第35卷，第2期 2015年2月
光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis
简易脑功能近红外光谱系统设计
徐刚"，李小1·，刘晓民”
100875
1．北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室，北京 2.北京工业大学电子信息与控制工程学院，北京100124
Vol. 35, No. 2 -pp552-556 February, 2015
摘要功能近红外光谱（functionalnear-infrared spectroscopy，fNIRS）是一种无损的脑成像技术，经过2o 年的发展，已广泛应用于认知神经科学研究领域，基于神经血管耦合机制，与功能相关的大脑神经活动增强会引起局部脑血流量的升高，进而引发血液中氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白浓度相应的变化，间接反映了大脑申神经激活程度。研制了一套基于多功能采集卡的单通道连续波fNIRS系统。在该系统中，选择激光二极管作为光源具有较好的单色性和较低的发散角，690和830nm波长的组合有助于降低发色团之间的串扰。频分复用技术用于区分来自不同光源的信号，同时也消除了环境光、工频干抗扰等特定频率的噪声源。利用LabVIEW软件平台实现了光源的时序控制、自动增益调节、数字正交相干解调，以及数据可视化与存储等功能。屏气和心算实验结果表明，该系统可用于监测大脑局部血红蛋白浓度的实时变化，并可以检测与高
级脑功能相关的激活，关键词了
功能近红外光谱；氧合血红蛋白；脱氧血红蛋白；脑功能激活；频分复用
中图分类号：0433，4
引言
文献标识码：A
DOI: 10., 3964/j. issn. 10000593 (2015)02055205
流量和脑血容量等指标产生不同程度的增加，最终导致血红蛋白浓度产生相应变化。
成熟的fNIRS仪器多为欧关、日本研发的产晶，其价格
功能近红外光谱（functional near-infrared spectroscopy， fNIRS)是一种新兴的脑功能成像工具，它利用近红外光对人体组织的穿透性以及生色团的吸收谱线差异测量氧合血红蛋白(oxygenated hemoglobin，oxy-Hb)与脱氧血红蛋白(deoxy-genated hemoglobin，deoxy-Hb)浓度的变化，进面反映出局部神经激活程度fNIRS具有低成本、高便携、高时间分辨率、对头动噪声不敏感等优点2，广泛应用于神经病学（如频痛、抑郁症、自闭症等），精神病学（如注意缺陷与多动障碍、精神分裂症等），心理学（语言、记忆、功能连接等），以及基础研究(如脑机接口、疼痛、睡眠等)等领域[3-}。
血液代谢信息之所以能够反映神经活动的变化，是由于大脑中的神经活动与血液动力学响应之间存在相互作用的生理机制，这种机制称为神经血管耦合"。在血液循环系统中，红细胞内的血红蛋白分子负责携带氧分子从肺部传递到其他组织器官，因此监测血液中申血红蛋白浓度变化可作为大脑氧化代谢活动的一项重要指标。当大脑局部神经活动增强时，会导致局部氧消耗量的增加，伴随着脑氧代谢率、脑血
收稿日期：2014-03-21，修订日期：2014-06-18
基金项目：国家自然科学基金项目(61273063)资助
根据配置不同可达到几十万基至几百万元汀，我国在该领域研究起步较晚，进口仪器的高价格固素严重限制了fNIRS研究在我国的发展，为了摆脱这一困境，华中科技大学的骆清铭等研发了便携式的fNIRS仪器，用于认知学习相关的脑功能研究"，汀，武汉大学李凯扬等设计了双光源嵌人式脑血氧检测设备[10]，南京航空航天大学钱志余等研制了基于低功耗STM32芯片的脑血氧监测装置。为降低fNIRS相关研究的技术门槛，本文详细介绍了NIRS测量原理，对系统硬件和软件设计申关键部分微了讨论，通过实验验证了本系统可用于脑功能激活的检测
近红外光谱成像原理
连续波fNIRS系统的测量原理是基于如下假设：大脑是一个同质的组织结构，光经过脑组织后发生的变化主要由血红蛋白吸收而引起的。如图1所示，特定波长的近红外光由头皮入射后，少量未被完全吸收的光子经过头皮、颅骨、脑
作者简介：徐刚，1979年生，北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室博士后
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