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种低成本，可穿戴，diy功能的近红外光谱(DIY-fNIRS)头带
作者链接打开覆盖面板francis Tsow a b 1, Anupam Kumar a b 1, SM Hadi Hosseini c, Audrey Bowden a b d
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摘要
在自然环境中的神经监测是越来越感兴趣的各种研究领域，包括心理学，经济学和生产力。在功能性神经监测模式中，功能性近红外光谱(fNIRS)因其小型化、良好的空间和时间分辨率以及对运动伪影的恢复能力而受到广泛关注。从历史上看，fNIRS系统的大尺寸和高成本阻碍了该技术的广泛采用。在本文中，我们描述了第一个开源的、完全集成的无线fNIRS头带系统，该系统具有单个led对源和四个检测器。为了便于操作和舒适，该系统被包裹在柔软、轻便的布和硅胶外壳中。还提供了配套的计算机和智能手机数据收集软件，硬件已使用经典的近红外光谱任务进行了验证。这种即穿即用的设计可以很容易地扩展，以适应更多的fNIRS通道，并为在自然条件下的日常活动中轻松收集fNIRS数据打开了大门。
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关键字
功能近红外光谱;神经成像;血流动力学规格表
硬件名称diy功能近红外光谱(DIY-fNIRS)头带
主题领域
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心理学
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神经科学
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现有基础设施的教育工具和开源替代方案
硬件类型
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测量物理性质和实验室传感器
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现场测量和传感器
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电气工程和计算机科学
1. 上下文中的硬件
更好地了解大脑在自然环境中(例如，在家里、工作中或在实验室之外进行活动时)是如何工作的，可以对心理学、生理学、行为科学、经济学和生产力领域产生巨大影响[1]、[2]、[3]、[4]。功能性神经成像是对大脑活动随时间变化的空间映射技术的总称。这些技术包括功能磁共振成像(fMRI)、正电子发射断层扫描(PET)、脑电图(EEG)和功能近红外光谱(fNIRS)。不幸的是，大多数这些技术都不能很好地适应在自然环境中使用[5]。例如，fMRI和PET体积庞大，价格昂贵，并且需要固定受试者;因此，它们只能在实验室或临床环境中用于检测有限数量的活动。EEG和fNIRS系统通常更小、更经济;因此，他们可以评估范围更广的活动。然而，便携式脑电图技术通常存在空间分辨率差和易受运动伪影影响的问题。在这些神经监测选项中，fNIRS提供了最佳的折衷方案:对运动伪影的可接受容受性，良好的空间(厘米)和时间分辨率(8至10赫兹)和便携性[6]，[7]。
fNIRS系统由放置在头皮上的光源和检测器组成，用于量化不同皮质区域含氧和脱氧血红蛋白的相对变化。用于近红外光谱传感的单个通道通常被称为“光电二极管”，由光源和检测器组成。光源可由多个检测器共享，反之亦然，以在不添加组件的情况下创建多个传感通道。源和检测器之间的距离控制着成像的深度，源和检测器之间的距离可以小到5毫米到10毫米(“短通道”)，用于检测和纠正不是来自大脑的浅层生理信号或运动伪影[1]，[8]，[9]，[10]，[10]，[12]，[13]，用于检测大脑的血流动力学活动，可以小到20毫米到60毫米(“长通道”)。“长通道”的源探测器距离是根据光源和用户希望在脑组织中成像的深度来选择的:低成本的LED光源在组织中的穿透深度较低，使用的源探测器距离较短，为20至35毫米，而昂贵的基于激光的光源在组织中的穿透深度较大，可以在更大的源探测器距离下更深入地成像[1]，[13]。光源波长一般选择近红外对，其中第一光源在650 ~ 750 nm之间，第二光源在820 nm以上[14]。最近，三波长fNIRS系统推测检测血红蛋白以外的分析物，如水[15]或细胞色素c -氧化酶[16]，[17]也被开发出来，以改进血红蛋白浓度变化的计算或利用脑活动的替代生物标志物。仅血红蛋白的系统也使用了三个波长，其中第三个波长选择在805 nm处，接近血红蛋白的等肥胖点[18]，[19]。然而，大多数商业和研究系统使用两个波长进行研究。 |
