文摘

在过去的二十年里,功能性近红外光谱(fNIRS)作为神经成像技术越来越受欢迎。fNIRS的仪器可以用来测量局部血流动力学反应,它间接地反映了人类大脑的神经活动功能。在这项研究中,一个容易实现的方法建立DAQ-device-based fNIRS系统提出了。基本仪表组件(光源驱动、信号调节、传感器和光纤)fNIRS的系统。数字同步和正交解调方法应用于虚拟仪器软件区分光源和不同的排放国。定制的系统的有效性验证了同步量测与商业票据etg - 4000并发操作实验。从两个系统获得的光强数据是高度相关的波长(皮尔逊相关系数较低= 0.92,< 0.01)和更高的波长(= 0.84,< 0.01)。此外,另一个心算实验实施检测神经激活前额叶皮层。9参与者,重要的脑激活中检测出6科目((< 0.05),氧合血红蛋白和八个科目去氧血红蛋白< 0.01)。

1。介绍

不同的神经影像学方法测量电生理(例如,脑电图(EEG)和脑磁图描记术(MEG))或代谢(例如,功能性磁共振成像(fMRI)和正电子发射断层扫描(PET))方面的神经活动已经广泛用于生理学和心理学的研究。在这些神经影像技术,功能磁共振成像具有极高的空间分辨率测量血氧等级相关(粗体显示)信号,与去氧血红蛋白高度相关,成为黄金标准体内成像的大脑活动1,2]。然而,功能磁共振成像也有缺点,包括高灵敏度头部运动,一声响亮的和限制性的环境,较低的时间分辨率,和很高的成本,限制其应用在儿童或其他特殊人群。自从Frans Jobsis首次证明监测氧合血红蛋白的浓度变化的可行性(oxy-Hb)和脱氧血红蛋白(deoxy-Hb)在1977年[3),功能性近红外光谱(fNIRS)越来越关注在过去20年里作为一个有效的研究和临床工具(4- - - - - -7]。fNIRS与功能磁共振成像相比,有许多优点,包括可移植性,更高的时间分辨率,降低成本,对头部运动不敏感,并且能够长时间测量,从而使它更加用户友好的神经影像学方法对成年人和婴儿(1,8,9]。

近红外光谱范围的光(650 - 950 nm)能够穿透人体组织,和一些没有被完全吸收大量的光子能被探测到的几厘米离开发射器在头皮上。精心挑选的波长,近红外光谱光被吸收的数量显示脑组织血红蛋白的浓度变化,光子传播。fNIRS基于不同的测量原理,仪器可分为三类:连续波(CW),频域(FD)和时间域(TD)。TD和FD技术提供的可能性绝对测量血红蛋白的浓度,通过获得绝对描述组织的光学特性(散射和吸收系数)。然而,量化不是一个关键因素在神经科学研究中,因为它是更重要的统计学显著检测相对变化比量化它在绝对数量上(10]。由于高成本和技术的复杂性,只有一个TD -和一个FD-based商用仪器可在全球市场6,11]。CW-fNIRS仪器绝对是占主导地位的市场价格变化从简单系统约10000美元到几100000美元满头成像系统(10]。尽管价格远低于fMRI,商业产品仍然是非常昂贵的。为fNIRS神经成像研究的需要,许多实验室都试图构建定制的系统有更大的灵活性和更低的成本12- - - - - -18]。

CW-fNIRS仪器,我们可以选择基于数据采集的嵌入式系统或系统(数据收集)设备作为硬件平台的候选人。通常情况下,嵌入式系统是放置在一个微处理器与专门的函数来实现。嵌入式系统的可移植性,可以监测血流动力学反应在居住环境13,15,16,19- - - - - -22]。但是,由于小数量的渠道和有限的传感器的选择,这种系统更适合测量信号non-hair-bearing额头。采集设备也提供了一种方法和计算机之间的接口信号。通常,采集多路复用器等硬件包含多个组件模拟-数字转换器(ADC),数模转换器(DAC)和高速计时器,精确测量的电路进行了优化和校正物理信号以最小的失真。fNIRS DAQ-based系统可以设计和集成了更大的灵活性,缩短了开发周期12,14,23- - - - - -26]。这是一个更好的选择构建一个定制的CW-fNIRS系统通过采集设备,为用户提供仪器的快速和灵活的解决方案。

