阅读说明：本技术 可穿戴式动物光声联合心电测量系统 (Wearable animal photoacoustic combined electrocardiogram measuring system ) 是由 李凯述 于 2019-08-28 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种可穿戴式动物光声联合心电测量系统,包括：光声测量系统,测量动物的光声信号；心电测量系统,测量动物的心电信号；信号处理系统,对光声测量系统测量得到的光声信号以及心电测量系统测量得到的心电信号进行处理；信号输出系统,输出经过处理的光声信号以及心电信号；光声探测器系统和心电测量系统均采用穿戴式。本发明的系统可以使动物在清醒且自由活动的状态下同时进行光声和心电测量的系统,提高操作的便利性、重复性,减小动物感染,同时可以进行长期的试验观察。(The invention relates to a wearable animal photoacoustic combined electrocardio-measuring system, which comprises: a photoacoustic measurement system that measures a photoacoustic signal of an animal; the electrocardio measuring system is used for measuring electrocardiosignals of animals; the signal processing system is used for processing the photoacoustic signal measured by the photoacoustic measurement system and the electrocardiosignal measured by the electrocardio measurement system; a signal output system for outputting the processed photoacoustic signal and the processed electrocardiographic signal; the photoacoustic detector system and the electrocardio measuring system are both wearable. The system can simultaneously perform photoacoustic and electrocardio measurement on the animals in a waking and freely moving state, improve the convenience and repeatability of operation, reduce animal infection and simultaneously perform long-term experimental observation.)

可穿戴式动物光声联合心电测量系统

技术领域

本发明涉及医学成像领域，尤其涉及一种动物光声联合心电测量系统。

背景技术

光声成像兼具声学成像和光学成像两者的优点, 因而成为近十年来发展最迅速的生物医学成像技术之一。光声成像是一种通过检测光声效应产生的声学信号, 从而获取样品的光学吸收特性, 并构建样品的二维断层图像或者三维立体图像的一种新颖的复合成像方法。光声成像在测量密度、弹性参量等方面，可以比超声成像具有更高的对比度，也能够灵敏地反映生物体的生理结构并提供生物体的功能信息。光声成像也兼具了声学成像成像深度大、深层组织成像分辨率高的优势, 光声成像的空间分辨率可达到成像深度的1/200，同时光声成像对生物组织更加安全。由于光声成像的优点，光声成像可以对小动物活体进行心血管疾病（血管生成/生长、心肌炎、血栓、心梗等）的研究，同时可以输出血红蛋白浓度和血氧饱和度的定量数据等。

现有的对动物，比如小鼠等进行光声成像，是将小鼠至于体积庞大的成像系统下方，同时为了保证成像时，不发生由于小鼠的移动而影响效果，通过将小鼠进行药物麻醉后再固定于成像探头下方，对小鼠进行麻醉后，小鼠处于非清醒状态，小鼠的心血管、脑部等都受到麻醉剂影响而不利于正常观察小鼠的正常活动；由于处于麻醉状态，小鼠无法移动，除了进行光声检测外，不能进行其他与活动相关（比如足迹、蹦跳等）的检测。

监测动物的心电，比如监测大鼠的心电，由于大鼠的心电、血压、血管阻力对药物反应敏感，适合于筛选新药和研究心血管药理等，而且可以动物可以制成各种肿瘤模型等，通过研究动物的生理参数对于进行肿瘤、药物学研究具有重要意义。现有的进行动物心电监测的手段一般是通过植入心电电极，或者采用夹子等将电极夹在动物四肢，而且一般是将动物麻醉后进行心电监测。植入式电极对动物会造成创伤，除了引起动物的疼痛外，还会造成感染；而采用将电极夹在四肢时，动物的活动会受到限制，而且动物不像人体，人体在采用夹子式的心电导联时，可以通过深呼吸等方式冷静，从而准确测量心电，动物被植入电极或夹上电极后，会由于疼痛而出现紧张、狂躁等，使测量的心电数据不准确。

国内已经有一些研究开始研究使小鼠保持清醒且在可自由活动的条件下进行的光声成像系统，如CN104545814A公开的动物头戴式光声成像装置，虽然可以使小鼠在清醒自由状态移动，但是成像探头是缝合至动物的头部，其缝合探头的过程对小鼠而言是具有创伤的，而且会造成感染，极不人道；CN103976709A公开了一种可穿戴式阵列换能器探头，其采用碗状外壳布置换能器，但是该碗状外壳只能进行头部的光声测量，不能进行其他尾部的测量。而且这些装置不能进行心电测量，当需要了解动物的心脏功能状态时，受到限制。目前没有使动物在保持清醒状态且可自由活动的条件下同时进行动物的光声成像和心电测量，同时该不受测量部位限制的系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种使动物在清醒且自由活动的状态下同时进行光声和心电测量的系统，提高操作的便利性，以及测量的重复性，减小动物感染，以便减小试验动物的使用量，同时可以进行长期的试验观察。

