一体式脑信号监测器的制作方法

1.本发明涉及医疗传感器技术领域，尤其是一种一体式脑信号监测器。


背景技术：

2.随着科学技术的发展，医疗监测手段也越发多样，对于脑信号的监测，现有技术一般有脑电波(electroencephalogram,eeg)及功能性近红外光谱技术(functional near-infrared spectroscopy,fnirs)两种手段，eeg一般通过电极收集脑部信号，以记录脑部的电波变化，继而反应脑部的状况；fnirs一般通过600-900nm波长的近红外光的散射性，从而获得大脑活动时氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的变化情况。
3.现有技术中，两个探测器多为独立存在，当需要使用两种检测手段去综合反应脑部状况时，就需要更换不同的设备对脑部进行信号采集，这样的处理较为繁琐，同时，两次采集的信号也不能够对同一时间的脑部状况进行反应。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种一体式脑信号监测器，该一体式脑信号监测器能够集成近红外光谱技术及脑电波技术，更好地在同一时间对脑部的状况进行监测。
5.本发明提供了一种一体式脑信号监测器，包括柔性基板、光源、光电探测器及eeg电极，所述光源、所述光电探测器及所述eeg电极设置于所述柔性基板上，所述光源与所述光电探测器相对设置，在所述柔性基板上设置有用于与外部设备相连的信号接口，所述光源、所述光电探测器及所述eeg电极通过导线与所述信号接口相连，所述导线布设于所述柔性基板上。
6.进一步地，所述光源包括发出第一波长光线的第一光源、发出第二波长光线的第二光源及发出第三波长光线的第三光源，所述第一波长光线、所述第二波长光线及所述第三波长光线的波长依次增大，在所述第二波长的光线下，氧合血红蛋白的吸收系数与脱氧血红蛋白的吸收系数的差值低于设定阈值。
7.进一步地，在所述第二波长的光线下，氧合血红蛋白的吸收系数与脱氧血红蛋白的吸收系数相等。
8.进一步地，所述第一光源的光线的波长大于或等于600且小于800nm，所述第二光源的光线的波长为800nm，所述第三光源的光线的波长大于800且小于或等于950nm。
9.进一步地，通过如下公式得出氧合血红蛋白及脱氧血红蛋白的浓度变化状况：
[0010][0011]
其中：λ表示波长；ε是在λ波长的光线下的吸收系数；δc是浓度变化；l是光在脑部传播的距离；hbo为氧合血红蛋白；hbr为脱氧血红蛋白；δod为在λ波长的光线下光电探测器30检测到的光强变化；
[0012]
通过如下公式反应总的血红蛋白整体浓度的变化：
[0013]
δc
t
＝δc
hbo
+δc
hbr
……
公式
②
[0014]
其中δc
t
反映了总的血红蛋白整体浓度的变化。
[0015]
进一步地，所述光电探测器有多个，多个所述光电探测器间隔设置，且与所述光源的距离均不同。
[0016]
进一步地，所述控制单元根据与所述光源具有不同距离的所述光电探测器的监测结果，得出反应不同深度区间的光强变化，并根据不同深度区间的光强变化，得出不同深度区间内氧合血红蛋白及脱氧血红蛋白的浓度变化状况，以及总的血红蛋白整体的浓度变化状况。
[0017]
进一步地，多个所述光电探测器均位于所述光源的同一侧，且与所述光源沿同一条直线设置。
[0018]
进一步地，所述光电探测器为四个，第一个所述光电探测器与所述光源的距离为3-10mm；第二个所述光电探测器与所述光源的距离为10-20mm；第三个所述光电探测器与所述光源的距离为20-30mm；第四个光电探测器与所述光源的距离为30-50mm。
[0019]
进一步地，所述eeg电极为多个，多个所述eeg电极分布于所述光电探测器的两侧，在所述光电探测器的每一侧，多个所述eeg电极沿同一直线间隔设置，在所述光电探测器的两侧，两个eeg电极相对设置，从侧面看，所述eeg电极与所述光电探测器间隔设置。
[0020]