在这项研究中,一个单通道CW-fNIRS系统介绍了基于多功能桌面采集设备。节2。1四种类型的数据收集硬件设备,比较不同的特征。部分2。2CW-fNIRS系统的细节描述,其中包含源驱动、信号调节,光纤传感器的选择,和定制。节中描述的软件接口的功能2。3,包括源多路复用和数字解调技术。来评估系统的有效性,实现两个不同的实验来评估相对变化在区域脑血流动力学响应和功能性神经激活任务期间,如部分所述3。

2。系统设计

2.1。硬件

采集设备可以分为两类,单一的设备和实时系统。每个类别包含两种类型的数据收集设备不同规格,如图1。同一设备采集硬件包括便携式和桌面的。即插即用外部总线的通用串行总线(USB),便携式采集装置能够与低体重的细节设计,电池,和最小大小,而桌面采集设备,需要安装到电脑位置,提供高速数据流和确定性的数据传输,包括共享的高带宽。然而,可怜的实时性能是一个重要的缺点这两种类型的同一设备采集的硬件。因为在通用操作系统上运行的用户界面而非实时操作系统,定时的准确性将变量根据操作系统的工作负载。

然而,一个实时系统,如CompactRIO(实时模块化控制器、美国国家仪器公司)或PXI (PCI扩展仪器平台,国家仪器公司),由一个底盘控制定时和同步,这使我们能够优先任务,这样最关键的任务总能控制处理器在需要的时候,因此保证可靠的可预测性和执行。实时系统的另一个优点是,你可以选择不同的目标输入/输出(I / O)模块,使得配置更灵活。

2.2。系统描述

在拟议的系统中,一个多功能桌面采集设备(pci - 6251,美国国家仪器公司)是用于提供基本的物理I / O通道(模拟输入(AI),模拟输出(AO)、数字输入(DI)和数字输出(做),我们可以驱动激光二极管或获得光信号。定制系统的体系结构如图2,系统的每个部分的细节如下。

2.2.1。源驱动电路

频率复用技术用于去除环境稳定的干扰来源环境光,电力线路,1 / f噪声产生的电子产品。由于有限的dac生成载波频率,时分多路复用技术也实现了照明光源的多通道测量。每个近红外光源在不同的载波频率,振幅调制范围从2到4 kHz,间隔200赫兹。源驱动电路包括多路复用和激光器驱动(iC-NZP iC-Haus GmbH)连续发射近红外光线时间段。

2.2.2。信号调节电路

分散的近红外光谱光二极管被收集并转换为电信号。取决于许多因素,包括炮检距,头皮厚度、头发颜色和密度,光收集7 - 9数量级小比,排放源(16]。由于小的光强度,探测器的输出信号通常是过滤和放大来提高信噪比(信噪比)的信号调节电路。二阶有源带通巴特沃斯滤波器应用于模拟电路,与高通滤波器用于消除环境光干扰和电噪声和低通滤波器用于防止混叠(25]。

一个可编程增益放大器(PGA204,德州仪器公司)被用来满足ADC的输入电压范围。可编程增益1/10/100/1000可以自动决定根据观测信号的振幅,通过使用晶体管—晶体管逻辑(TTL)水平。当收到外部触发信号作为同步标记,DI通道将样本TTL信号通过同轴电缆或并行端口,由计算机生成刺激演示或其他神经成像工具。

2.2.3。源和探测器

激光二极管(LD)或发光二极管(LED)有资格作为一个近红外光源。基于受激发射,LD发出相干光窄带宽,它提供了更好的单色性(10]。通常激光通过光纤传播热效果的皮肤,以避免可能的伤害27]。作为一种有效的替代来源,领导是基于自发发射和非相干光发出更大的带宽。获得更准确的结果,一双LD (HL6738MG / HL8338MG Thorlabs Inc .)和波长690 nm和830 nm的定制系统。硅二极管(SiPD),雪崩光电二极管(adp)和光电倍增管(PMT)是常用的光电探测器,将光信号转换成电。与灵敏度之间的权衡,增益,响应速度,和价格,美国一个模块(滨松C5460-01滨松光学株式会社)是系统中使用。通过集成低噪声电流-电压放大器,adp模块输出电压信号与一个默认增加30。