基于上述目的，本发明的可穿戴式动物光声联合心电测量系统，包括：

光声测量系统，测量动物的光声信号；

心电测量系统，测量动物的心电信号；

信号处理系统，对光声测量系统测量得到的光声信号以及心电测量系统测量得到的心电信号进行处理；

信号输出系统，输出经过处理的光声信号以及心电信号；

其特征在于，所述的光声测量系统包括光源系统和光声探测器系统，所述的光源系统采用脉冲激光器，所述的光声探测器系统采用可穿戴式超声换能器阵列系统，所述的心电测量系统采用可穿戴式心电测量电极进行测量；

所述的可穿戴式超声换能器阵列系统，包括柔性基底、柔性基底承载的超声换能器阵列，以及从柔性基底向两侧延伸的可调节带部，柔性基底可以弯折，超声换能器阵列采用曲面状超声换能器阵列，柔性基底和超声换能器组成的光声探测器系统符合待测量动物部位的曲线；向两侧延伸的带结合后将光声探测器系统固定于动物体，该带可为一体制造的具有弹性的带，或者可以在结合部位结合的带，而结合部位可以为进行长度调节的魔术粘或者带扣部。

所述的可穿戴式心电测量系统，为从所述柔性基底延伸的可调节长度的柔软的带，在带的末端具有固定心电电极的固定环，固定环包括可变长度部和固定长度部，心电电极设置在固定长度部；在使用时，使受试动物的肢体部或耳部穿过固定环后，由于可变长度部的弹性，使固定环收缩，而使心电电极与所述受试动物的肢体部或耳部牢固接触，从而进行心电测量。

优选地，所述的脉冲激光器可以发出红光和红外光这两种波长的光，从而该光声测量系统可以测量受试动物的血氧饱和度。

可替换第，所述的光声探测器系统和心电测量系统可以设置为宠物服的形式，光声探测器系统设置在宠物服的主体部分，心电测量系统设置在宠物服的四肢处，穿戴在身体部分的宠物服作为超声换能器系统的载体，承载超声换能器阵列，穿戴在四肢处的部分作为心电电极的载体，承载心电电极。

进一步地，该系统还包括液体雾化装置，对治疗疾病的药品进行雾化，使动物在自由活动过程中吸入药品，从而监测动物在吸入药品后的心血管状态和心脏功能状态。

通过本发明的系统，可以达到如下效果：

（1） 本发明设计的光声探测器系统，可以无创测量任意部位的光声信号，不仅仅局限于脑部，而且不管是哪个测量部位，光声探测器系统都可以和被测动物的部位可靠接触；

（2）本发明的心电测量系统，可以无创测量动物任意部位的心电信号，并且心电电极可以与被测部位牢固接触，提高心电测量的稳定性；

（3）本发明的心电测量系统，采用环形，包括固定长度部和可变长度部，心电测量电极设置在固定长度部，既可以使环形结构与被测部位牢固接触，又不改变心电电极的形状；

（4）本发明的脉冲激光器，可以发射两种波长的光，可以用于测量血氧饱和度；

（5）本发明的系统，由于是在清醒、自由状态下进行监测，可以长时间进行监测，用于长期药品研究实验或者生活习性等研究。

附图说明

图1为本发明系统的示例性框图；

图2为本发明的光声测量系统的示意图；

图3为本发明的可穿戴光声探测器系统的示意图；

图4为本发明的可穿戴光声探测器系统和可穿戴心电测量系统示意图；

图5为本发明的可穿戴式心电测量系统的电极设置示意图；

图6为本发明的进一步的系统框图。

具体实施方式

图1为本发明的示例性系统框图，包括光声测量系统，测量动物的光声信号，以得到关于动物的头部、腹部等（根据测量部位的不同）的光声信息；ECG测量系统，测量动物的心电，得到动物的心脏功能状况；光声测量系统测量到的信号和ECG测量系统测量得到的信号都经过信号处理系统，经过模数转换、去噪、滤波、信号放大、光谱转换等，由信号输出部分进行输出，比如输出光声谱、心电图等，以供研究人员进行进一步分析。

图2为本发明实施例的光声测量系统，光声测量系统包括光源系统，可以采用脉冲激光光源，脉冲激光光源采用脉冲激光器的OPO脉冲激光器，波长可调谐，调谐范围为480-960nm之间，脉冲光源可连接光纤束等作为光导，将光源入射到受检体，引起受检体内的光声效应，通过光声探测系统探测该光声信号，光声探测系统为超声换能器阵列，可以采集由组织吸收的光产生的超声信号。