进一步地，所述eeg电极的高度高于所述光源及所述光电探测器的高度，所述eeg电极与所述光源及所述光电探测器的高度差不超过2mm。
[0021]
综上所述，在本发明中，通过将光源、光电探测器及eeg电极布设于同一个柔性基板上，并通过布设于柔性基板上的导线将信号传递至信号接口，以将信号引出。在使用时，可以将柔性基板贴附于脑部，在同一时间段内，光电探测器探测光源发出的光线信号，eeg电极收集脑部电波信号，也即，能够在同一时间段内，同时采集红外光谱信号及脑电波信号，以根据上述信号对脑部状况进行分析；进一步地，通过柔性基板的设置，能够便于该监测器与脑部进行贴合，与此同时，通过将导线直接布设于柔性基板上，能够无需分立的连接线，简化器件结构并节省成本，并利用柔性排线通过集成的接口与外部电路模块连接，消除异物感，提高测量精度与穿戴舒适性，可长时间监测，对儿童等皮肤敏感、好动人群有较好的应用效果。
[0022]
进一步地，通过三个不同波长的光源的设置，并根据不同波长的光源进行分析，能够更为准确地反映脑部的状态。
[0023]
进一步地，通过多个与光源具有不同距离的光电探测器的设置，能够使得该一体式脑信号监测器反映不同深度区间内脑部的状态。
[0024]
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
[0025]
图1所示为本发明第一实施例提供的一体式脑信号监测器的俯视结构示意图。
[0026]
图2所示为图1中一体式脑信号监测器的截面结构示意图。
[0027]
图3所示为图1中一体式脑信号监测器中不同光电探测器与脑部不同深度区域的红外光谱信号的对照关系示意图。
[0028]
图4所示为本发明第二实施例提供的一体式脑信号监测器的截面结构示意图。
具体实施方式
[0029]
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，详细说明如下。
[0030]
本发明提供了一种一体式脑信号监测器，该一体式脑信号监测器能够集成近红外光谱技术及脑电波技术，更好地在同一时间对脑部的状况进行监测。
[0031]
图1所示为本发明第一实施例提供的一体式脑信号监测器的俯视结构示意图，图2所示为图1中一体式脑信号监测器的截面结构示意图，图3所示为图1中一体式脑信号监测器中不同光电探测器与脑部不同深度区域的红外光谱信号的对照关系示意图。如图1至图3所示，本发明第一实施例提供的一体式脑信号监测器包括柔性基板10、光源20、光电探测器30及eeg(electroencephalogram；脑电波)电极40，光源20、光电探测器30及eeg电极40设置于柔性基板10上，光源20与光电探测器30相对设置，在柔性基板10上设置有用于与外部设备相连的信号接口11，光源20、光电探测器30及eeg电极40通过导线12与信号接口11相连，导线12布设于柔性基板10上。
[0032]
在本实施例中，通过将光源20、光电探测器30及eeg电极40布设于同一个柔性基板10上，并通过布设于柔性基板10上的导线12将信号传递至信号接口11，以将信号引出。在使用时，可以将柔性基板10贴附于脑部，在同一时间段内，光电探测器30探测光源20发出的光线信号，eeg电极40收集脑部电波信号，也即，能够在同一时间段内，同时采集红外光谱信号及脑电波信号，以根据上述信号对脑部状况进行分析；进一步地，通过柔性基板10的设置，能够便于该监测器与脑部进行贴合，与此同时，通过将导线12直接布设于柔性基板10上，能够无需分立的连接线，简化器件结构并节省成本，并利用柔性排线通过集成的接口与外部电路模块连接，消除异物感，提高测量精度与穿戴舒适性，可长时间监测，对儿童等皮肤敏感、好动人群有较好的应用效果。
[0033]
进一步地，光源20包括发出第一波长光线的第一光源，发出第二波长光线的第二光源及发出第三波长光线的第三光源，第一波长、第二波长及第三波长依次增大，在第二波长的光线下，氧合血红蛋白(hbo)的吸收系数与脱氧血红蛋白(hbr)的吸收系数的差值低于设定阈值，优选地，氧合血红蛋白(hbo)的吸收系数与脱氧血红蛋白(hbr)的吸收系数相等。在本实施例中，第一光源的光线的波长可以为600-800nm(不含800nm)，第二光源的光线的波长可以为800nm，第三光源的光线的波长可以为800-950nm(不含800nm)。在其它实施例中，各光源20的波长可以根据光电探测器30的精度以及设定阈值进行调节。
