一种用于频域近红外成像系统的信号收发模块

1.本公开涉及红外成像技术领域，更具体地，涉及一种用于频域近红外成像系统的信号收发模块。


背景技术：

2.在现有技术中，近红外成像装置中的光发射模块和光接收模块，是分别由单独的控制器进行控制，这种源-末端分离控制的方案适用于远距离传输的系统。
3.但对于近距离传输系统，尤其是基于近红外光谱(fnirs)的成像系统来说，这种源-末端分离控制的方案并不适用。
4.而且，在现有技术中的信号收发模块的功能较为单一，主要是为了实现信号产生这一种功能。这种具有单一信号产生功能的信号源还具有不利于系统的集成的缺点。


技术实现要素：

5.本公开的一个目的是提供一种用于频域近红外成像系统的信号收发模块的新技术方案。
6.根据本公开的第一方面，提供了一种用于频域近红外成像系统的信号收发模块，所述频域近红外成像系统包括频域近红外检测装置和主控装置，所述频域近红外检测装置包括光发射模块、光接收模块、所述信号收发模块；所述光发射模块包括至少一个红外光源，所述光接收模块包括用于接收反射光的光电探测器；其中，所述反射光为被待测对象所反射至所述光电探测器的红外光；
7.所述信号收发模块包括控制单元、第一信号源单元、第二信号源单元、模数转换单元，
8.所述控制单元被设置为控制所述第一信号源单元向所述光发射模块输出第一射频信号，并向所述光发射模块输出对应于每个所述红外光源的控制信号，以使所述光发射模块根据所述第一射频信号和所述控制信号，通过所述至少一个红外光源依次发出设定波长的红外光；
9.所述控制单元还被设置为控制所述第二信号源单元向所述光接收模块输出第二射频信号，以供所述光接收模块对所述光电探测器接收的所述反射光和所述第二射频信号进行外差检测，得到差频电压信号；其中，所述第一射频信号和所述第二射频信号的相位相同；
10.所述模数转换单元被设置为对所述差频电压信号进行模数转换处理，得到所述待测对象的近红外检测数据，并将所述近红外检测数据传输至所述主控装置，以供所述主控装置根据所述近红外检测数据检测所述待测对象的神经活动。
11.可选的，所述信号收发模块还包括时钟单元，所述时钟单元被设置为向所述信号收发模块的各功能单元提供时钟信号。
12.可选的，所述时钟单元包括晶振、开关子单元、时钟缓冲器和用于输入外部时钟信
号的外部时钟输入端，
13.所述晶振被设置为产生内部时钟信号；
14.所述晶振和所述外部时钟输入端均通过所述开关子单元与所述时钟缓冲器的输入端连接，
15.所述时钟缓冲器被设置为将输入的所述内部时钟信号或所述外部时钟信号，通过与所述功能单元对应的输出端输出，以向所述功能单元提供时钟信号。
16.可选的，任一信号源单元包括信号生成电路和可编程增益放大电路，
17.所述信号生成电路被设置为根据所述时钟信号生成对应的射频信号；
18.所述可编程增益放大电路被设置为对对应的射频信号进行放大处理；
19.其中，所述任一信号源单元为所述第一信号源单元或所述第二信号源单元。
20.可选的，所述信号生成电路包括锁相环芯片和第二滤波器，
21.所述锁相环芯片被设置为根据所述时钟信号生成对应的射频信号；
22.所述第二滤波器被设置为对对应的射频信号进行滤波处理。
23.可选的，所述可编程增益放大电路包括温度传感器，所述可编程增益放大子单元被设置为对所述第一射频信号进行放大处理，
24.所述温度传感器被设置为采集所述可编程增益放大子单元的温度，并将所述温度传输至所述控制单元，以供所述控制单元根据所述温度对所述可编程增益放大子单元进行监控保护。
25.可选的，所述信号收发模块还包括可编程运算放大电路，所述可编程运算放大电路连接在所述信号接收模块和所述模数转换单元之间，所述可编程运算放大电路被设置为对所述差频电压信号进行放大处理。
26.可选的，所述信号收发模块还包括电压调节单元，所述电压调节单元被设置为对所述频域近红外检测装置提供至所述信号收发模块的供电电压进行电压调节处理后，为所述信号收发模块的各功能单元进行供电。
27.可选的，所述信号收发模块的电路板表面设置有裸铜，所述裸铜与所述信号收发模块的接地端连接。
28.可选的，所述信号收发模块的电路板设置在金属外壳内。
29.通过本公开的实施例的信号收发装置，为近红外检测系统提供了两个可以输出相同相位、输出功率可调且稳定的射频信号源，具有高采样精度和采样率的模数转换单元，可以减少近红外检测系统中多余设备的使用，减少了近红外检测系统的体积。
30.通过以下参照附图对本公开的示例性实施例的详细描述，本公开的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
31.被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本公开的实施例，并且连同其说明一起用于解释本公开的原理。
32.图1示出了本公开的实施例的近红外检测系统的框图；
33.图2示出了本公开的实施例的信号收发模块的一个例子的框图；
34.图3示出了本公开的一个实施例的近红外探头的示意图；
35.图4示出了本公开的另一个实施例的近红外探头的示意图；
36.图5示出了本公开的实施例的近红外检测设备的示意图。
具体实施方式
37.现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。
38.以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。
