时间：2021-06-03
国内外的便捷式fNIRS检测系统发展很快，目前市场上可购买到的已有20多种，采样频率在1-100Hz之间，通道数在1-496之间。轻便化、小型化、无线通信以及高比能量的充电电池是目前便捷式fNIRS脑功能成像系统的研发方向。国内外研发团队对系统的光纤、通信方式、电路板材料等方面进行不断改进，使其变得更加便捷稳定。根据以上三点对国内外便捷式fNIRS检测系统的发展进行介绍：
（1）有光纤、有线通信。该方案是便捷式fNIRS检测系统所采用的传统方案，主要是将系统小型化设计从而达到便捷性的目的。缺点主要是有线传输数据，无法进行大幅度的活动检测试验。该类设备的主要代表是美国研发的fNIRS-1000设备。
（2）有光纤、无线通信。采用无线通信的方式可减少对被试者动作形式和活动范围的限制。通常采用便捷式机箱来放置电路板和光纤，可满足大多数试验场景。缺点是由于背着机箱，对于被试者一些动作行为大的试验，比如说蹦跳、打羽毛球等，会造成不方便。该类便携式fNIRS检测系统的代表是日本岛津公司生产的Lightnirs便携式fNIRS脑成像系统，其使用3波长半导体激光器和雪崩光电二极管进行测量，具有轻便、无线传输和安全性高的特点。
（3）无光纤、无线通信、刚性-柔性电路板。该类系统将光源和探测器直接贴合于检测部位，不需要考虑光纤机械强度差、耦合不灵活以及弯曲半径大的问题。通过无线通信、去除光纤以及刚性-柔性电路板进一步减小了对被试者的限制。缺点是此类系统大多数采用光电二极管作为探测器，与光子计数型探测器相比，其灵敏度有所下降。光源和探测器在电路板上的空间位置设计、布配方式的灵活性和贴合方式的紧密性设计难度比较大。该类设备代表是日本日立高科技公司的WOT-220便携式fNIRS脑功能成像系统，该系统采用模块化设计，各模块之间相互独立且可根据头型大小对通道数量进行增减，其已被应用于社交场景下的脑功能实验研究。
针对以上讨论，本团队从小型化、可穿戴式、通信方式和探测灵敏度等多方面进行考虑分析，设计了双波长、20通道、并行检测的可穿戴近红外脑功能检测系统。采用无光纤的贴片LED光源、高灵敏度光电二极管、无线通信、可充电电池和刚性-柔性电路板的设计方案。该设备尺寸为长55cm，宽6cm，类似于发带一样贴合于脑部检测部位，有效的实现了可穿戴性要求；由于双波长LED和光电二极管的能量消耗小，电源采用1800mAh的可充电电池，续航能力长达1个小时，设备总重量仅为310g，有效的减少了设备对于被试者的影响；无线通信采用ZigBee协议传输，具有高稳定性、高传输速度、一对多组网连接的特点，可用于检测多个被试者面对面社交互动时的大脑活动。
图1 系统实验示意图
功能性近红外组织光谱学(fNIRS)能够在日常生活场景中实现神经成像，例如多人互动和多任务切换处理时的大脑激活重建，这将有助于探究真实场景下大脑内部工作模式和大脑动作特征(代谢过程、血液动力学)之间的联系，为认知研究开辟了新的方法。为此，本团队基于所发展的可穿戴近红外脑功能检测系统开展了屏气范式(图2)和协同任务范式(图4)下的超扫描研究，研究强生态效度下大脑激活分布和脑区协同规律。
屏气实验结果表明，所发展的可穿戴近红外脑功能检测系统可以实时重建超扫描研究下不同被试的大脑含氧状态分布。协同任务实验结果表明，协同任务刺激下不同被试大脑兴奋状态存在差异，进一步揭示了脑区协同规律和认知机制的作用特点。
图2 屏气范式实验示意图
图3 实验结果：（a）屏气同步实验；（b）屏气异步实验
图4 屏气实验WTC分析图
图5 协同任务范式实验示意图
Subject #1 Subject #2
图6 协同任务实验结果
图7 大脑激活状态分布结果
