提高連續(xù)光近紅外腦功能檢測靈敏度的研究.pdf

1、功能近紅外光譜術(shù)（functional Near-infrared Spectroscopy，fNIRS）通過測量皮層血液動力學(xué)信號來反映腦功能活動。相比于其他技術(shù)，fNIRS兼顧了時間分辨率和空間分辨率，而且對被試和環(huán)境限制小，適合兒童、老人以及病人的研究，尤其是適合應(yīng)用到與腦健康相關(guān)的研究中。目前，fNIRS的潛力還沒有得到充分發(fā)掘，提高對腦功能活動的檢測靈敏度是推動fNIRS研究進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵因素。對于fNIRS腦功能檢測靈敏度

2、的提高，研究內(nèi)容包括，在體檢測關(guān)鍵問題的分析與解決，高電氣性能儀器的研制，以及數(shù)據(jù)分析方法的發(fā)展。本研究主要內(nèi)容包括：
　　⑴對影響近紅外腦功能在體檢測信號質(zhì)量的關(guān)鍵問題進(jìn)行了研究。分析了實際測量中存在的規(guī)則小波動噪聲的信號特性，從數(shù)學(xué)上推導(dǎo)了規(guī)則小波動噪聲的產(chǎn)生機(jī)制，證明規(guī)則小波動噪聲來源于調(diào)制頻率或者采樣頻率的偏差，并從光源調(diào)制和數(shù)據(jù)采集設(shè)計上對規(guī)則小波動噪聲進(jìn)行了抑制和消除；對光源光纖和探測光纖的數(shù)值孔徑與近紅外腦功能在體檢

3、測信號質(zhì)量之間的關(guān)系進(jìn)行了分析，得出探測光纖數(shù)值孔徑越大，光源光纖數(shù)值孔徑越小，近紅外腦功能在體檢測的信號質(zhì)量越高的結(jié)論，據(jù)此指導(dǎo)近紅外儀器光纖部件的設(shè)計，以提高儀器在體檢測的信號獲取能力；探頭帽是影響在體檢測效果的重要因素，本文對探頭帽的設(shè)計需求進(jìn)行了分析，根據(jù)實驗過程中是否涉及頭部運動，設(shè)計了套筒直插式和彈性壓帽式兩種探頭帽光纖固定方式，提出了實用性高、適用性廣的探頭帽基底設(shè)計方案，并提出了近紅外技術(shù)與其他技術(shù)聯(lián)合的多模式探頭帽設(shè)計

4、方案。
　?、茖崿F(xiàn)了一款高電氣靈敏度的連續(xù)光近紅外腦功能儀器，噪聲等效功率達(dá)到0.1pW，時間分辨率大于100 Hz。使用數(shù)字化設(shè)計、高速同步采樣、配置大鎖定點數(shù)和均值濾波器的數(shù)字鎖定算法，以及提出調(diào)制頻率和采樣頻率的設(shè)定規(guī)則，來保證儀器的噪聲抑制能力；通過調(diào)制點亮光源、高速同步采樣、以及優(yōu)化控制軟件（采用生產(chǎn)者-消費者模式，空間換時間策略，LABVIEW與 MATLAB混合編程）來保證儀器的時間分辨率。通過前臂血管阻斷實驗驗證了

5、儀器的血氧檢測能力。通過棋盤翻轉(zhuǎn)視覺實驗驗證了儀器的在體腦功能活動檢測能力，其中，視皮層光神經(jīng)信號檢測結(jié)果進(jìn)一步證明了儀器的在體檢測靈敏度。
　　⑶為促進(jìn)高靈敏的近紅外光譜術(shù)在腦功能研究中的應(yīng)用，以執(zhí)行控制任務(wù)下近紅外腦連接研究為例，用多種數(shù)據(jù)分析方法進(jìn)行研究，建立了更全面有效地分析近紅外光譜測量數(shù)據(jù)的方案。通過 Stroop任務(wù)下雙側(cè)前額葉的功能連接分析，在驗證了近紅外腦連接分析方法用于高級復(fù)雜認(rèn)知任務(wù)研究的可行性的基礎(chǔ)上，不僅