时间：2020-07-13
可穿戴设备和可穿戴传感的主要吸引力之一，来自于这些设备与人体的接近程度，以及如此近距离可能收集到的丰富信息。现如今，大脑是可穿戴式传感的最后前沿。市面上出售的可穿戴设备可以监测你的生命体征和身体活动，但很少有能够监测你大脑中发生的事情的能力。随着新的可穿戴和便携式神经成像技术的出现，这种情况可能即将改变，这将对神经科学和可穿戴设备产生深远的影响。
在现有的脑功能成像方面，主要有脑电图（EEG）、脑磁图（MEG）、功能性核磁共振技术（fMRI）以及功能性近红外光谱技术（fNIRS）。在便携式脑功能成像系统开发方面，以上几种技术的优缺点突出明显。其中，EEG具有低成本以及高时间分辨率的优势，但EEG也有几个显著的缺点：1）低信噪比。这意味着EEG对来自其他来源(如肌肉组织、心率或电子设备)的电干扰很敏感；2）受外界环境影响大。自然环境下，电磁干扰几乎充斥着我们所生活的每个角落，这就导致EEG很难用于自然环境下的测量；3）通过头骨的电阻尼限制了它的空间分辨率。MEG的优势在于与EEG相比具有更好的空间灵敏度以及更快的时间响应。但其在便携式系统开发方面的缺点却十分严重：1）为了捕获微弱的弱磁信号，需要消除来自其他源(如地球磁场)的干扰。通常，这只能在具有可控场线圈的磁密封室中完成。2）MEG依赖于笨重且昂贵的冷却系统；3）MEG限制参与者的移动，在实验过程中他们的头部需被夹在适当的位置。fMRI在便携式系统方面的限制主要有以下几点1）成本高，动辄上百万的设备让很多研发者望尘莫及；2）同MEG一样，fMRI对参与者的运动施加了限制；3）无法在自然环境下进行实验，且无法完成一些特定场景下的实验研究，例如：使参与者利用手机或电脑进行游戏。与以上三种脑功能成像技术相比，fNIRS在便携式方面有着突出的优势。1）fNIRS具有优良的运动鲁棒性，减小了对参与者的运行限制；2）受到电磁等的干扰很小，适用于自然环境下的实验研究；3）成本低，易于小型化，降低了对参与者的限制。适用于对老人、婴幼儿等各类特殊人群的实验研究。
基于以上讨论，本团队设计了双波长、80通道、并行测量的fNIRS便携式/无线脑功能成像系统。该系统中，本团队从系统小型化、无线通信、充电电源模块设计等多方面进行了考虑。其中，除光纤外整个系统所占空间大约为18cm× 15cm× 7cm，有效实现了系统的小型化要求；电源选用6000mAh的可充电电池，续航能力可达1小时，重量为270g，在保证系统正常续航下尽可能减少系统对参与者的影响；无线通信中采用一款工业级传输模块进行设计，其具有高稳定性的特点，支持高波特率，可实现无线空速和波特率的自适应匹配，最大发射功率可达20dBm,接受灵敏度可达-102dBm。同时，在无线通通信设计中加入增益为6dBi的19cm天线以达到增强穿透能力和提高传输效率的目的。整个系统无线通信距离在空旷环境下可达到2100米，可满足绝大部分在体实验的要求。
图1 fNIRS便携式/无线脑功能成像系统
图2 fNIRS便携式/无线脑功能成像系统实物图
承担课题：
1. 面向视觉脑功能探测的高灵敏度与定量化近红外光谱成像关键方法，国家自然科学基金面上项目（61575140），2016.1-2019.12.
2. 多通道近红外脑成像检测仪，横向项目（委托方：北京不器科技发展有限公司），2017.6-2018.6.