[0034]
以在第二波长的光线下，氧合血红蛋白(hbo)吸收系数与脱氧血红蛋白(hbr)吸收系数相等为例，根据氧合血红蛋白(hbo)及脱氧血红蛋白(hbr)的自身特性，两者对不同波长的光线具有不同的吸收系数，在对于小于第二波长的光线，氧合血红蛋白(hbo)吸收系数小于脱氧血红蛋白(hbr)；对于波长大于第二波长的光线，氧合血红蛋白(hbo)吸收系数大于脱氧血红蛋白(hbr)。
[0035]
进一步地，一体式脑信号监测器还包括对光源探测器30及eeg电极40的信号进行
分析的控制单元(图未示出)。控制单元根据第一光源及第三光源发出光线的光强变化状况得出氧合血红蛋白(hbo)及脱氧血红蛋白(hbr)的浓度变化状况，并根据第二光源发出光线的光强变化状况得出总的血红蛋白的浓度变化状况。
[0036]
具体地，在对氧合血红蛋白(hbo)及脱氧血红蛋白(hbr)各自的浓度变化情况进行监测时，其采用如下公式进行：
[0037][0038]
其中，λ表示波长；ε是在λ波长的光线下的吸收系数；δc是浓度变化；l是光在脑部传播的距离(对于固定的光源20-光电探测器30间距，其值为定值)；hbo为氧合血红蛋白；hbr为脱氧血红蛋白；δod为在λ波长的光线下光电探测器30检测到的光强变化。
[0039]
根据上述的公式，通过大于第二波长的光线及小于第二波长的光线两种光线信号的运用，两种血红蛋白微小的浓度变化就可以引起较大的光强反差，有益于提升信号的灵敏度及信噪比，其可以准确得出氧合血红蛋白(hbo)及脱氧血红蛋白(hbr)各自的浓度变化情况，但是该浓度变化情况可能是由多种情况导致的，可能是氧含量的变化，也可能是整体流入脑中血液量的变化引起的。
[0040]
由于在第二波长光线下，氧合血红蛋白(hbo)吸收系数与脱氧血红蛋白(hbr)吸收系数相等，即因此，可以通过以下公式得出总的血红蛋白整体浓度的变化：
[0041]
δc
t
＝δc
hbo
+δc
hbr
……
公式
②
[0042]
其中δc
t
反映了总的血红蛋白整体浓度的变化。
[0043]
通过氧合血红蛋白(hbo)及脱氧血红蛋白(hbr)各自浓度的变化，以及血红蛋白整体浓度的变化，以对脑部状态进行更加准确的反应。
[0044]
进一步地，在本实施例中，光源20发光强度在0-1w之间可调，这样确保有足够多的光入射到大脑深处，并且经大脑组织散射后仍有较强的光信号被探测器检测到。光电探测器30对600-950nm波长的光信号有不低于0.3a/w的响应度。
[0045]
进一步地，在本实施例中，光电探测器30有多个，多个光电探测器30间隔设置，且与光源20的距离均不同。优选地，多个光电探测器30位于光源20的同一侧，且与光源20沿同一条直线设置。
[0046]
由于多个光电探测器30与光源20均有不同的距离，不同距离的光电探测器30所接收到的光线，其在脑部的传输距离也不同，而在脑部的传输距离越长，则反映了光线的探测深度越深。如图3所示，通过多个光电探测器30的设置，并使其与光源20之间具有不同的距离，由近至远，光电探测器30可以监测到穿过不同深度的光线，以反映脑部不同深度的状况。
[0047]
在本实施例中，光电探测器30可以为四个，第一个光电探测器(a1)距光源20的距离为3-10mm；第二个光电探测器(a2)距光源20的距离为10-20mm；第三个光电探测器(a3)距光源20的距离为20-30mm；第四个光电探测器(a4)距光源20的距离为30-50mm。通过上述的设置，能够使得光电探测器30依次可以监测到光线经过表皮层、头骨、脑脊液及灰质层等不同深度时的光强变化。
[0048]
进一步地，控制单元根据两个对应不同深度的光电探测器30的监测结果，得出代
