率和介电系数在较宽频率范围内都相对稳定。

脑电阻抗检测模块利用一对电极对大脑组织施加不同频率的超低交流电场进行激励，使其电介质极化，并测得其传导电流和位移电流，进而计算出整体的脑阻抗(含相位)值。而正常人的脑阻抗值和出血性脑卒中病人的脑阻抗值是不同的，脑卒中病人的颅内通常要么出现血肿(出血性脑卒中的病理特征)，要么出现水肿(缺血性脑卒中的病理特征)，血肿和水肿改变了外加电场在颅内的分布，或者说改变了电场能量在颅内传导通路的性能，即改变了传导电流和位移电流的大小，从而改变了脑阻抗值，通过检测脑阻抗值能迅速判别是否属于出血性脑卒中。但从附图2可以看出，缺血性卒中病人的生物阻抗与正常人脑电阻抗在低中高频段非常接近，只有在超低频段才有所区别，所以仅仅靠脑电阻抗检测模块检测缺血性卒中病人还不够精准；

(2)脑血氧含量检测模块的检测原理：

血氧饱和度(SaO

本方案将脑血氧检测的粘贴位置为前额，而脑电阻抗检测的粘贴位置为颅骨翼点，两个信号不重合，互不干扰，通过生物电阻抗和脑血氧饱和度综合识别脑卒中类别，提高了检测的准确度。经医理实验发现：本发明对出血性脑卒中病人的鉴别精度可达到94％，召回率提高94％；对缺血性脑卒中病人的鉴别精度可达到95％，召回率提高96％。对脑卒中病人的生命安全无疑极大地提供了医疗保障。

最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。