一種基于近紅外光譜成像的可穿戴式設(shè)備的設(shè)計(jì)

陳嬌

南京醫(yī)科大學(xué)附屬兒童醫(yī)院 招標(biāo)采購(gòu)中心，江蘇 南京 210008

引言

大腦是人體最復(fù)雜的器官，神經(jīng)影像技術(shù)經(jīng)常用于大腦的活動(dòng)檢測(cè)，常見(jiàn)的神經(jīng)影像技術(shù)比如正電子放射斷層造影術(shù)（PET）、功能核磁共振成像（fMRI）和腦電圖（EEG）等。近紅外光譜成像系統(tǒng)（fNIRS）是一種新興的神經(jīng)影像技術(shù)，其使用近紅外光的方法來(lái)檢測(cè)大腦的活動(dòng)[1-5]。

近紅外光譜成像是一種使用近紅外光譜（700～900 nm）的無(wú)損傷檢測(cè)技術(shù)。在這個(gè)波長(zhǎng)段，人體組織包括皮膚、骨骼和脂肪都是近乎透明的，而血紅蛋白對(duì)于近紅外光線有較強(qiáng)的吸收能力，同時(shí)含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白對(duì)于不同波長(zhǎng)的近紅外光有不同的吸收率。人體各種生理活動(dòng)的能量來(lái)源于不同的氧化反應(yīng)，含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的含量可以反映該組織的生理狀態(tài)，檢測(cè)兩者的變化可以了解組織的活動(dòng)水平。在正常情況下，含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白由于自身調(diào)節(jié)機(jī)理能夠基本保持穩(wěn)定，但是當(dāng)大腦特定區(qū)域進(jìn)行活動(dòng)時(shí)，兩者濃度會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，此時(shí)通過(guò)測(cè)量?jī)烧叩臐舛茸兓梢苑从吵龃竽X某個(gè)區(qū)域的氧氣消耗量增加，從而反映大腦的活動(dòng)情況[6]。

傳統(tǒng)的近紅外光譜成像設(shè)備存在一些問(wèn)題，既復(fù)雜又笨重。近紅外光譜成像系統(tǒng)需要放置近紅外光源和近紅外光線探測(cè)器，傳統(tǒng)的近紅外光譜成像系統(tǒng)將類似腦電圖中使用的電極帽、光源和探測(cè)器固定在帽子上，并用支架將帽子固定在頭部[7]，但這種帽子缺乏靈活性，會(huì)讓被試者感到不舒服，同時(shí)也限制了被試者的行動(dòng)。傳統(tǒng)的近紅外光譜成像系統(tǒng)是一種桌面式結(jié)構(gòu)，使用有線光纜傳輸信號(hào)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，被試者不允許自由行動(dòng)，并要盡量保持身體平靜。

1 背景和相關(guān)工作

近紅外光譜成像是一種非入侵式的測(cè)量方法，通過(guò)測(cè)量血紅蛋白的濃度，反應(yīng)大腦的活動(dòng)情況。對(duì)于700～900 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的近紅外光，人體組織包括皮膚、骨骼和脂肪都是近乎透明的，而含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白有著較強(qiáng)的吸收能力。對(duì)于多個(gè)不同波長(zhǎng)的近紅外光，含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的吸收率也是不同的，通過(guò)這個(gè)吸收的差異，我們可以計(jì)算出兩者的濃度變化[8-10]。

1.1 修正的比爾朗伯定律

近紅外光可以測(cè)量大腦中的含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的濃度變化[11]。通過(guò)修正的比爾朗伯定律，我們可以利用大腦皮層表面的光線強(qiáng)度來(lái)計(jì)算出血紅蛋白的變化情況。下面的公式就是修正的比爾朗伯定律，其中C是濃度，ε是摩爾衰減系數(shù)，I是光線強(qiáng)度，R是光源和探測(cè)器之間的距離，DPF是微分光程因子，λ是近紅外的波長(zhǎng)。

