陳嬌

南京醫(yī)科大學附屬兒童醫(yī)院 招標采購中心，江蘇 南京 210008

引言

大腦是人體最復雜的器官，神經(jīng)影像技術經(jīng)常用于大腦的活動檢測，常見的神經(jīng)影像技術比如正電子放射斷層造影術（PET）、功能核磁共振成像（fMRI）和腦電圖（EEG）等。近紅外光譜成像系統(tǒng)（fNIRS）是一種新興的神經(jīng)影像技術，其使用近紅外光的方法來檢測大腦的活動[1-5]。

近紅外光譜成像是一種使用近紅外光譜（700～900 nm）的無損傷檢測技術。在這個波長段，人體組織包括皮膚、骨骼和脂肪都是近乎透明的，而血紅蛋白對于近紅外光線有較強的吸收能力，同時含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白對于不同波長的近紅外光有不同的吸收率。人體各種生理活動的能量來源于不同的氧化反應，含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的含量可以反映該組織的生理狀態(tài)，檢測兩者的變化可以了解組織的活動水平。在正常情況下，含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白由于自身調(diào)節(jié)機理能夠基本保持穩(wěn)定，但是當大腦特定區(qū)域進行活動時，兩者濃度會發(fā)生相應的變化，此時通過測量兩者的濃度變化，可以反映出大腦某個區(qū)域的氧氣消耗量增加，從而反映大腦的活動情況[6]。

傳統(tǒng)的近紅外光譜成像設備存在一些問題，既復雜又笨重。近紅外光譜成像系統(tǒng)需要放置近紅外光源和近紅外光線探測器，傳統(tǒng)的近紅外光譜成像系統(tǒng)將類似腦電圖中使用的電極帽、光源和探測器固定在帽子上，并用支架將帽子固定在頭部[7]，但這種帽子缺乏靈活性，會讓被試者感到不舒服，同時也限制了被試者的行動。傳統(tǒng)的近紅外光譜成像系統(tǒng)是一種桌面式結構，使用有線光纜傳輸信號，在實驗過程中，被試者不允許自由行動，并要盡量保持身體平靜。

1 背景和相關工作

近紅外光譜成像是一種非入侵式的測量方法，通過測量血紅蛋白的濃度，反應大腦的活動情況。對于700～900 nm波長范圍內(nèi)的近紅外光，人體組織包括皮膚、骨骼和脂肪都是近乎透明的，而含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白有著較強的吸收能力。對于多個不同波長的近紅外光，含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的吸收率也是不同的，通過這個吸收的差異，我們可以計算出兩者的濃度變化[8-10]。

1.1 修正的比爾朗伯定律

近紅外光可以測量大腦中的含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的濃度變化[11]。通過修正的比爾朗伯定律，我們可以利用大腦皮層表面的光線強度來計算出血紅蛋白的變化情況。下面的公式就是修正的比爾朗伯定律，其中C是濃度，ε是摩爾衰減系數(shù)，I是光線強度，R是光源和探測器之間的距離，DPF是微分光程因子，λ是近紅外的波長。

血液可以O(HB)的組合，所以公式(1)可以改寫為：

如圖1所示，可以看到在760 nm和850 nm處，含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白有著明顯的吸收度差異，所以我們可以分別計算兩個不同波長位置的濃度變化差異。

假定 DPF(λ1)≈DPF(λ2)，那么含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的變化值就可以被計算出來，如公式(5)和(6)所示。

此時，可以求解出含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的濃度變化值。

圖1 不同波長的近紅外波長在兩種血紅蛋白的吸收系數(shù)

1.2 光源和探測器

近紅外光譜成像的光學部分包括光源和探測器。近紅外光源發(fā)射出近紅外光線，穿透生物組織以及反射，最后到達探測器。一些生物組織如皮膚、骨骼對于近紅外光線有著較低的吸收率，可以看成是近似透明的。而兩種血紅蛋白對于近紅外光線有著較強的吸收率，通過兩種或者兩種以上的不同波長的近紅外光，就可以通過比爾朗伯定律計算出兩種血紅蛋白的濃度變化。一種典型的方式是將光源和探測器放置于被試者的頭蓋骨上方，記錄經(jīng)過大腦組織散射后的光線，如圖2所示。

圖2 近紅外光線的傳播路徑

1.3 可穿戴和無線系統(tǒng)