39.对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
40.在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
41.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
42.本公开的实施例提供了一种用于频域近红外成像系统的信号收发模块。
43.图1示出了本公开的实施例的频域近红外成像系统的框图。
44.如图1所示，该频域近红外成像系统1000可以包括频域近红外检测装置1300和主控装置1400，频域近红外检测装置可以包括信号收发模块1310、光发射模块1320、光接收模块1330。
45.其中，光发射模块1320包括至少一个红外光源1321，光接收模块1330包括用于接收反射光的光电探测器1331，反射光为被待测对象反射至光电探测器1331的红外光。
46.信号收发模块1310包括控制单元1311、第一信号源单元1312、第二信号源单元1313和模数转换单元1315。
47.控制单元1311被设置为控制第一信号源1312单元向光发射模块1320输出第一射频信号，并向光发射模块1320输出对应于每个红外光源的控制信号，以使光发射模块1320根据第一射频信号和控制信号，通过至少一个红外光源1321依次发出设定波长的红外光。
48.控制单元1311还被设置为控制第二信号源单元1313向光接收模块1330输出第二射频信号，以供光接收模块1330对光电探测器接收的反射光和第二射频信号进行外差检测，得到差频电压信号；其中，第一射频信号和第二射频信号的相位相同。
49.模数转换单元1315被设置为对差频电压信号进行模数转换处理，得到待测对象的近红外检测数据，并将近红外检测数据传输至主控装置1400，以供主控装置根据近红外检测数据检测待测对象的神经活动。
50.在本实施例中，第一射频信号和第二射频信号的相位相同、频率不同。例如，第一射频信号和第二射频信号的频率可以是分别为100mhz和100.005mhz，或者，第一射频信号和第二射频信号的频率可以是分别为120mhz和120.005mhz。
51.在一个例子中，第一信号源单元1312和第二信号源单元1313的输出功率可以调节，调节范围为-3dbm～+26dbm，调节步进值为0.25db，输出的射频信号的频率精度为
±
3*10^(-6)*中心频率。
52.通过本公开的实施例的信号收发装置，为近红外检测系统提供了两个可以输出相同相位、输出功率可调且稳定的射频信号源，具有高采样精度和采样率的模数转换单元，可以减少近红外检测系统中多余设备的使用，减少了近红外检测系统的体积。
53.光发射模块1320被设置为根据第一射频信号和控制信号，通过至少一个红外光源1321依次发出设定波长的红外光。
54.光接收模块1330被设置为对接收的反射光和第二射频信号进行外差检测，得到差频电压信号。其中，反射光为被待测对象反射至光电探测器1331的红外光。
55.信号收发模块1310还被设置为对外差信号进行处理，得到近红外检测数据。
56.主控装置1400被设置为根据近红外检测数据，检测待测对象的神经活动。
57.通过本实施例的频域近红外成像系统，可以对待测对象进行近红外检测成像，进而检测待测对象的神经活动，神经组织散射率的变化与神经电活动同步发生，因此，神经参数能直接反应神经活动，其时间分辨率可以达到毫秒级。具有低成本、时间分辨率高、无副作用伤害、对待测对象无限制要求等优点。
58.在一个例子中，主控装置1400可以是由上位机提供。
59.主控装置1400被设置为设置频域近红外检测装置1300的近红外光源参数。其中，近红外光源参数可以包括近红外光源的发光波长、发光时长等。
60.在本公开的一个实施例中，如图2所示，信号收发模块1310包括控制单元1311、第一信号源单元1312、第二信号源单元1313。
61.控制单元1311被设置为控制第一信号源单元1312输出第一射频信号、控制第二信号源单元1313输出第二射频信号，并输出控制信号，以控制至少一个红外光源1321依次发光。
62.在本实施例中，第一射频信号和第二射频信号的相位相同、频率不同。例如，第一射频信号和第二射频信号的频率可以是分别为100mhz和100.005mhz，或者，第一射频信号和第二射频信号的频率可以是分别为120mhz和120.005mhz。
63.在一个例子中，第一信号源单元1312和第二信号源单元1313的输出功率可以调节，调节范围为-3dbm～+26dbm，调节步进值为0.25db，输出的射频信号的频率精度为
±
3*10^(-6)*中心频率。
64.进一步地，如图2所示，信号收发模块1310还可以包括时钟单元1314，时钟单元1314被设置为向信号收发模块1310的各功能单元提供时钟信号。信号收发模块1310的各功能单元包括控制单元1311、第一信号源单元1312、第二信号源单元1313、时钟单元1314、模数转换单元1315、可编程运算放大电路1316中的任意一个或多个。
65.再进一步地，第一信号源单元1312可以是根据时钟信号生成第一射频信号，第二信号源单元1313可以是根据时钟信号生成第二射频信号。
66.在本公开的一个实施例中，如图2所示，时钟单元1314可以包括晶振13141、开关子单元13142、时钟缓冲器13143和用于输入外部时钟信号的外部时钟输入端13144。
67.晶振13141被设置为产生内部时钟信号。例如，晶振13141可以是产生12.8mhz的内部时钟信号。