血液可以O(shè)(HB)的組合，所以公式(1)可以改寫(xiě)為：

如圖1所示，可以看到在760 nm和850 nm處，含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白有著明顯的吸收度差異，所以我們可以分別計(jì)算兩個(gè)不同波長(zhǎng)位置的濃度變化差異。

假定 DPF(λ1)≈DPF(λ2)，那么含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的變化值就可以被計(jì)算出來(lái)，如公式(5)和(6)所示。

此時(shí)，可以求解出含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的濃度變化值。

圖1 不同波長(zhǎng)的近紅外波長(zhǎng)在兩種血紅蛋白的吸收系數(shù)

1.2 光源和探測(cè)器

近紅外光譜成像的光學(xué)部分包括光源和探測(cè)器。近紅外光源發(fā)射出近紅外光線，穿透生物組織以及反射，最后到達(dá)探測(cè)器。一些生物組織如皮膚、骨骼對(duì)于近紅外光線有著較低的吸收率，可以看成是近似透明的。而兩種血紅蛋白對(duì)于近紅外光線有著較強(qiáng)的吸收率，通過(guò)兩種或者兩種以上的不同波長(zhǎng)的近紅外光，就可以通過(guò)比爾朗伯定律計(jì)算出兩種血紅蛋白的濃度變化。一種典型的方式是將光源和探測(cè)器放置于被試者的頭蓋骨上方，記錄經(jīng)過(guò)大腦組織散射后的光線，如圖2所示。

圖2 近紅外光線的傳播路徑

1.3 可穿戴和無(wú)線系統(tǒng)

可穿戴的無(wú)線設(shè)備是一種可以隨時(shí)捕捉人體數(shù)據(jù)，并通過(guò)無(wú)線方式傳輸數(shù)據(jù)的設(shè)備[12]。可穿戴設(shè)備需要完成兩個(gè)功能：一個(gè)是完成人體生理數(shù)據(jù)的采集，另一個(gè)是完成數(shù)據(jù)信號(hào)的無(wú)線傳輸。可穿戴的無(wú)線設(shè)備可以讓被試者自由行動(dòng)，不受任何拘束。

1.4 相關(guān)工作

Lühmann等[13]設(shè)計(jì)了一個(gè)可移動(dòng)的開(kāi)源多通道獨(dú)立近紅外光譜成像系統(tǒng)，擁有四個(gè)模塊和16個(gè)通道，可以通過(guò)藍(lán)牙傳輸數(shù)據(jù)，使用5 V電源。Agrò等[14]設(shè)計(jì)了一個(gè)便攜的、低成本的、多通道的功能近紅外嵌入式系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)運(yùn)用4個(gè)光源，128個(gè)光電倍增管作為探測(cè)器，每個(gè)探頭通過(guò)柔性電纜連接至控制主板，同時(shí)使用一個(gè)穩(wěn)定的支架固定在頭部。Chitnis[15]提出了一種光譜探針的設(shè)計(jì)，包含4個(gè)光電二極管探測(cè)器的4通道設(shè)備，包含了集成放大器和ADC轉(zhuǎn)換器，整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍為80 dB，用一個(gè)2 mm×2 mm的環(huán)氧樹(shù)脂封裝。

1.5 文章結(jié)構(gòu)

本文中我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)可穿戴式的近紅外光譜成像系統(tǒng)，這個(gè)近紅外光譜成像系統(tǒng)由兩部分組成，分別是光學(xué)結(jié)構(gòu)和主控制部分。下面的章節(jié)介紹了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)了一個(gè)測(cè)試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該部分詳述了系統(tǒng)的硬件和軟件結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的硬件包括光學(xué)結(jié)構(gòu)和主控系統(tǒng)，軟件包括LED的驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)傳輸部分。

2.1 光學(xué)結(jié)構(gòu)