可穿戴的無線設備是一種可以隨時捕捉人體數(shù)據(jù)，并通過無線方式傳輸數(shù)據(jù)的設備[12]?？纱┐髟O備需要完成兩個功能：一個是完成人體生理數(shù)據(jù)的采集，另一個是完成數(shù)據(jù)信號的無線傳輸?？纱┐鞯臒o線設備可以讓被試者自由行動，不受任何拘束。

1.4 相關工作

Lühmann等[13]設計了一個可移動的開源多通道獨立近紅外光譜成像系統(tǒng)，擁有四個模塊和16個通道，可以通過藍牙傳輸數(shù)據(jù)，使用5 V電源。Agrò等[14]設計了一個便攜的、低成本的、多通道的功能近紅外嵌入式系統(tǒng)，這個系統(tǒng)運用4個光源，128個光電倍增管作為探測器，每個探頭通過柔性電纜連接至控制主板，同時使用一個穩(wěn)定的支架固定在頭部。Chitnis[15]提出了一種光譜探針的設計，包含4個光電二極管探測器的4通道設備，包含了集成放大器和ADC轉換器，整個系統(tǒng)的動態(tài)范圍為80 dB，用一個2 mm×2 mm的環(huán)氧樹脂封裝。

1.5 文章結構

本文中我們設計了一個可穿戴式的近紅外光譜成像系統(tǒng)，這個近紅外光譜成像系統(tǒng)由兩部分組成，分別是光學結構和主控制部分。下面的章節(jié)介紹了系統(tǒng)的設計方法和結構，并設計了一個測試實驗驗證這個系統(tǒng)的可靠性。

2 系統(tǒng)設計

該部分詳述了系統(tǒng)的硬件和軟件結構。系統(tǒng)的硬件包括光學結構和主控系統(tǒng)，軟件包括LED的驅動和數(shù)據(jù)傳輸部分。

2.1 光學結構

光學結構由三部分組成，分別是雙波長的發(fā)光二極管（SMT760/850）、單電源互阻抗放大器（OPT01）和導光光纖。雙波長發(fā)光二極管是一種AlGaAs二極管，用環(huán)氧樹脂密封，能夠在陽極發(fā)射出760 nm和850 nm兩種不同波長的光源。OPT101是一個光電二極管的互阻抗放大器，輸出電壓和光線強度呈線性關系，放大器可以工作于單電源供電，適合用于電池供電的場合。導光光纖負責將近紅外光線從光源引導至大腦，經(jīng)過大腦內(nèi)的吸收和散射，再傳播到探測器。為了固定導光光纖，我們用3D打印技術設計了一個保護殼，這個保護殼能夠保證光纖和光源成垂直角度。同時保護殼可以最大程度的阻止外界的環(huán)境光進入光學系統(tǒng)中，防止環(huán)境光線對光線接收器產(chǎn)生影響。整個結構，如圖3所示。

圖3 固定光纖的保護殼整體結構

2.2 主控制單元

主控制單元是整個系統(tǒng)的核心部分，主要起到三個作用：驅動發(fā)光二極管、將模擬信號轉換為數(shù)字信號和無線傳輸數(shù)據(jù)。圖4顯示了主控制單元的框圖，采用NRF51822做為控制單元，是一款可以工作于超低電壓的2.4 GHz的無線產(chǎn)品解決方案。我們通過PWM波控制兩個波長分別運行于不同的時間段，每個波長的發(fā)光二極管被點亮10 ms，兩個波長之間有2 ms的空閑時間，整個周期是24 ms，兩個波長分別占用一半的時間，這是一種時分復用的技術，可以在一個周期內(nèi)同時采集兩種波長的數(shù)據(jù)。AD轉換芯片采用了ADS1292，是一個多通道的同步采集ADC芯片，精度高達24位，內(nèi)部可以進行編程增益放大。模擬信號在ADS1292中被轉換成數(shù)字信號，然后通過SPI傳輸至主控單元，主控單元通過2.4 GHz的無線藍牙把數(shù)據(jù)傳輸至電腦端。

2.3 數(shù)據(jù)收集和處理

通過藍牙將數(shù)據(jù)傳輸至電腦端后，通過MATLAB接收數(shù)據(jù)，然后對數(shù)據(jù)進行處理，利用修正的比爾朗伯定律，計算出含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的濃度變化。