68.晶振13141和外部时钟输入端13144均通过开关子单元13142与时钟缓冲器13143的输入端连接。
69.时钟缓冲器13143被设置为将输入的内部时钟信号或外部时钟信号，通过与功能单元对应的输出端输出，以向功能单元提供时钟信号。
70.在本实施例中，时钟缓冲器13143可以是包括与信号收发模块1310中每个需要时钟信号的功能单元一一对应的输出端，将通过输入端所输入的时钟信号(即内部时钟信号或外部时钟信号)，通过每个输出端输出至对应的功能单元中，以为每个功能单元提供时钟信号。
71.进一步地，时钟缓冲器13143还可以包括其他输出端，其他输出端可以是与该信号收发模块1310外部的功能模块连接，以使外部的功能模块获取该信号收发模块1310所使用的时钟信号，以使外部的功能模块与该信号收发模块1310保持时钟同步。
72.在本公开的一个实施例中，开关子单元13142可以是单刀双掷开关。具体的，单刀双掷开关的公共端与时钟缓冲器13143的输入端连接，单刀双掷开关的另外两端分别与晶振13141和外部时钟输入端13144连接。
73.在本公开的另一个实施例中，开关子单元13142还可以包括第一开关和第二开关。具体的，晶振13141可以是通过第一开关与时钟缓冲器13143的输入端连接，外部时钟输入端13144可以是通过第二开关与时钟缓冲器13143的输入端连接。
74.在本公开的一个实施例中，可以是控制单元1311控制开关子单元13142的导通状态，以选择内部时钟信号或外部时钟信号传输至时钟缓冲器13143的输入端。
75.在本公开的一个实施例中，如图2所示，第一信号源单元1312可以包括信号生成电路13121和可编程增益放大电路13122。
76.信号生成电路13121被设置为根据时钟信号生成第一射频信号。
77.可编程增益放大电路13122被设置为对第一射频信号进行放大处理。
78.在一个例子中，信号生成电路13121可以包括第一锁相环芯片和第二滤波器。
79.第一锁相环芯片被设置为根据时钟信号生成第一射频信号。第二滤波器被设置为对第一射频信号进行滤波处理。
80.本实施例的第一锁相环芯片可以是集成vco(振荡电路)的分数n锁相环芯片，集成vco的分数n锁相环芯片的时钟参考输入端口可以是与时钟缓冲器13143的一个输出端连接，逻辑控制部分端口连接到控制单元1311，以使控制单元1311可以对集成vco的分数n锁相环芯片内部的锁相环和振荡电路进行控制，从而使得集成vco的分数n锁相环芯片能够输出第一频率的第一射频信号。
81.第二滤波器可以是带通滤波器，带通滤波器对锁相环芯片所输出的第一射频进行滤波处理，可以减少信号生成电路13121所输出的第一射频信号收到的外界干扰。
82.在本公开的一个实施例中，可编程增益放大电路13122可以包括第一可编程增益放大子单元和第一温度传感器。第一可编程增益放大子单元被设置为对第一射频信号进行放大处理。第一温度传感器被设置为采集可编程增益放大子单元的第一温度，并将第一温度传输至控制单元，以供控制单元根据第一温度对第一可编程增益放大子单元进行监控保护。
83.具体的，第一可编程增益放大子单元可以包括第一可编程增益衰减器芯片和第一放大器，控制单元可以对第一可编程增益衰减器芯片和第一放大器进行控制，实现第一射频信号的增益可调节。其中，增益调节范围为-31.75db～0db，步进值为0.25db。
84.在本公开的一个实施例中，如图2所示，第二信号源单元1313可以包括信号生成电路13131和可编程增益放大电路13132。
85.信号生成电路13131被设置为根据时钟信号生成第二射频信号。
86.可编程增益放大电路13132被设置为对第二射频信号进行放大处理。
87.在一个例子中，信号生成电路13131可以包括第二锁相环芯片和第三滤波器。
88.第二锁相环芯片被设置为根据时钟信号生成第二射频信号。第三滤波器被设置为对第二射频信号进行滤波处理。
89.本实施例的第二锁相环芯片可以是集成vco(振荡电路)的分数n锁相环芯片，集成vco的分数n锁相环芯片的时钟参考输入端口可以是与时钟缓冲器13143的一个输出端连接，逻辑控制部分端口连接到控制单元1311，以使控制单元1311可以对集成vco的分数n锁相环芯片内部的锁相环和振荡电路进行控制，从而使得集成vco的分数n锁相环芯片能够输出第二频率的第二射频信号。
90.第三滤波器可以是带通滤波器，带通滤波器对锁相环芯片所输出的第一射频进行滤波处理，可以减少信号生成电路13131所输出的第二射频信号收到的外界干扰。
91.在本公开的一个实施例中，可编程增益放大电路13132可以包括第二可编程增益放大子单元和第二温度传感器。第二可编程增益放大子单元被设置为对第二射频信号进行放大处理。第二温度传感器被设置为采集第二可编程增益放大子单元的第二温度，并将第二温度传输至控制单元，以供控制单元根据第二温度对可编程增益放大子单元进行监控保护。
92.具体的，第二可编程增益放大子单元可以包括第二可编程增益衰减器芯片和第二放大器，控制单元可以对第二可编程增益衰减器芯片和第二放大器进行控制，实现第二射频信号的增益可调节。其中，增益调节范围为-31.75db～0db，步进值为0.25db。
93.在本公开的一个实施例中，如图2所示，信号收发模块1310还可以包括模数转换单元1315，模数转换单元1315被设置为对差频电压信号进行模数转换处理，得到近红外检测数据。
