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（functional Near-infrared Spectroscopy，fNIRS）通過測量皮層血液動力學信號來反映腦功能活動。相比于其他技術，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，尤其是適合應用到與腦健康相關的研究中。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研究進一步發(fā)展的關鍵因素。對于fNIRS腦功能檢測靈敏度

2、的提高，研究內容包括，在體檢測關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。本研究主要內容包括：
　　⑴對影響近紅外腦功能在體檢測信號質量的關鍵問題進行了研究。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)學上推導了規(guī)則小波動噪聲的產生機制，證明規(guī)則小波動噪聲來源于調制頻率或者采樣頻率的偏差，并從光源調制和數(shù)據(jù)采集設計上對規(guī)則小波動噪聲進行了抑制和消除；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、測信號質量之間的關系進行了分析，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量越高的結論，據(jù)此指導近紅外儀器光纖部件的設計，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，本文對探頭帽的設計需求進行了分析，根據(jù)實驗過程中是否涉及頭部運動，設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計方案，并提出了近紅外技術與其他技術聯(lián)合的多模式探頭帽設計

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，噪聲等效功率達到0.1pW，時間分辨率大于100 Hz。使用數(shù)字化設計、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，以及提出調制頻率和采樣頻率的設定規(guī)則，來保證儀器的噪聲抑制能力；通過調制點亮光源、高速同步采樣、以及優(yōu)化控制軟件（采用生產者-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，視皮層光神經信號檢測結果進一步證明了儀器的在體檢測靈敏度。
　?、菫榇龠M高靈敏的近紅外光譜術在腦功能研究中的應用，以執(zhí)行控制任務下近紅外腦連接研究為例，用多種數(shù)據(jù)分析方法進行研究，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任務下雙側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雜認知任務研究的可行性的基礎上，不僅