可穿戴近紅外腦成像系統(tǒng)一、產(chǎn)品概述
英國(guó)UCL大學(xué)生物醫(yī)學(xué)光學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室（BORL）最新研制開發(fā)了LUMO高密度可穿戴式近紅外腦成像系統(tǒng)。LUMO系統(tǒng)具有重量輕、可穿戴的特點(diǎn)，不需要光纖，可適用于任何年齡和各種真實(shí)自然環(huán)境；六邊形傳感器可以在不同帽子和通道組合之間靈活調(diào)整與升級(jí)配置，通過允許跨傳感器的多距離光源-探測(cè)器形成測(cè)量通道，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，提供連續(xù)、均勻高密度的到腦覆蓋范圍，形成高密度fNIRS或漫射光學(xué)層析成像(DOT)陣列。
LUMO系統(tǒng)配置包含36個(gè)光源，48個(gè)探測(cè)器(可選18個(gè)光源，24個(gè)探測(cè)器)，可同時(shí)獲得高達(dá)42-1728個(gè)通道的數(shù)據(jù)；擴(kuò)散光學(xué)層析成像技術(shù)（DOT）能以接近fMRI功能性核磁共振成像的空間分辨率顯示血紅蛋白濃度變化結(jié)果。
功能性近紅外光譜成像技術(shù)(fNIRS)使用光來監(jiān)測(cè)人腦功能。該技術(shù)通過將近紅外光傳輸?shù)筋^皮，然后在幾厘米遠(yuǎn)的地方檢測(cè)散射回頭皮的光，可以測(cè)量大腦中氧合和脫氧血紅蛋白濃度的變化。由于腦活動(dòng)和局部血流之間存在密切的聯(lián)系，血紅蛋白濃度的這些變化提供了腦功能的可靠度量。
相比其他腦功能成像技術(shù)，近紅外腦功能成像技術(shù)具有良好的空間分辨率、較高的采樣率、更多的測(cè)量指標(biāo)、良好的舒適性和較低的成本等優(yōu)點(diǎn)，在認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)和臨床研究中有著較為廣泛的應(yīng)用；同時(shí)由于其抗運(yùn)動(dòng)干擾性強(qiáng)、便攜可穿戴等特點(diǎn)，系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)科學(xué)、腦機(jī)接口等領(lǐng)域的價(jià)值也逐漸被研究者所認(rèn)識(shí)。具體應(yīng)用案例包括駕駛員的認(rèn)知負(fù)荷研究、多模態(tài)腦機(jī)接口研究、操作人的情緒狀態(tài)研究等。
二、產(chǎn)品特點(diǎn)
LUMO系統(tǒng)的核心優(yōu)勢(shì)：瓦片傳感器設(shè)計(jì)所形成的高密度采樣。
增大了測(cè)量的腦區(qū)范圍：瓦片傳感器的設(shè)計(jì)，允許在傳感器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，使得采樣區(qū)域更加密集而均勻，大大增加了大腦測(cè)量范圍，避免了錯(cuò)過某個(gè)大腦皮層的可能性；
更加可靠的腦功能數(shù)據(jù)：研究表明，高密度采樣較傳統(tǒng)的fNIRS采樣方式能夠獲取更加可靠的腦功能數(shù)據(jù)結(jié)果。只進(jìn)行某一固定間距(30mm)的測(cè)量方式極易受到來自頭皮的信號(hào)污染的影響；LUMO 對(duì)每個(gè)光源和探測(cè)器均提供了多個(gè)短距離的通道，這些通道可以用來檢測(cè)、分離和移除頭皮信號(hào)的干擾。只有采用高密度采樣，用戶才能真正確定所采集的數(shù)據(jù)來源于大腦；
靈活的配置：LUMO突破性的模塊化設(shè)計(jì)使研究人員可以隨時(shí)在不同的帽子和陣列配置之間切換，從而節(jié)省了寶貴的實(shí)驗(yàn)時(shí)間；
可擴(kuò)展的設(shè)計(jì)：LUMO系統(tǒng)是模塊化的，這意味著用戶可以從少量傳感器開始，并在預(yù)算允許的范圍內(nèi)建立自己的LUMO系統(tǒng)。
將瓦片傳感器與特制的LUMOCAP帽子結(jié)合，用戶可以快速創(chuàng)建高密度的fNIRS陣列，實(shí)現(xiàn)可與fMRI分辨率媲美的3D腦功能成像。
三、功能應(yīng)用