94.进一步地，如图2所示，信号收发模块1310还可以包括可编程运算放大电路1316，可编程运算放大电路1316连接在信号接收模块1330和模数转换单元1315之间，可编程运算放大电路1316被设置为对差频电压信号进行放大处理。
95.在本实施例中，可编程运算放大电路1316可以包括信号继电器、电阻网络芯片与运算放大器芯片，信号继电器的一端输入连接外部输入的差频电压信号，控制端口连接控制单元，通过控制单元输出的高低电平控制信号继电器的开关，与电阻网络芯片、运算放大器芯片配合使用，实现对输入的差频电压信号的放大增益控制。模数转换单元1315的输入端口与可编程运算放大电路1316的输出端连接，控制端口连接到控制单元，实现控制单元对模数转换单元1315的控制，对经过可编程运算放大电路1316放大后的差频电压信号进行模数转换处理，并通过spi通信将处理后得到的近红外检测数据传输至控制单元中。
96.再进一步地，信号收发模块1310还可以包括温度传感器，该温度传感器被设置为检测可编程运算放大电路1316的第三温度，并将第三温度传输至控制单元，以供控制单元对可编程运算放大电路1316进行监控保护。
97.在本公开的一个实施例中，信号收发模块1310还可以包括电压调节单元1317，电
压调节单元1317被设置为对频域近红外检测装置1300提供至信号收发模块1310的供电电压进行电压调节处理后，为信号收发模块1310的各功能单元进行供电。信号收发模块1310的各功能单元包括控制单元1311、第一信号源单元1312、第二信号源单元1313、时钟单元1314、模数转换单元1315、可编程运算放大电路1316中的任意一个或多个。
98.在本实施例中，电压调节单元1317可以是使用射频低压差线性稳压器(射频ldo)将频域近红外检测装置1300提供至信号收发模块1310的12v的供电电压，转换为各个功能单元所需的电压值，提供稳定的电压输出。
99.在一个例子中，可编程运算放大电路采用5v供电，集成vco的分数n锁相环芯片的vddcp_5v端口采用5v供电，集成vco的分数n锁相环芯片的rvdd_3.3v端口采用3.3v供电，可编程增益放大子单元中的放大器采用8v供电，可编程增益放大子单元中的可编程增益衰减器芯片采用3.3v供电。
100.在本公开的一个实施例中，如图2所示，该信号收发模块1310还可以包括通信接口模块1318，通信接口模块1318可以包括高达80mhz的26p快速i/o端口13181，jiag/swd/isp下载接口13182，usb-b端口13183和串口13184。该信号收发模块1310可以是通过通信接口模块1318与频域近红外检测装置1300的其他功能模块以及频域近红外成像系统的其他功能装置进行数据通信。其中，频域近红外检测装置1300的其他功能模块可以包括光发射模块和/或光接收模块，频域近红外成像系统的其他功能装置可以包括主控装置、另一个频域近红外检测装置中的任意一个或多个。
101.其中，26p快速i/o端口13181可以输出ttl控制信号。jiag/swd/isp下载接口13182主要负责往控制单元内烧写控制程序。usb-b端口13183用于与主控装置之间进行数据通信。串口13184可选择作为数据交互的端口。
102.在本公开的一个实施例中，信号收发模块1310的电路板表面设置有裸铜，所述裸铜与信号收发模块1310的接地端连接。这样，可以避免信号收发模块1310中各功能单元间产生相互干扰，还可以对信号收发模块1310内的芯片进行散热。
103.在本公开的一个实施例中，信号收发模块1310的电路板可以是设置在金属外壳内，使得金属外壳对信号收发模块1310的电路板进行覆盖，可以增强信号收发模块1310的散热能力和抗干扰能力。
104.在本公开的一个实施例中，如图1所示，光发射模块1320还可以包括射频选择开关单元1322、以及与每一红外光源一一对应的第一驱动单元1323。
105.射频选择开关单元1322包括与每一红外光源1321一一对应的开关通道，射频选择开关单元1322被设置为根据控制信号选择导通的开关通道，以将第一射频信号传输至对应的第一驱动单元1323中。
106.第一驱动单元1323被设置为根据第一射频信号驱动对应的红外光源1321发出红外光。
107.具体的，射频选择开关单元1322的输入端用于接收信号收发模块1310输出的第一射频信号，射频选择开关单元1322包括与每个第一驱动单元1323一一对应的输出端，每个输出端与对应的第一驱动单元1323的输入端连接，每个第一驱动单元1323的输出端与对应的红外光源1321连接。
108.射频选择开关单元1322的控制端用于接收信号收发模块1310输出的控制信号，以
使得信号收发模块1310根据控制信号控制射频选择开关单元1322中各开关通道的开关状态。
109.在本公开的一个实施例中，第一驱动单元1323在根据第一射频信号驱动对应的红外光源发出红外光时，被设置为：生成直流驱动信号，对直流驱动信号和第一射频信号进行调制，根据调制后的信号驱动对应的红外光源发出红外光。
110.进一步地，第一驱动单元1323可以包括恒流源电路和直流驱动电路，直流驱动电路被设置为在控制信号控制自身工作的情况下，向对应的红外光源输出直流驱动信号；恒流源电路被设置为将第一射频信号进行电压电流转换处理，得到交流驱动信号，并向对应的红外光源输出交流驱动信号。
111.红外光源1321在直流驱动信号和交流驱动信号驱动下，发出红外光。
