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

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

2、變化與神經(jīng)活動直接相關(guān)，即光神經(jīng)信號（Optical Neuronal Signal，ONS）。如果采用NIRS可以實現(xiàn)對光神經(jīng)信號的無損檢測，那么NIRS便可實現(xiàn)對神經(jīng)活動的直接成像，同時還可以研究神經(jīng)激活與血液動力學變化間的復雜關(guān)系，因為NIRS可以同時測量這兩種信號，這將是非常有意義的。然而，由于光神經(jīng)信號的時間和幅度都比血氧變化小兩個量級，探測困難，因此，在過去的十余年時間里，NIRS能否無損在體檢測光神經(jīng)信號一直存有爭議。

3、r>　　由于光神經(jīng)信號非常微弱且來源局部腦區(qū)，因此高檢測靈敏度的NIRS儀器、光神經(jīng)信號敏感的實驗范式、合理的探測區(qū)域以及有效的信號處理都是影響光神經(jīng)信號能否無損檢測的關(guān)鍵因素。本文旨在探究光神經(jīng)信號在體無損檢測的可行性，圍繞光神經(jīng)信號無損檢測的關(guān)鍵因素，主要研究內(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與光神經(jīng)信號提取的數(shù)據(jù)處理方法。針對目前用于光神經(jīng)信號提取算法的

4、不足，提出了一種基于數(shù)學形態(tài)法的改進算法，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，建立了一個用于處理近紅外光學數(shù)據(jù)的軟件分析平臺fNIRSA。
　　（2）對本課題組研制的連續(xù)波（Continous Wave,CW）NIRS系統(tǒng)進行性能評估并采用該系統(tǒng)進行了光神經(jīng)信號的仿真檢測。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)性能測試與仿真實

5、驗證明該系統(tǒng)具有高探測靈敏度（0.1pW量級）和高時間分辨率（~20ms，48通道），且在采用所提出的數(shù)據(jù)處理算法時，可檢測的最小信號幅度變化在0.01％的量級（疊加平均刺激數(shù)目~500），達到理論上可以進行光神經(jīng)信號的無損檢測的水平。
　?。?）采用CWNIRS系統(tǒng)與所提出的數(shù)據(jù)處理方法，同時通過精心設(shè)計實驗，在人腦運動皮層及視覺皮層進行在體實驗。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)在運動皮層及視覺皮層均能成功檢測到有效的光神經(jīng)信號，檢出率分別為62.