表不同深度区间内的光强变化，并根据该不同深度区间内的光强变化，得出不同深度区间内氧合血红蛋白(hbo)及脱氧血红蛋白(hbr)的浓度变化状况，以及总的血红蛋白整体的浓度变化状况。需要解释的是，该深度区间是指脑部从某一深度至另一深度之间的区域，而非一个深度至光电探测器30表面的距离。
[0049]
举例而言，通过第二光电探测器及第三光电探测器所监测到的光强变化，可以得出光线经过脑部相对于脑脊液深度处的光强变化，而排除光线经过表皮层及头骨时的干扰，也即，其仅反应光线经过脑脊液所在深度区间时光强的变化。在本实施例中，其可以通过两个光电探测器30的光强变化的差值，来反应不同深度区间内的光强变化。
[0050]
进一步地，将该深度区间内的光强变化，与上述对氧合血红蛋白(hbo)及脱氧血红蛋白(hbr)的浓度变化状况，以及总的血红蛋白的浓度变化状况的分析过程进行结合，能够进一步地反应某一深度区间内脑部的状况。
[0051]
也即，此时上述公式
①
及公式
②
中的δod为在λ波长的光线下光电探测器30监测到的某一深度区间内的光强变化；而δc
t
反映了某一深度区间内总的血红蛋白整体浓度的变化。
[0052]
通过上述的设置，可以根据需要反映出脑氧饱和度、血管灌注压及脑神经活动等指标。
[0053]
进一步地，请继续参照图1及图2，在本实施例中，eeg电极40也有多个，多个eeg电极40分布于光电探测器30的两侧，在光电探测器30的每一侧，多个eeg电极40沿同一直线间隔设置，在光电探测器30的两侧，两个eeg电极40相对设置。从侧面看，eeg电极40与光电探测器30间隔设置。
[0054]
通过多个eeg电极40的布设，能够更好地反映脑部的活动。
[0055]
进一步地，在本实施例中，在柔性基板10上形成有凹槽，上述的导线12形成于凹槽内，并将光源20、光电探测器30及eeg电极40与信号接口11相连。
[0056]
eeg电极40为柱状电极，其高度高于光源20及光电探测器30的厚度，eeg电极40与光源20及光电探测器30之间的高度差不超过2mm，以确保eeg电极40能与人体皮肤充分接触，同时光电探测器30与人体皮肤也有较好的耦合。
[0057]
图4所示为本发明第二实施例提供的一体式脑信号监测器的截面结构示意图。如图4所示，本发明第二实施例提供的一体式脑信号检测器与第一实施例基本相同，其不同之处在于，在本实施例中，eeg电极40为微针电极。
[0058]
综上所述，在本发明中，通过将光源20、光电探测器30及eeg电极40布设于同一个柔性基板10上，并通过布设于柔性基板10上的导线12将信号传递至信号接口11，以将信号引出。在使用时，可以将柔性基板10贴附于脑部，在同一时间段内，光电探测器30探测光源20发出的光线信号，eeg电极40收集脑部电波信号，也即，能够在同一时间段内，同时采集红外光谱信号及脑电波信号，以根据上述信号对脑部状况进行分析；进一步地，通过柔性基板10的设置，能够便于该监测器与脑部进行贴合，与此同时，通过将导线12直接布设于柔性基板10上，能够无需分立的连接线，简化器件结构并节省成本，并利用柔性排线通过集成的接口与外部电路模块连接，消除异物感，提高测量精度与穿戴舒适性，可长时间监测，对儿童等皮肤敏感、好动人群有较好的应用效果。
[0059]
进一步地，通过三个不同波长的光源20的设置，并根据不同波长的光源20进行分
析，能够更为准确地反映脑部的状态。
[0060]
进一步地，通过多个与光源20具有不同距离的光电探测器30的设置，能够使得该一体式脑信号监测器反映不同深度区间内脑部的状态。
[0061]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

技术特征：