112.光源驱动电路1323的使能端用于接收信号收发模块1310输出的控制信号，在控制信号用于控制射频选择开关单元1322中与自身对应的开关通道导通的情况下，该控制信号也控制该光源驱动电路1323工作。在控制信号用于控制射频选择开关单元1322中与自身对应的开关通道断开的情况下，该控制信号也控制该光源驱动电路1323不工作。
113.在本公开的一个实施例中，由于激光二极管具有体积小、重量轻、耗电低、驱动电路简单、调制方便、耐机械冲击以及抗震动等优点，因此，红外光源可以是激光二极管，其波长可以是690nm或830nm。
114.进一步地，激光二极管在工作时可以向直流驱动电路返回一个反馈信号，使得直流驱动电路可以对激光二极管实现恒定功率控制。
115.在本实施例中，信号收发模块1310对红外光源1321的控制方式，可以是通过时分复用来实现。
116.在一个例子中，信号收发模块1310可以是控制光发射模块1320每隔设定时长点亮一个红外光源，使得在一个循环周期内，光发射模块1320中的红外光源依次发出红外光，且每个红外光源的发光时长均为设定时长。例如，在光发射模块1320包括4个红外光源，设定时长为5毫秒，那么，在一个循环周期内，4个红外光源依次发出对应波长的红外光，一个循环周期的时长为20毫秒。
117.在本公开的一个实施例中，光接收模块1330还包括外差检测单元1332和信号处理单元1333。
118.光电探测器1331被设置为对反射光进行光电转换处理，得到第一信号。外差检测单元1332被设置为对第一信号和第二射频信号进行外差检测，得到差频电流信号。信号处理单元1333被设置为对外差电流信息电流电压转换处理，得到差频电压信号。
119.在本公开的一个实施例中，该光接收模块1330还包括第二驱动单元，第二驱动单元被设置为驱动光电探测器1331工作。具体的，第二驱动单元可以是向光电探测器1331提供负高压，以使光电探测器1331工作。
120.在一个实施例中，光电探测器1331可以采用光电倍增管。光电倍增管具有探测灵敏，准确等优点。光电倍增管的工作原理为：反射光照射光电倍增管，其阴极会产生光电子，经过多级倍增极的放大从而产生电流信号，即第一信号。因此，光电倍增管的灵敏度极高可达光子级，且具有优异的光谱响应、线性动态范围及时间响应，其驱动电路与外差检测单元也有很高的适配性，因此选用光电倍增管作为光电转换器可保证系统检测结果的可靠度。
121.光电倍增管配合输入的负高压，实现对反射光的探测，并完成光信号到电信号的转换。
122.进一步地，该光接收模块1330还可以包括第一滤波器，第一滤波器被设置为对差频电压信号进行滤波处理后传输至信号收发模块1310。这样，可以提高系统的信噪比。
123.再进一步地，该第一滤波器可以是带通滤波器。
124.在本公开的一个实施例中，为消除高频信号的干扰，可以是将光接收模块1330的各部分电路集成于一个具有屏蔽作用的屏蔽盒中，并使用标准接口及电缆线与其他模块进行连接，以提高光接收模块1330的抗干扰能力，从而可以提高频域近红外检测装置的抗干扰能力。
125.在本公开的一个实施例中，该频域近红外检测装置1300还可以包括风冷模块，风冷模块被设置为对发热严重的信号收发模块1310进行散热处理。
126.进一步地，该风冷模块还可以为光发射模块1320和光接收模块1330进行散热处理。
127.在本公开的一个实施例中，该频域近红外检测装置1300还可以包括电源模块，该电源模块可以为信号收发模块1310、光发射模块1320和光接收模块1330供电。
128.在本公开的一个实施例中，该频域近红外检测装置1300还可以包括近红外探头、探测光纤和与每一红外光源一一对应的发射光纤。发射光纤的第一端设置在近红外探头上，发射光纤的第二端与对应的红外光源连接，以使红外光源发出的红外光通过对应的发射光纤传输至近红外探头所接触待测对象上。具体的，每一个红外光源所连接的发射光纤的第一端可以是设置在近红外探头的对应的发射位置上。
129.探测光纤的第一端设置在近红外探头上，探测光纤的第二端与光电探测器连接，以使反射光传输至光电探测器。具体的，探测光纤的第一端可以是设置在近红外探头的探测位置上。
130.在本公开的一个实施例中，探测光纤的第一端和发射光纤的第一端在近红外探头上的设置位置，使得每一发射光纤的第一端与探测光纤的第一端之间的距离相同。即每个红外光源对应的发射位置和探测位置之间的距离相同。
131.进一步地，探测光纤的第一端在近红外探头上的设置位置，为近红外探头的中心。
132.在一个例子中，探测光纤的第一端和发射光纤的第一端在近红外探头上的设置位置，即每个红外光源对应的发射位置1101和光电探测器在近红外探头上的探测位置1102，具体可以是如图3所示。具体的，红外光源对应的发射位置1101围绕光电探测器在近红外探头上的探测位置1102设置，且每个红外光源对应的发射位置1101和光电探测器在近红外探头上的探测位置1102之间的距离相等，光电探测器在近红外探头上的探测位置1102为近红外探头的中心。
133.在本公开的另一个实施例中，探测光纤的第一端和发射光纤的第一端在近红外探头上的设置位置，使得发出相同的波长红外光的红外光源所连接的每一探测光纤的第一端、与发射光纤的第一端之间的距离均不相同。即发出相同的波长红外光的红外光源对应的发射位置和探测位置之间的距离不同。
134.进一步地，发出相同的波长红外光的红外光源所连接的探测光纤的第一端、与发射光纤的第一端可以是位于同一直线上。
135.在一个例子中，探测光纤的第一端和发射光纤的第一端在近红外探头上的设置位置，即每个红外光源对应的发射位置1201和光电探测器在近红外探头上的探测位置1202，可以是如图4所示。具体的，每个红外光源对应的发射位置1201和光电探测器在近红外探头上的探测位置1202之间的距离均不相等，每个红外光源对应的发射位置1201和光电探测器在近红外探头上的探测位置1202位于同一直线上。