圖4 圖中顯示的是系統(tǒng)框圖

3 測試實驗設計

為了測試近紅外光譜成像系統(tǒng)的性能，我們將設備固定于一個耳機上，這樣被試者可以頭戴整個系統(tǒng)進行實驗，如圖5所示。

圖5 產(chǎn)品實物圖

3.1 供電

這個系統(tǒng)通過一個3.7 V的鋰電池供電，如果NRF51822處于深度睡眠的模式，整個系統(tǒng)只需要0.6 μA的電流。經(jīng)過測試，該系統(tǒng)可以持續(xù)工作6 h。

3.2 可穿戴性

這個系統(tǒng)被固定在一個耳機上，非常輕便。被試者可以戴著耳機隨意的走動，完全不受影響。

3.3 血液動力學測試

我們設計了一個基于瓦爾薩瓦動作（Valsalva Manoeuver）的實驗，用來測試近紅外光譜成像的性能。瓦爾薩瓦動作是令被試者進行強力閉呼吸動作，即深吸氣后緊閉聲門，再用力做呼氣動作，呼氣時對抗緊閉的會厭，此時胸內(nèi)壓會增加，血液的循環(huán)受到了影響。這個動作會顯著的改變大腦中的血紅蛋白的濃度[16]。

實驗范式：被試者坐在一張舒服的椅子上，保持全身放松，并根據(jù)聲音提示進行一系列的操作。從開始到10 s被試者保持放松狀態(tài)；第10 s出現(xiàn)一個聲音刺激（開始），被試者執(zhí)行瓦爾薩瓦動作，并保持10 s；10 s后出現(xiàn)第二個聲音刺激（停止），這時候被試者開始恢復平靜，并持續(xù)20 s。整個范式過程，如圖6所示。

圖6 實驗范式

一個成年男性被試者參與了實驗，實驗重復執(zhí)行100次。實驗中，近紅外光譜成像放置在前額位置。

4 數(shù)據(jù)處理和評估

通過MATLAB接收并處理數(shù)據(jù)，并通過公式(7)和(8)計算出一段時間內(nèi)平均的含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的濃度變化。

其結果如圖7所示，可以看到在執(zhí)行瓦爾薩瓦動作開始，含氧血紅蛋白的濃度顯著的增加，經(jīng)過幾秒后脫氧血紅蛋白的濃度略微減小。這是因為瓦爾薩瓦動作的初始階段會將大量的含氧血紅蛋白流向腦部，而隨著時間的推移，這部分的血液開始向脫氧血紅蛋白轉變，所以此時脫氧血紅蛋白的濃度有所增加，含氧血紅蛋白的濃度開始下降。從20 s開始，含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的含量開始恢復到正常水平，這是因為被試者停止了瓦爾薩瓦動作，并開始保持放松狀態(tài)，此時兩種血紅蛋白濃度恢復至正常水平。這個結果和其他的相關研究者的結果相吻合。

圖7 血紅蛋白的濃度變化

5 結論

在本文中，我們設計了一個可穿戴的近紅外光譜成像系統(tǒng)，這個系統(tǒng)通過無線傳輸?shù)姆绞竭M行數(shù)據(jù)傳遞，同時系統(tǒng)被固定在一個頭戴式耳機上，方便被試者攜帶。這個系統(tǒng)具有結構簡單的特性，同時數(shù)據(jù)可以無線傳輸至PC端處理。我們通過試驗檢驗了近紅外光譜成像系統(tǒng)的性能，結果表明該系統(tǒng)可以有效地檢測到大腦中的血紅蛋白的濃度變化。

這種可穿戴式的近紅外光譜成像系統(tǒng)結構簡單，可以自由調(diào)整需要檢測的大腦區(qū)域，在移動醫(yī)療監(jiān)護方面有很大的應用潛質(zhì)。但在實際實驗中我們還發(fā)現(xiàn)了如下的一些問題可以繼續(xù)改進：

（1）該設備使用了兩種波長的LED，而現(xiàn)在主流的近紅外成像系統(tǒng)已經(jīng)開始使用三種或者三種以上的波長，可以使檢測結果更加準確，但是這樣勢必會增加設備體積，如何在提高性能和測試準確性與縮小系統(tǒng)體積上做出平衡，是后期需要解決的問題。

（2）光學模塊只能固定在耳機的結構上，如果能夠設計一個帽子的骨架，可以讓光學模塊分布于整個頭部，這樣可以更加準確的針對不同大腦活動區(qū)域進行檢測。