近紅外光譜術(shù)用于人腦光神經(jīng)信號(hào)檢測(cè)的可行性研究.pdf

1、腦成像為人們提供了一個(gè)更好的視角來(lái)了解大腦是如何工作的。腦組織的光學(xué)性質(zhì)變化與腦功能活動(dòng)相關(guān)，近紅外光譜術(shù)（Near-infrared spectroscopy,NIRS）通過(guò)測(cè)量光在組織中傳播的吸收變化從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)腦血氧變化已被廣泛認(rèn)同，然而，與刺激后數(shù)十毫秒出現(xiàn)的神經(jīng)電活動(dòng)不同，血氧變化出現(xiàn)于刺激后數(shù)秒，人們只能通過(guò)神經(jīng)血管偶聯(lián)由血氧變化間接推測(cè)神經(jīng)活動(dòng)。腦組織的散射變化是另一種反映腦活動(dòng)的光信號(hào)。已有的離體與動(dòng)物實(shí)驗(yàn)都證實(shí)了光散射

2、變化與神經(jīng)活動(dòng)直接相關(guān)，即光神經(jīng)信號(hào)（Optical Neuronal Signal，ONS）。如果采用NIRS可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光神經(jīng)信號(hào)的無(wú)損檢測(cè)，那么NIRS便可實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)活動(dòng)的直接成像，同時(shí)還可以研究神經(jīng)激活與血液動(dòng)力學(xué)變化間的復(fù)雜關(guān)系，因?yàn)镹IRS可以同時(shí)測(cè)量這兩種信號(hào)，這將是非常有意義的。然而，由于光神經(jīng)信號(hào)的時(shí)間和幅度都比血氧變化小兩個(gè)量級(jí)，探測(cè)困難，因此，在過(guò)去的十余年時(shí)間里，NIRS能否無(wú)損在體檢測(cè)光神經(jīng)信號(hào)一直存有爭(zhēng)議。

3、r>　　由于光神經(jīng)信號(hào)非常微弱且來(lái)源局部腦區(qū)，因此高檢測(cè)靈敏度的NIRS儀器、光神經(jīng)信號(hào)敏感的實(shí)驗(yàn)范式、合理的探測(cè)區(qū)域以及有效的信號(hào)處理都是影響光神經(jīng)信號(hào)能否無(wú)損檢測(cè)的關(guān)鍵因素。本文旨在探究光神經(jīng)信號(hào)在體無(wú)損檢測(cè)的可行性，圍繞光神經(jīng)信號(hào)無(wú)損檢測(cè)的關(guān)鍵因素，主要研究?jī)?nèi)容如下：
　?。?）歸納總結(jié)了NIRS數(shù)據(jù)的典型處理步驟及常用方法，在此基礎(chǔ)上，給出了本文用于血氧慢信號(hào)與光神經(jīng)信號(hào)提取的數(shù)據(jù)處理方法。針對(duì)目前用于光神經(jīng)信號(hào)提取算法的

4、不足，提出了一種基于數(shù)學(xué)形態(tài)法的改進(jìn)算法，即使在數(shù)據(jù)中存在未知偽跡的情況下，依然可以有效去除背景干擾。最后，建立了一個(gè)用于處理近紅外光學(xué)數(shù)據(jù)的軟件分析平臺(tái)fNIRSA。
　?。?）對(duì)本課題組研制的連續(xù)波（Continous Wave,CW）NIRS系統(tǒng)進(jìn)行性能評(píng)估并采用該系統(tǒng)進(jìn)行了光神經(jīng)信號(hào)的仿真檢測(cè)。為獲得較好的系統(tǒng)性能，本課題組研制的CWNIRS系統(tǒng)采用了光源調(diào)制、大采樣點(diǎn)數(shù)的數(shù)字鎖定技術(shù)以及同步采集技術(shù)。系統(tǒng)性能測(cè)試與仿真實(shí)

5、驗(yàn)證明該系統(tǒng)具有高探測(cè)靈敏度（0.1pW量級(jí)）和高時(shí)間分辨率（~20ms，48通道），且在采用所提出的數(shù)據(jù)處理算法時(shí)，可檢測(cè)的最小信號(hào)幅度變化在0.01％的量級(jí)（疊加平均刺激數(shù)目~500），達(dá)到理論上可以進(jìn)行光神經(jīng)信號(hào)的無(wú)損檢測(cè)的水平。
　?。?）采用CWNIRS系統(tǒng)與所提出的數(shù)據(jù)處理方法，同時(shí)通過(guò)精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，在人腦運(yùn)動(dòng)皮層及視覺皮層進(jìn)行在體實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)皮層及視覺皮層均能成功檢測(cè)到有效的光神經(jīng)信號(hào)，檢出率分別為62.