136.再进一步地，发出任一个波长的红外光的红外光源的数量可以是至少两个。
137.在本公开的一个实施例中，该频域近红外成像系统1000可以包括多个频域近红外检测装置1300，多个频域近红外检测装置1300集成在一个近红外检测设备内。
138.在如图5所示的例子中，该频域近红外成像系统1000可以包括两个频域近红外检测装置1300，近红外检测设备上设置有发射光纤连接口1301-1、1301-2，以及探测光纤连接口1302-1、1302-2。发射光纤连接口1301-1在近红外检测设备内部与第一个频域近红外检测装置中对应的红外光源连接，发射光纤连接口1301-1在近红外检测设备外部与对应的发射光纤的第二端连接；探测光纤连接口1302-1在近红外检测设备内部与第一个频域近红外检测装置中的光电探测器连接，探测光纤连接口1302-1在近红外检测设备外部与对应的探测光纤的第二端连接。发射光纤连接口1301-2在近红外检测设备内部与第二个频域近红外检测装置中对应的红外光源连接，发射光纤连接口1301-2在近红外检测设备外部与对应的发射光纤的第二端连接；探测光纤连接口1302-2在近红外检测设备内部与第二个频域近红外检测装置中的光电探测器连接，探测光纤连接口1302-2在近红外检测设备外部与对应的探测光纤的第二端连接。
139.进一步地，该近红外检测设备上还可以设置有usb连接口，以用于与主控装置进行通信连接。
140.本实施例的近红外检测设备为一体化设备，集成度更高。
141.在本公开的一个实施例中，主控装置1400在根据近红外检测数据检测待测对象的神经活动时，被设置为：
142.根据每一红外光源对应的近红外检测数据，确定待测对象在对应红外光源下的光学参数，其中，光学参数可以反映待测对象的神经活动。
143.光学参数可以包括振幅、相位、散射系数中的任意一个或多个。
144.在本实施例中，在每一个红外光源发出红外光的情况下，频域近红外检测装置1300光接收模块1330和信号收发模块1310都可以根据对应的反射光，得到对应的近红外检测数据，即得到与每一个红外光源对应的近红外检测数据。
145.在光学参数包括对应红外光源发出的红外光经待测对象反射后的振幅和/或相位的实施例中，根据任一个红外光源对应的近红外检测数据，确定待测对象在该红外光源下的光学参数，可以包括：对近红外检测数据进行降采样处理，得到第二信号；对第二信号进行傅里叶变换，得到反射光的振幅和/或相位。
146.本实施例中的振幅至少可以包括交流振幅。进一步地，本实施例的振幅可以包括交流振幅和直流振幅。
147.对近红外检测数据进行降采样处理，具体可以是对将多个周期的近红外数据叠加平均处理为一个周期的数据，即第二信号。
148.进一步地，在光学参数包括待测对象的吸收系数和/或散射系数的实施例中，根据
任一个红外光源对应的近红外检测数据，确定待测对象在该红外光源下的光学参数，可以包括：对近红外检测数据进行降采样处理，得到第二信号；对第二信号进行傅里叶变换，得到振幅和相位；根据振幅和相位，得到吸收系数和/或散射系数。
149.在探测光纤的第一端和发射光纤的第一端在近红外探头上的设置位置，使得每一探测光纤的第一端与发射光纤的第一端之间的距离相同的实施例中，可以是通过如下公式确定吸收系数和散射系数：
[0150][0151][0152][0153]
d＝v[3(μ
α
+μ
′s)]-1
[0154]
μ
′s＝μs(1-g)g＝《cosθ》,0《θ《π
[0155]
其中，μ
α
为吸收系数，μ
′s为约化散射系数，μs为散射系数,g是各向异性因子，u
dc
(r)为直流振幅，u
ac
(r,ω)为交流振幅，φ(r,ω)为相位，ω为交流驱动信号的频率，v为对应光源发出的红外光的传播速度，r为探测光纤的第一端与发射光纤的第一端之间的距离，φs为预设的初始相位，p
dc
为直流发射功率，p(ω)为交流发射功率。
[0156]
在本实施例中，根据一个红外光源发出的红外光经待测对象反射后的直流振幅、交流振幅和相位，可以得到待测对象在该红外光源发出的红外光照射下的吸收系数和散射系数。
[0157]
在探测光纤的第一端和发射光纤的第一端在近红外探头上的设置位置，使得发出相同的波长红外光的红外光源所连接的每一探测光纤的第一端、与发射光纤的第一端之间的距离均不相同的实施例中，可以是通过如下斜率公式，确定吸收系数和约化散射系数：
[0158][0159][0160][0161]
d＝v[3(μ
α
+μ
′s)]-1
[0162]
μ
′s＝μs(1-g)g＝《cosθ》,0《θ《π
[0163]
其中，r为对应红外光源所连接的探测光纤的第一端与发射光纤的第一端之间的距离，s
dc
为直流振幅与距离r之间的斜率关系，s
ac
为交流振幅与距离r之间的斜率关系，s
φ
为相位与距离r之间的斜率关系，ω为交流驱动信号的频率，v为对应光源发出的红外光的传播速度，u
dc
(r)为直流振幅，u
ac
(r)为交流振幅，φ(r)为相位，μ
′s为待测对象在对应红外光源发出的红外光照射下的约化散射系数，μs为待测对象在对应红外光源发出的红外光照射下的散射系数,g为各向异性因子。
[0164]
在本实施例中，根据多个红外光源发出的相同波长的红外光经待测对象反射后的直流振幅、交流振幅和相位，即根据相同波长的反射光的直流振幅、交流振幅和相位，可以得到待测对象在该波长的红外光照射下的吸收系数和散射系数。