1.一种一体式脑信号监测器，其特征在于：包括柔性基板、光源、光电探测器及eeg电极，所述光源、所述光电探测器及所述eeg电极设置于所述柔性基板上，所述光源与所述光电探测器相对设置，在所述柔性基板上设置有用于与外部设备相连的信号接口，所述光源、所述光电探测器及所述eeg电极通过导线与所述信号接口相连，所述导线布设于所述柔性基板上。2.根据权利要求1所述的一体式脑信号监测器，其特征在于：所述光源包括发出第一波长光线的第一光源、发出第二波长光线的第二光源及发出第三波长光线的第三光源，所述第一波长光线、所述第二波长光线及所述第三波长光线的波长依次增大，在所述第二波长的光线下，氧合血红蛋白的吸收系数与脱氧血红蛋白的吸收系数的差值低于设定阈值。3.根据权利要求2所述的一体式脑信号监测器，其特征在于：在所述第二波长的光线下，氧合血红蛋白的吸收系数与脱氧血红蛋白的吸收系数相等。4.根据权利要求2所述的一体式脑信号监测器，其特征在于：所述第一光源的光线的波长大于或等于600且小于800nm，所述第二光源的光线的波长为800nm，所述第三光源的光线的波长大于800且小于或等于950nm。5.根据权利要求2所述的一体式脑信号监测器，其特征在于：所述一体式脑信号监测器包括控制单元，所述控制单元根据所述第一光源及所述第三光源发出的光线的光强变化状况得出氧合血红蛋白及脱氧血红蛋白的浓度变化状况，并根据所述第二光源发出光线的光强变化状况得出总的血红蛋白的浓度变化状况，以及根据氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白及总的血红蛋白的浓度变化状况得出脑部的状态。6.根据权利要求5所述的一体式脑信号监测器，其特征在于：通过如下公式得出氧合血红蛋白及脱氧血红蛋白的浓度变化状况：其中：λ表示波长；ε是在λ波长的光线下的吸收系数；δc是浓度变化；l是光在脑部传播的距离；hbo为氧合血红蛋白；hbr为脱氧血红蛋白；δod为在λ波长的光线下光电探测器30检测到的光强变化；通过如下公式反应总的血红蛋白整体浓度的变化：δc
t
＝δc
hbo
+δc
hbr
……
公式
②
其中δc
t
反映了总的血红蛋白整体浓度的变化。7.根据权利要求5所述的一体式脑信号监测器，其特征在于：所述光电探测器有多个，多个所述光电探测器间隔设置，且与所述光源的距离均不同。8.根据权利要求7所述的一体式脑信号监测器，其特征在于：所述控制单元根据与所述光源具有不同距离的所述光电探测器的监测结果，得出反应不同深度区间的光强变化，并根据不同深度区间的光强变化，得出不同深度区间内氧合血红蛋白及脱氧血红蛋白的浓度变化状况，以及总的血红蛋白整体的浓度变化状况。9.根据权利要求8所述的一体式脑信号监测器，其特征在于：多个所述光电探测器均位于所述光源的同一侧，且与所述光源沿同一条直线设置。10.根据权利要求9所述的一体式脑信号监测器，其特征在于：所述光电探测器为四个，
第一个所述光电探测器与所述光源的距离为3-10mm；第二个所述光电探测器与所述光源的距离为10-20mm；第三个所述光电探测器与所述光源的距离为20-30mm；第四个光电探测器与所述光源的距离为30-50mm。11.根据权利要求9所述的一体式脑信号监测器，其特征在于：所述eeg电极为多个，多个所述eeg电极分布于所述光电探测器的两侧，在所述光电探测器的每一侧，多个所述eeg电极沿同一直线间隔设置，在所述光电探测器的两侧，两个eeg电极相对设置，从侧面看，所述eeg电极与所述光电探测器间隔设置。12.根据权利要求1所述的一体式脑信号监测器，其特征在于：所述eeg电极的高度高于所述光源及所述光电探测器的高度，所述eeg电极与所述光源及所述光电探测器的高度差不超过2mm。

技术总结
一种一体式脑信号监测器，包括柔性基板、光源、光电探测器及EEG电极，所述光源、所述光电探测器及所述EEG电极设置于所述柔性基板上，所述光源与所述光电探测器相对设置，在所述柔性基板上设置有用于与外部设备相连的信号接口，所述光源、所述光电探测器及所述EEG电极通过导线与所述信号接口相连，所述导线布设于所述柔性基板上。该一体式脑信号监测器能够集成近红外光谱技术及脑电波技术，更好地在同一时间对脑部的状况进行监测。一时间对脑部的状况进行监测。一时间对脑部的状况进行监测。


技术研发人员：艾骏 陈颖 徐泽
受保护的技术使用者：钱塘科技创新中心
技术研发日：2021.12.29
技术公布日：2023/7/13