2.2.4。光纤

中包含三个类别的光纤材料:塑料光纤,玻璃光纤、石英光纤。质量和成本之间的平衡,石英和玻璃纤维用于耦合光从皮肤到发射器和探测器,分别。光发出两种波长的激光二极管对引导通过3-meter-long头皮多模石英光纤,组合成一捆身体,以确保相同的发射位置。3-meter-long玻璃纤维束收集散射光的组织和转移到检测器。探测器纤维束的直径为2.7毫米,以确保足够的光线被收集。

2.3。软件界面

成百上千的数学和信号处理功能,图形编程软件虚拟仪器(国家仪器公司)是理想的测量或控制系统根据采集设备。在线测量之前,需要初始化来获得信号信噪比更高,将分析和数据离线后收购(图3)。使用预定义的地形布局、采集设备的物理I / O通道可以将测量通道检测器对分配的来源。自动增益设置每个通道使信号的振幅会议ADC的输入范围。如果没有足够高的信号的信噪比在某些渠道,相应的装置应该手动调整来改善皮肤的耦合。

区分混合光源探测器从多个发射器,时间和频率复用方法常用于CW-fNIRS系统。时间多路复用提供了一种连续时间序列与不同的源或波长光照亮。从混合光源频率复用区分每个组件基于硬件锁定放大器(12,23,28)或基于软件的方法,如同步和正交(智商)解调技术25]。与锁定放大器阵列相比,数字解调信号的方法是一个更昂贵的解决方案。虽然数字解调多通道将会增加计算成本,抽样队列不会丢失数据,利用虚拟仪器的生产者/消费者设计模式。

两个来源不同的波长被设计与25毫秒照亮时间段同时提出系统。连续照明时间应大于一个阈值设置由于边缘失真的解调信号,采样率有关,载波频率,数字滤波器响应。采样率为62.5 k / s的每个通道高于最大载频至少10倍。通过分配相应的载波频率,数据可以通过使用智商数字解调器解调程序。downsampling 10 Hz之后,光强度的数据是保存和转换的相对变化oxy-Hb和deoxy-Hb修改比尔-朗伯定律(MBLL)。

3所示。实验评价

两个实验是为了验证fNIRS定制的系统的有效性。并发操作的任务进行了改变大脑的血流动力学反应,同时和数据记录与商业fNIRS仪器(etg - 4000,日立公司)作为比较。心算任务的另一个实验中提供的证据大脑神经激活心理工作负荷。

3.1。实验设计

3.1.1。并发操作

一个志愿者参加了任务并发操作,这是一个临床模式测试血液动力学反应(29日]。这个实验的目的是比较光强度信号之间的商业票据和定制的系统。两个系统的四个装置(每一对optode包括一个发射器和一个探测器)被并排放置于周围的前额FP1位置根据10 - 20国际体系。源和探测器之间的距离是3厘米的固定。从电脑同步触发信号输出到定制的系统和etg - 4000通过并口和串口,分别作为标记。是坐在一把舒服的椅子和指示执行并发操作。堵塞的鼻子,口关闭,并试图空气到期,根据大脑的血流动力学反应会改变血压波动。这个block-designed范式包含5块,每个块包含30年代和120年代休息期间的任务。

3.1.2。心算

在并发操作范式中,血流动力学变化主要归因于extracerebral组织(的头皮和皮肤)。为了进一步评估功能激活大脑皮层,心算任务执行的另一个实验,这是一个行之有效的心理评估心理工作负荷的范式。人们普遍认为大脑皮层激活可以通过增量表示oxy-Hb伴随着deoxy-Hb下降(上升30.- - - - - -33]。研究表明,高度复杂脑网络涉及在算术任务包括前额叶皮层,梭状回、扣带皮层、小脑、岛叶和顶叶皮层(34,35]。两腹外侧前额叶皮层(分别是VLPFC)和背外侧前额叶皮层(DLPFC)视为地区的利益与心算任务(36,37]。分别是VLPFC位于额下回,归因于波罗德曼区域的解剖结构(BA) 47岁,45岁,44岁。左分别是VLPFC已被证明是相关记忆的认知控制的神经心理学和神经影像学研究38,39]。