[0165]
例如，光发射模块可以包括m个用于发出第一波长的红外光的第一类红外光源，n个用于发出第二波长的红外光的第二类红外光源。在m个第一类红外光源依次发光后，可以得到对应每个第一类红外光源的反射光。根据对应每个第一类红外光源的反射光，进而可以得到对应每个第一类红外光源的近红外检测数据。根据对应每个第一类红外光源的近红外检测数据，可以得到对应每个第一类红外光源的反射光的直流振幅、交流振幅和相位。再分别将对应每个第一类红外光源的反射光的直流振幅、交流振幅和相位，代入到上述斜率公式中，再对所有第一类红外光源对应的斜率公式进行拟合，即可以得到待测对象在第一波长的红外光照射下的吸收系数和散射系数。在n个第二类红外光源依次发光后，可以得到对应每个第二类红外光源的反射光。根据对应每个第二类红外光源的反射光，进而可以得到对应每个第二类红外光源的近红外检测数据。根据对应每个第二类红外光源的近红外检测数据，可以得到对应每个第二类红外光源的反射光的直流振幅、交流振幅和相位。再分别将对应每个第二类红外光源的反射光的直流振幅、交流振幅和相位，代入到上述斜率公式中，再使用最小二乘法对所有第二类红外光源对应的斜率公式进行拟合，即可以得到待测对象在第二波长的红外光照射下的吸收系数和约化散射系数。
[0166]
其中，第一波长和第二波长可以是预先根据应用场景或具体需求所设定的。例如，第一波长可以是690nm，第二波长可以是830nm。
[0167]
这样，可以消除在探测光纤的第一端与发射光纤的第一端之间的距离相同时对待测对象进行近红外检测的环境干扰，还可以减少人体运动产生伪影影响。
[0168]
在本公开的另一个实施例中，主控装置1400在根据近红外检测数据检测待测对象的神经活动时，被设置为：
[0169]
根据每一红外光源对应的近红外检测数据，确定待测对象在对应红外光源下的光学参数；根据待测对象在每一红外光源下的光学参数，检测待测对象的血氧数据，其中，光学参数及血氧数据可以反映待测对象的神经活动。
[0170]
根据每一红外光源对应的近红外检测数据，确定待测对象在对应红外光源下的光学参数的方式可以参照前述实施例，在此不再赘述。
[0171]
在探测光纤的第一端和发射光纤的第一端在近红外探头上的设置位置，使得发出相同的波长红外光的红外光源所连接的每一探测光纤的第一端、与发射光纤的第一端之间的距离均不相同的实施例中，光发射模块可以包括m个用于发出第一波长的红外光的第一类红外光源，n个用于发出第二波长的红外光的第二类红外光源。
[0172]
根据待测对象在每一红外光源下的光学参数，检测待测对象的血氧数据，可以包括：根据待测对象在第一波长的红外光照射下的吸收系数、待测对象在第二波长的红外光照射下的吸收系数，确定待测对象的血氧数据。
[0173]
具体的，可以是通过如下公式得到待测对象的血氧数据：
[0174][0175][0176]cthb
＝c
hb
+c
hbo
[0177][0178]
其中，c
hbo
表示待测对象的氧合血红蛋白浓度；c
hb
表示待测对象的脱氧血红蛋白浓度；表示待测对象中水含量的体积分数；表示待测对象在第一波长的红外光照射下的吸收系数，表示待测对象在第二波长的红外光照射下的吸收系数，表示水在第一波长的红外光照射下的吸收系数，表示水在第二波长的红外光照射下的吸收系数，表示第一波长的红外光下hbo(氧合血红红蛋白)的摩尔消光系数；表示第一波长的红外光下hb(脱氧血红蛋白浓度)的摩尔消光系数；表示第二波长的红外光下hbo(氧合血红红蛋白)的摩尔消光系数；表示第二波长的红外光下hb(脱氧血红蛋白浓度)的摩尔消光系数；thb表示总血红蛋白浓度，sto2表示血氧饱和度。
[0179]
本实施例中的血氧数据，可以包括氧合血红红蛋白、脱氧血红蛋白浓度、总血红蛋白浓度和血氧饱和度中的任意一个或多个。
[0180]
需要注意的是，通过本实施例得到的待测对象的血氧浓度为绝对值，而不是相对值。
[0181]
在本公开的一个实施例中，该频域近红外成像系统还可以包括显示装置，该显示装置用于显示神经参数的参数值。
[0182]
进一步地，该显示装置还可以用于显示近红外检测数据的波形，还可以用于显示处理得到的光学参数(振幅和相位)的波形，还可以用于显示各红外光源发出的红外光的信号参数和处理得到的散射系数的变化。
[0183]
在本公开的一个实施例中，显示装置和主控装置可以是由同一台上位机提供。
[0184]
通过本实施例的频域近红外成像系统对人体头部的神经活动进行检测时，可以是将频域近红外检测装置的近红外探头固定装置放置于待探测的脑皮层区域；接通频域近红外检测装置的电源，在主控装置上打开并连接频域近红外检测装置的串口；在主控装置上设置频域近红外检测装置的相关参数，包括信号收发模块中两路射频信号的输出增益设置，adc采集模块前级放大器的放大模式和倍数设置。点击主控装置中的开启按钮，将控制命令写入频域近红外检测装置中，频域近红外检测装置执行初始化操作，频域近红外检测装置在初始化结束后向主控装置返回相应的状态信息。
[0185]
点击主控装置中的开始工作按钮，主控装置将开始工作的命令传输到频域近红外检测装置中，频域近红外检测装置开始工作。信号收发模块产生第一射频信号和第二射频
信号，光发射模块配合第一射频信号对红外光源进行直接调制，并控制多个红外光源按照时分复用的方式进行发光，光接收模块配合第二射频信号对探测到的反射光执行外差检测，得到差频电压信号，信号收发模块对差频电压信号进行处理得到近红外检测数据，并将近红外检测数据传输到主控装置上。