●1、fNIRS Hyperscanning腦功能超掃描系統(tǒng)：LUMO提供了fNIRS Hyperscanning腦功能超掃描解決方案，LUMO fNIRS超掃描系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)可以提供2人以上實(shí)時(shí)同步進(jìn)行腦功能超掃描測(cè)試使用并支持?jǐn)?shù)據(jù)同步。LUMO腦功能超掃描系統(tǒng)支持有線和無線兩種運(yùn)行模式，單人可達(dá)48-1728通道。符合人體工程學(xué)的六邊形傳感器設(shè)計(jì)，通過允許跨傳感器的多距離光源-探測(cè)器形成測(cè)量通道(10-50mm)，提供了連續(xù)、均勻的大腦覆蓋范圍，系統(tǒng)提供的平均皮層敏感性是傳統(tǒng)fNIRS的100倍。LUMO fNIRS腦功能超掃描系統(tǒng)操作方便、不受空間限制、不受眼動(dòng)活動(dòng)等的影響，故常被用于生態(tài)效度較高的環(huán)境中進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集。fNIRS超掃描技術(shù)提供了比fMRI超掃描技術(shù)更為真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境、比EEG超掃描技術(shù)更好的空間精度，正成為認(rèn)知與行為研究中的重要研究工具。
●2、EEG-fNIRS多模態(tài)腦功能測(cè)試系統(tǒng)：UCL高密度近紅外腦功能成像系統(tǒng)可以和NeurOne高精度腦電測(cè)量系統(tǒng)搭配使用，將EEG和fNIRS進(jìn)行整合發(fā)揮二者的優(yōu)勢(shì)，EEG的時(shí)間分辨率高，但是空間分辨率低；fNIRS的時(shí)間分辨率低，實(shí)時(shí)性較差，但是空間分辨率高。為了準(zhǔn)確、全面、實(shí)時(shí)的測(cè)量大腦在認(rèn)知過程中的活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)全面、實(shí)時(shí)的腦成像方式無疑是一種更好的策略。結(jié)合EEG與fNIRS的多模態(tài)腦成像技術(shù)在認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究中有著很好的應(yīng)用前景，同時(shí)還可搭建多模態(tài)腦-機(jī)接口系統(tǒng)。
四、系統(tǒng)組成
LUMO系統(tǒng)主要由三部分組成：LUMOTILE瓦片傳感器、LUMOCAP帽子和LUMOHUB集成器。
●LUMOTILE瓦片傳感器：LUMO系統(tǒng)的核心部件，是一個(gè)六邊形瓦片狀傳感器。每個(gè)傳感器包含三個(gè)近紅外光源和四個(gè)探測(cè)器。可以在瓦片傳感器內(nèi)部和傳感器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量；使用兩個(gè)LUMO瓦片傳感器最多可以產(chǎn)生48個(gè)fNIRS通道；具有防光管設(shè)計(jì)；高品質(zhì)光學(xué)過濾器，最大限度地抑制周圍環(huán)境光線干擾；瓦片傳感器內(nèi)部光源與探測(cè)器間距為10mm和20mm，瓦片傳感器之間的光源與探測(cè)器間距為50mm；符合人體工程學(xué)特點(diǎn)，帽子連接簡(jiǎn)單快捷；可與3D定位系統(tǒng)配合使用；重量小于6g。
●LUMOCAP帽子：由氯丁橡膠制成不同尺寸的帽子，每個(gè)帽子都包含一組基座，可將瓦片傳感器插入其中，采用印制電路板將多個(gè)基座組合在一起，使帽子可以拉伸和適應(yīng)各種頭型；與頭皮接觸的光導(dǎo)管可拆卸，可適用于各種發(fā)質(zhì)和人群。
●LUMOHUB集成器：可在有線或無線模式下運(yùn)行，有線模式下使用線纜將帽子與HUB集成器連接，再將HUB集成器通過USB線與筆記本電腦連接。每個(gè)HUB集成器可同時(shí)連接多達(dá)三頂LUMOCAP，以便同步采集。LUMOHUB AIR無線集成器可佩帶在上臂或塞進(jìn)口袋里，適用于無線神經(jīng)成像應(yīng)用領(lǐng)域，包括運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域、自然環(huán)境領(lǐng)域和嬰兒日常環(huán)境中的相關(guān)研究。
五、技術(shù)規(guī)格
| 配置選項(xiàng) | fNIRS 6×8 | fNIRS 18×24 | fNIRS 36×48 |
| 光源 | 6 | 18 | 36 |
| 探測(cè)器 | 8 | 24 | 48 |
| 通道數(shù) | 48 | 432 | 1728 |
| 光源波長(zhǎng) | 735 nm, 850 nm | ||
| 光二極管 | 感光面積：2.77 x 2.77 mm | ||
| 數(shù)據(jù)采集 | 16 Bit ADC | ||
| 可穿戴部件重量 | 120 g | 170 g | 240 g |
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