9个大学生模样的年轻志愿者(6男性,3女性;23.8±3.8岁)被要求执行一个690 -第二长心算任务而坐在舒适的椅子上。如图4,两个装置(源和探测器)放置在主题的左分别是VLPFC区域,位于10 - 20的F7系统[40]。装置被固定在头部与尼龙搭扣皮带。范式是block-designed和刺激了通过使用E-Prime v1.1(心理学软件工具,Inc .)。每一块长60年代由20年代和40年代休息期间的任务。整个实验包含10块和一个90年代预扫描。在任务期间,每个受试者被要求解决一个公式在精神上,这是三位数字的数减去从三位数字的数(例如,= ?)。在休息期间,参与者被指示要睁大眼睛,精神放松。

3.2。数据分析

2011年数据分析了在MATLAB (Mathworks Inc .)离线。在并发操作实验中,皮尔森的线性相关系数是计算比较光强度信号的关系记录使用定制的系统和etg - 4000,用相同的采样率10赫兹。然后根据MBLL oxy-Hb和deoxy-Hb转换(41,42),分别根据摩尔消光系数的来源。这些血液动力学信号表示为相对变化的乘积血红蛋白浓度和有效的光学路径长度(毫米×毫米)。与带通滤波(0.004 2 Hz)的第3阶巴特沃斯滤波器,oxy-Hb和deoxy-Hb都直观地检查整个时间进程。

在心算实验中,所有的处理oxy-Hb deoxy-Hb是使用NIRS_SPM执行(生物成像信号处理实验室、韩国),这是一个开源SPM和基于matlab软件包为fNIRS的统计分析信号(43]。高通滤波器基于离散余弦变换(DCT)截止128年代实现了消除趋势(大约一个街区的双重的持续时间)。预着色方法(44)是用来消除生理噪声(如心率和呼吸)。检查任务的血流动力学性能,基于一般线性模型统计分析(GLM)实施评估前额叶皮层的激活。统计推断的GLM的统计值计算方法证明大脑活动的统计力量。

3.3。实验结果

3.3.1。并发操作

通过比较信号etg - 4000和拟议的系统,低光强度是高度相关的波长(,)和较高的波长(,)。相对变化的氧和脱氧血红蛋白可以通过使用MBLL从光强度转换。带通滤波时间课程oxy-Hb和deoxy-Hb如图5。它可以清楚地看到Oxy-Hb和deoxy-Hb来源于etg - 4000(红色)和定制的(蓝色的)系统提出了更高的相关性。

3.3.2。心算

block-averaged时间课程oxy-Hb和deoxy-Hb如图6。数据被减去基线修正前5 s的平均强度试验开始。通过目视检查,激活deoxy-Hb延时约5 - 10 s oxy-Hb相比,在大多数情况下。与基于卡方统计分析值oxy-Hb和deoxy-Hb如图7。重要的脑激活oxy-Hb ()被发现在6 9参与者和deoxy-Hb 8 9参与者()。oxy-Hb和deoxy-Hb,激活失败被发现只有一个主题,可能由于倾斜测量通道的位置。

4所示。结论

采集设备和虚拟仪器图形化编程软件为我们提供一个易于构建的解决方案CW-fNIRS系统,较低的价格和规格定制。满足不同的要求如通道数量、采样率、可移植性、模块化、等等,比较四种类型的数据收集产品。在这篇文章中,一个定制的CW-fNIRS系统提出了基于桌面采集设备,并详细描述了包括模拟电路设计和频率复用技术。进行了两个实验来评估系统的有效性。统计结果表明,定制的系统能够检测大脑的神经激活认知相关的实验。这个单通道系统可以扩展到多通道通过简单地乘以一个传感器在同一硬件平台以最少的额外成本。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究受到了中国国家自然科学基金(61203210,61203210,61304247)和中国河北省自然科学基金(F2013203170)。