光學(xué)結(jié)構(gòu)由三部分組成，分別是雙波長(zhǎng)的發(fā)光二極管（SMT760/850）、單電源互阻抗放大器（OPT01）和導(dǎo)光光纖。雙波長(zhǎng)發(fā)光二極管是一種AlGaAs二極管，用環(huán)氧樹(shù)脂密封，能夠在陽(yáng)極發(fā)射出760 nm和850 nm兩種不同波長(zhǎng)的光源。OPT101是一個(gè)光電二極管的互阻抗放大器，輸出電壓和光線強(qiáng)度呈線性關(guān)系，放大器可以工作于單電源供電，適合用于電池供電的場(chǎng)合。導(dǎo)光光纖負(fù)責(zé)將近紅外光線從光源引導(dǎo)至大腦，經(jīng)過(guò)大腦內(nèi)的吸收和散射，再傳播到探測(cè)器。為了固定導(dǎo)光光纖，我們用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)保護(hù)殼，這個(gè)保護(hù)殼能夠保證光纖和光源成垂直角度。同時(shí)保護(hù)殼可以最大程度的阻止外界的環(huán)境光進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)中，防止環(huán)境光線對(duì)光線接收器產(chǎn)生影響。整個(gè)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 固定光纖的保護(hù)殼整體結(jié)構(gòu)

2.2 主控制單元

主控制單元是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，主要起到三個(gè)作用：驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管、將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)和無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)。圖4顯示了主控制單元的框圖，采用NRF51822做為控制單元，是一款可以工作于超低電壓的2.4 GHz的無(wú)線產(chǎn)品解決方案。我們通過(guò)PWM波控制兩個(gè)波長(zhǎng)分別運(yùn)行于不同的時(shí)間段，每個(gè)波長(zhǎng)的發(fā)光二極管被點(diǎn)亮10 ms，兩個(gè)波長(zhǎng)之間有2 ms的空閑時(shí)間，整個(gè)周期是24 ms，兩個(gè)波長(zhǎng)分別占用一半的時(shí)間，這是一種時(shí)分復(fù)用的技術(shù)，可以在一個(gè)周期內(nèi)同時(shí)采集兩種波長(zhǎng)的數(shù)據(jù)。AD轉(zhuǎn)換芯片采用了ADS1292，是一個(gè)多通道的同步采集ADC芯片，精度高達(dá)24位，內(nèi)部可以進(jìn)行編程增益放大。模擬信號(hào)在ADS1292中被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后通過(guò)SPI傳輸至主控單元，主控單元通過(guò)2.4 GHz的無(wú)線藍(lán)牙把數(shù)據(jù)傳輸至電腦端。

2.3 數(shù)據(jù)收集和處理

通過(guò)藍(lán)牙將數(shù)據(jù)傳輸至電腦端后，通過(guò)MATLAB接收數(shù)據(jù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用修正的比爾朗伯定律，計(jì)算出含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的濃度變化。

圖4 圖中顯示的是系統(tǒng)框圖

3 測(cè)試實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了測(cè)試近紅外光譜成像系統(tǒng)的性能，我們將設(shè)備固定于一個(gè)耳機(jī)上，這樣被試者可以頭戴整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖5所示。

圖5 產(chǎn)品實(shí)物圖

3.1 供電

這個(gè)系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)3.7 V的鋰電池供電，如果NRF51822處于深度睡眠的模式，整個(gè)系統(tǒng)只需要0.6 μA的電流。經(jīng)過(guò)測(cè)試，該系統(tǒng)可以持續(xù)工作6 h。

3.2 可穿戴性

這個(gè)系統(tǒng)被固定在一個(gè)耳機(jī)上，非常輕便。被試者可以戴著耳機(jī)隨意的走動(dòng)，完全不受影響。

3.3 血液動(dòng)力學(xué)測(cè)試

我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)基于瓦爾薩瓦動(dòng)作（Valsalva Manoeuver）的實(shí)驗(yàn)，用來(lái)測(cè)試近紅外光譜成像的性能。瓦爾薩瓦動(dòng)作是令被試者進(jìn)行強(qiáng)力閉呼吸動(dòng)作，即深吸氣后緊閉聲門，再用力做呼氣動(dòng)作，呼氣時(shí)對(duì)抗緊閉的會(huì)厭，此時(shí)胸內(nèi)壓會(huì)增加，血液的循環(huán)受到了影響。這個(gè)動(dòng)作會(huì)顯著的改變大腦中的血紅蛋白的濃度[16]。