为了解决动物在清醒、自由状态下进行光声测量的问题，本发明通过一个可以折叠、弯曲的柔性基底（载体）上设置呈曲面状阵列的超声换能器阵列，承载超声换能器阵列以及在柔性基底上设置柔性PCB板，可以根据被测试动物需要测量的部位而变换形状，比如需要进行脑部的光声测量，则柔性基底可以由具有弹性的柔性材质，比如制成头带，通过头带承载曲面状的超声换能器阵列和柔性PCB板，如果要测量腹部或者身体中段的光声设备，可以采用腹带或者腰带形式的基底，腰带或腹带具有弹性，并且在基底设置换能器的两端设置有带，两段带结合处设置有可调节长度的魔术粘或者带扣部（未图示）。

如图3所示，为本发明的可穿戴光声探测器系统的一个示意图，其中附图标记1表示本发明的光声探测器系统（即超声换能器系统），其设计为符合动物身体曲线，由动物进行穿戴，在进行光声测量时，可以自由活动。进一步地，如图3所示，附图标记表示2、3表示心电测量电极。可以在光声探测器的基底处，延伸出两个条带，可以设置成条带式的，如图3所示，在条带的末端设置可变性环形柔软部件，该部件内设置有心电测量电极，当将该光声探测器系统穿戴在动物身上时，动物的后肢可以穿过环形件，同时环形件在动物的后肢处收紧，从而心电电极可以与后肢紧密固定接触，进行稳定的心电测量。

如图4所示，使出了本发明的穿戴式的动物光声和心电测量系统，其中附图标记4表示两端进行调节的带或带扣部。通过具有弹性的带或者是可调节长度的带扣部进行调节，可适应不同大小的动物，不同动物体部位的测量。

如图5所示，可穿戴式心电测量系统，为从所述柔性基底延伸的可调节长度的柔软的带，在带的末端具有固定心电电极的固定环，固定环包括可变长度部a和固定长度部b，心电电极设置在固定长度部b；在使用时，使受试动物的肢体部或耳部穿过固定环后，由于可变长度部a的弹性，使固定环收缩，而使心电电极与所述受试动物的肢体部或耳部牢固接触，从而进行心电测量。

可替代地，本发明的光声探测器系统可以设置为宠物衣的形式，穿戴在身体部分的衣服作为超声换能器系统的载体，承载超声换能器阵列，穿戴在四肢处的部分作为心电电极的载体，承载心电电极，由此，动物可以在清醒自由状态下进行光声和心电测量。

如图6所示，为了观测动物吸入某种药液或者气体后的心血管状态和心脏功能状态，本发明的系统额外地还包括液体雾化装置，在动物的活动空间内设置液体雾化装置，将要使动物吸入的药液，比如麻醉剂、某种疾病的药液等进行雾化后，通过气体的形式在动物活动空间进行挥发，经过动物吸入一段时间后，可以通过测量结果观察动物对药品的反应，对药学研究和建立动物模型具有重要意义。可选择地，当需要观察活动空间内动物对气体或药品的反应时，由信号处理系统控制液体雾化装置在空间内喷洒需要吸入的气体或者经过雾化的药液，需要吸入的时间或者时机，由实验人员根据研究需要通过输入装置输入信号到信号处理系统进行控制。

在测量时，脉冲激光器发出脉冲光，由小动物体内吸收后，产生的超声波由穿戴式超声换能器阵列接受，将接受的超声波发送到信号处理系统进行处理，经过前置放大、AD转换、正交调制、延时等处理，得到动物的光声谱，用于观察动物体内的心血管状态。同时，为了测量动物体内血氧信息，可是使脉冲激光器发出两种不同波长的光，比如红光和红外光，采用双波长测量方式获得不同波长下的光吸收系数分布，继而进行血氧饱和度的计算。经过信号处理系统处理过的光声信号，可以通过信号输出系统进行输出，如进行显示，或者进一步发送到其它装置，比如服务器等进行处理。

心电电极测量的信号，也发送到信号处理系统进行处理，经过前置放大、滤波、二级放大、带通滤波等，得到动物的心电图，由信号输出系统进行输出，比如通过显示器显示动物的心电图，或者发送到服务器等进行保存或者进一步处理等。例如，信号输出系统可以通过显示器同时显示动物体内的血氧饱和度、光声图像、以及心电图，以便于研究人员可以直观判断动物的状态。

由于对动物的活动没有限制，本发明的装置，可以长期间连续观察动物的心血管状态。同时，为了观察动物对某些气体（有害或无害）、或者某些经过雾化的药品的反应，可以在动物的活动空间内喷洒或者使雾化装置挥发药品，通过连续观察动物的光声图谱和心电图，分析动物对这些药品的反应情况。

本发明的装置，可以使动物在清醒且自由活动的状态下同时进行光声和心电测量的系统，提高操作的便利性，以及测量的重复性，减小动物感染，以便减小试验动物的使用量，同时可以进行长期的试验观察，而且本发明的装置不受测量部位的限制，可以测量任意部位的光声信号或者心电信号。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。