近红外光谱术用于在体光快信号检测的初步研究

论文摘要

脑科学的研究和发展离不开无损脑功能检测技术的发展。作为一种完全无损安全的光学检测技术,已有的近红外光谱术（near-infrared spectroscopy, NIRS）在脑功能检测中的应用,主要是利用了生物组织对近红外光的吸收特性,通过对血液动力学参数的检测,间接地反映神经功能活动。已有的离体和动物实验研究发现,神经功能活动（如神经细胞的去极化或超极化）会直接导致大脑对近红外光的散射发生改变,即光快信号变化。光快信号变化非常微弱,一般在pW量级。对于光快信号能否被NIRS在体无损检测则长久以来一直存在争议。现有检测仪器的低信噪比或许是目前限制NIRS系统在体进行光快信号检测的主要因素。为了能在体检测到微弱的光快信号,本文研制了一套高信噪比、高探测灵敏度的连续波（continuous wave, CW）光纤式近红外脑功能检测系统。该系统选用数字锁定检测技术作为微弱信号提取方案,将系统的控制和信号处理部分采用数字化处理方式进行,提高了信噪比；采用同步采样传输的数据采集模式,系统的每个输入通道各自专用一个高速模数转换器,同时高速采样多路模拟信号,从而最大程度降低了通道间串扰,每个通道都具有高的采样精度和采样速率,增加每帧数字锁定运算的点数,提高了数字锁定运算的精度和信噪比。通过对系统的性能参数进行测试,该系统的暗噪声水平低于25μV,噪声等效功率约为0.2 pW,动态范围为107 dB,通道间串扰小于-92 dB。与国际上已有报道的CW NIRS系统相比具有更高的信噪比和微弱信号探测能力。易受各种噪声干扰是目前NIRS应用于人体实验研究主要的限制因素之一。为了降低本文研制的光纤式近红外脑功能检测系统进行在体实验时的各种干扰,对NIRS测量中的主要噪声源进行了分析,包括仪器噪声、实验误差和生理噪声,并对各种噪声源的去除方法进行归纳总结,给出了适合本系统的噪声去除数据处理方法。通过对在体实验的数据进行处理,确定了适合于去除不同噪声的方法,即带通滤波可以有效地对原始数据进行基线校正和去除高频噪声干扰；移动平均滤波可以有效平滑原始数据曲线,去除运动伪迹；合理的带通滤波可以有效去除血氧慢信号检测中的呼吸、心跳、血压波动等生理噪声干扰,自适应心跳滤波则可以有效去除光快信号检测中心跳及其高次谐波的影响。为了验证提高系统的信噪比是否能够在体检测到光快信号变化,利用本文研制的CW光纤式近红外脑功能检测系统与视皮层诱发电位（visual evoked potentials,VEP）技术对视皮层在整体象棋盘闪烁刺激实验中的光、电响应信号进行了同步联合检测。结果表明,所研制的系统从视皮层中检测到了符合特定判据的光快信号,并且光快信号的潜伏期在视皮层Brodmann18、19区大概为100 ms,与发生源位于同一脑区的VEP的P100成分无统计学差异。这说明通过合理的实验设计（刺激范式、视皮层准确定位、光源—探测器间距选择等）,采用高信噪比的CW光纤式近红外脑功能检测系统是能够从视皮层中检测出与刺激相伴随的光快信号变化。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 脑功能检测技术
• 1.2 近红外光谱术
• 1.3 光快信号检测
• 1.4 本文主要内容
• 2 光纤式近红外脑功能检测系统
• 2.1 大脑的生理特性
• 2.2 微弱信号检测方案
• 2.3 系统构成
• 2.4 系统性能测试与分析
• 2.5 在体实验
• 2.6 本章小结
• 3 近红外光谱术检测的噪声分析与去除
• 3.1 近红外光谱术检测的噪声源
• 3.2 基线校正
• 3.3 运动伪迹的去除
• 3.4 生理噪声的去除
• 3.5 本章小结
• 4 视皮层光快信号的在体检测研究
• 4.1 引言
• 4.2 视皮层简介
• 4.3 视皮层刺激实验设计与测量
• 4.4 实验结果与分析
• 4.5 讨论
• 4.6 本章小结
• 5 总结与展望
• 5.1 本文工作总结
• 5.2 进一步工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读博士学位期间发表论文与研究成果