實(shí)驗(yàn)范式：被試者坐在一張舒服的椅子上，保持全身放松，并根據(jù)聲音提示進(jìn)行一系列的操作。從開(kāi)始到10 s被試者保持放松狀態(tài)；第10 s出現(xiàn)一個(gè)聲音刺激（開(kāi)始），被試者執(zhí)行瓦爾薩瓦動(dòng)作，并保持10 s；10 s后出現(xiàn)第二個(gè)聲音刺激（停止），這時(shí)候被試者開(kāi)始恢復(fù)平靜，并持續(xù)20 s。整個(gè)范式過(guò)程，如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)范式

一個(gè)成年男性被試者參與了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)重復(fù)執(zhí)行100次。實(shí)驗(yàn)中，近紅外光譜成像放置在前額位置。

4 數(shù)據(jù)處理和評(píng)估

通過(guò)MATLAB接收并處理數(shù)據(jù)，并通過(guò)公式(7)和(8)計(jì)算出一段時(shí)間內(nèi)平均的含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的濃度變化。

其結(jié)果如圖7所示，可以看到在執(zhí)行瓦爾薩瓦動(dòng)作開(kāi)始，含氧血紅蛋白的濃度顯著的增加，經(jīng)過(guò)幾秒后脫氧血紅蛋白的濃度略微減小。這是因?yàn)橥郀査_瓦動(dòng)作的初始階段會(huì)將大量的含氧血紅蛋白流向腦部，而隨著時(shí)間的推移，這部分的血液開(kāi)始向脫氧血紅蛋白轉(zhuǎn)變，所以此時(shí)脫氧血紅蛋白的濃度有所增加，含氧血紅蛋白的濃度開(kāi)始下降。從20 s開(kāi)始，含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的含量開(kāi)始恢復(fù)到正常水平，這是因?yàn)楸辉囌咄Ｖ沽送郀査_瓦動(dòng)作，并開(kāi)始保持放松狀態(tài)，此時(shí)兩種血紅蛋白濃度恢復(fù)至正常水平。這個(gè)結(jié)果和其他的相關(guān)研究者的結(jié)果相吻合。

圖7 血紅蛋白的濃度變化

5 結(jié)論

在本文中，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)可穿戴的近紅外光譜成像系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，同時(shí)系統(tǒng)被固定在一個(gè)頭戴式耳機(jī)上，方便被試者攜帶。這個(gè)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特性，同時(shí)數(shù)據(jù)可以無(wú)線傳輸至PC端處理。我們通過(guò)試驗(yàn)檢驗(yàn)了近紅外光譜成像系統(tǒng)的性能，結(jié)果表明該系統(tǒng)可以有效地檢測(cè)到大腦中的血紅蛋白的濃度變化。

這種可穿戴式的近紅外光譜成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以自由調(diào)整需要檢測(cè)的大腦區(qū)域，在移動(dòng)醫(yī)療監(jiān)護(hù)方面有很大的應(yīng)用潛質(zhì)。但在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中我們還發(fā)現(xiàn)了如下的一些問(wèn)題可以繼續(xù)改進(jìn)：

（1）該設(shè)備使用了兩種波長(zhǎng)的LED，而現(xiàn)在主流的近紅外成像系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)始使用三種或者三種以上的波長(zhǎng)，可以使檢測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確，但是這樣勢(shì)必會(huì)增加設(shè)備體積，如何在提高性能和測(cè)試準(zhǔn)確性與縮小系統(tǒng)體積上做出平衡，是后期需要解決的問(wèn)題。

（2）光學(xué)模塊只能固定在耳機(jī)的結(jié)構(gòu)上，如果能夠設(shè)計(jì)一個(gè)帽子的骨架，可以讓光學(xué)模塊分布于整個(gè)頭部，這樣可以更加準(zhǔn)確的針對(duì)不同大腦活動(dòng)區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)。