[0186]
主控装置将频域近红外检测装置上传的近红外检测数据进行处理计算，得到神经参数的参数值。该神经参数包括振幅与相位，还可以包括散射系数。按照近红外探头中光源的发射位置与光电探测器的探测位置之间的关系，对每个红外光源对应的振幅，相位以及散射系数进行成像，从而直观的观察所探测区域中皮层网络节点的神经组织活动。
[0187]
通过点击主控装置中的结束工作按钮，主控装置将结束工作的命令传输到频域近红外检测装置中，频域近红外检测装置停止工作，近红外检测过程结束。
[0188]
本实施例的频域近红外成像系统，采样精度为24bit，时间分辨率为20ms，空间分辨率为3mm，近红外检测数据的信噪比为20db，经主控装置处理过后的信噪比可达100db。可见，该频域近红外成像系统具有高采样精度、高时空分辨率、高信噪比等优点，对之后研究脑皮层网络连接有重要作用。
[0189]
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。本公开的范围由所附权利要求来限定。

技术特征：
1.一种用于频域近红外成像系统的信号收发模块，其特征在于，所述频域近红外成像系统包括频域近红外检测装置和主控装置，所述频域近红外检测装置包括光发射模块、光接收模块、所述信号收发模块；所述光发射模块包括至少一个红外光源，所述光接收模块包括用于接收反射光的光电探测器；其中，所述反射光为被待测对象所反射至所述光电探测器的红外光；所述信号收发模块包括控制单元、第一信号源单元、第二信号源单元、模数转换单元，所述控制单元被设置为控制所述第一信号源单元向所述光发射模块输出第一射频信号，并向所述光发射模块输出对应于每个所述红外光源的控制信号，以使所述光发射模块根据所述第一射频信号和所述控制信号，通过所述至少一个红外光源依次发出设定波长的红外光；所述控制单元还被设置为控制所述第二信号源单元向所述光接收模块输出第二射频信号，以供所述光接收模块对所述光电探测器接收的所述反射光和所述第二射频信号进行外差检测，得到差频电压信号；其中，所述第一射频信号和所述第二射频信号的相位相同；所述模数转换单元被设置为对所述差频电压信号进行模数转换处理，得到所述待测对象的近红外检测数据，并将所述近红外检测数据传输至所述主控装置，以供所述主控装置根据所述近红外检测数据检测所述待测对象的神经活动。2.根据权利要求1所述的信号收发模块，所述信号收发模块还包括时钟单元，所述时钟单元被设置为向所述信号收发模块的各功能单元提供时钟信号。3.根据权利要求2所述的信号收发模块，所述时钟单元包括晶振、开关子单元、时钟缓冲器和用于输入外部时钟信号的外部时钟输入端，所述晶振被设置为产生内部时钟信号；所述晶振和所述外部时钟输入端均通过所述开关子单元与所述时钟缓冲器的输入端连接，所述时钟缓冲器被设置为将输入的所述内部时钟信号或所述外部时钟信号，通过与所述功能单元对应的输出端输出，以向所述功能单元提供时钟信号。4.根据权利要求2所述的信号收发模块，任一信号源单元包括信号生成电路和可编程增益放大电路，所述信号生成电路被设置为根据所述时钟信号生成对应的射频信号；所述可编程增益放大电路被设置为对对应的射频信号进行放大处理；其中，所述任一信号源单元为所述第一信号源单元或所述第二信号源单元。5.根据权利要求4所述的信号收发模块，所述信号生成电路包括锁相环芯片和第二滤波器，所述锁相环芯片被设置为根据所述时钟信号生成对应的射频信号；所述第二滤波器被设置为对对应的射频信号进行滤波处理。6.根据权利要求4所述的信号收发模块，所述可编程增益放大电路包括温度传感器，所述可编程增益放大子单元被设置为对所述第一射频信号进行放大处理，所述温度传感器被设置为采集所述可编程增益放大子单元的温度，并将所述温度传输至所述控制单元，以供所述控制单元根据所述温度对所述可编程增益放大子单元进行监控保护。
7.根据权利要求1所述的信号收发模块，所述信号收发模块还包括可编程运算放大电路，所述可编程运算放大电路连接在所述信号接收模块和所述模数转换单元之间，所述可编程运算放大电路被设置为对所述差频电压信号进行放大处理。8.根据权利要求1所述的信号收发模块，所述信号收发模块还包括电压调节单元，所述电压调节单元被设置为对所述频域近红外检测装置提供至所述信号收发模块的供电电压进行电压调节处理后，为所述信号收发模块的各功能单元进行供电。9.根据权利要求1所述的信号收发模块，所述信号收发模块的电路板表面设置有裸铜，所述裸铜与所述信号收发模块的接地端连接。10.根据权利要求9所述的信号收发模块，所述信号收发模块的电路板设置在金属外壳内。

技术总结
本公开提供了一种用于频域近红外成像系统的信号收发模块，包括控制单元、第一信号源单元、第二信号源单元、模数转换单元，控制单元被设置为控制第一信号源单元向光发射装置输出第一射频信号，并向光发射装置输出对应于每个红外光源的控制信号，以使光发射装置通过至少一个红外光源依次发出设定波长的红外光；控制单元还被设置为控制第二信号源单元向光接收装置输出第二射频信号，以供光接收装置对光电探测器接收的反射光和第二射频信号进行外差检测，得到差频电压信号；模数转换单元被设置为对差频电压信号进行模数转换处理，得到待测对象的近红外检测数据，并将近红外检测数据传输至主控装置，以用于检测待测对象的神经活动。动。动。


技术研发人员：李小俚 李英伟 周政璇 陈子锐
受保护的技术使用者：燕山大学
技术研发日：2023.03.21
技术公布日：2023/8/4