[发明专利]一种近红外光谱成像系统及其应用

说明书

本发明公开了一种近红外光谱成像系统及其应用。近红外光谱成像系统的探头采用弹簧设计，在使用时能根据不同被测者的头部曲度自由调节，保证舒适度和紧密型；安装座加装软胶材质薄片，使用时可自动拨开头发并固定，使探头直接接触皮肤，减少头发的干扰；同时，探头帽采用复合材质，保证舒适性、支撑性和对环境光的屏蔽效果；本发明的无损脑机接口技术可以非侵入地读取人体大脑不同位置的神经元激活信号，且具有实时、成本低、设备和运动兼容性好等优势，适合几乎所有被试群体。本发明专利在实际应用中，对于脑信号解读非常有效，具有很强的应用价值。

技术领域

本发明属于功能性近红外脑功能成像领域，具体涉及一种近红外光谱成像系统及其应用。

背景技术

人脑是世界最复杂最精密的器官，承载了我们所有的智能活动(控制、记忆、学习、沟通和决策等)。监测大脑的活动变化，了解大脑的工作原理，能够帮助我们更深入地认识大脑各功能区变化与相应智能活动的联系。其中的脑功能成像技术，能够直观地呈现人们参与各种活动时大脑功能状态，从而有助于人们更好地了解自身、解开智慧的奥秘。因此，脑功能成像技术是研究大脑重要手段之一。

功能性近红外技术通过非侵入地对脑组织血液中氧浓度进行实时监测，观察大脑活动的真实信息。对人体来说，体内95％的能量来自于不同的氧化反应，氧是一切生命活动的基础。组织中的氧运输的主要载体是血红蛋白，它由氧合血红蛋白(HbO2)和脱氧血红蛋白(Hb)组成。随着人体组织的有氧代谢，氧合血红蛋白和去氧血红蛋白的含量会不断发生变化，因此组织中的血氧含量的变化能够反映出人体生理状态、各组织结构的功能情况等。采用fNIRS检测脑活动过程中血液动力学的变化，依据的是氧合与脱氧血红蛋白在近红外波段(600～900nm)具有不同的吸收谱。HbO2与Hb在800nm左右是等吸收的，但等吸收点两边的波长对于这两种血红蛋白的敏感性存在差异，具体表现为短波长对脱氧状态的血红蛋白更敏感，而长波长则对氧合状态的血红蛋白更敏感。基于这种差异，可通过近红外光多波长(至少2个)的测量获得脑活动相关的氧合与脱氧血红蛋白浓度变化。

功能性近红外光谱技术同步采集并实时显示被试者人脑在不同任务态下的不同血红蛋白相对浓度变化信息，监测人体组织中氧的代谢及运输过程，具有无创、便携、成本低、设备和运动兼容性好等优势，适合几乎所有被试群体的长时间连续监测，避免了传统的脑功能成像技术对伪迹敏感、电磁干扰敏感、造价昂贵、仪器庞大等弊端，同时很好地解决了传统的设备例如fMRI不适用于儿童尤其是婴幼儿、老年人以及特殊人群为对象的脑功能成像研究，适用于日常生活、工作等自然情境下的脑机接口应用。还可用于监护病人脑部血液动力学指标、辅助精神疾病诊断、辅助评价治疗效果以及辅助判断预后，对人类的健康状况以及生命科学的研究也有着重要意义和应用前景。

脑机接口指在人或动物大脑与外部设备之间创建的直接连接，实现脑与设备的信息交换。当前，脑机接口主要利用侵入式脑电图技术，对被试具有较大的损伤，且可能因脑组织钙化而使其无效。非侵入的脑电图技术，虽然能够无创的记录脑信号，但是由于颅骨对信号的衰减作用和对神经元发出的电磁波的分散和模糊效应，记录到信号的分辨率并不高。因此，一种基于近红外光谱成像系统的脑机接口技术是十分需要的。

近年来，国内外涌现出许多便携式fNIRS设备，如荷兰Artinis公司研发的Brite系列、韩国OBELAB公司的的NIRSIT系列、德国NIRX公司的NIRSport2系列、日本岛津公司的LABNIRS系列等脑功能成像系统。这些设备通常具有体积小、测试方便等优点，适合在自然情境下对认知过程进行研究，并且设备可以进行长时间的重复测量，适合自然情境下认知过程的神经机制研究。然而，目前的fNIRS设备仍存在准确性不够、稳定性不足，且存在假阳性或假阴性、数据分析缺乏标准化，且在使用时，存在探头插拔困难等问题，增加了成像的准备时间。除此之外，这些佩戴装置在全脑使用时，会经常受到头发的影响，在运动的过程中，头发的移动会产生噪声伪迹，为脑功能数据的处理增加了难度。

发明内容