颅脑功能无创非接触检测技术的研究

摘要

脑是自然界中最高级的结构，是智慧的发源地。脑科学研究有着非凡的意义，它处在科学领域的最前沿。脑科学研究需要检测技术的支持，脑科学是伴随着检测技术的发展而前进的。此次课题研究正是以开发颅脑功能检测新设备与新方法以及对传统颅脑功能检测技术进行补充和完善为目的，使检测过程更安全便捷，使检测设备更经济实用。
　　 文章提出生物电气接口的概念，对当今常用的颅脑功能检测技术与检测设备做了全面的考察与学习，并进行比较，为课题的研究提供理论支持与向导，从而制定了以NIRS生理检测技术为基础的研究路线。文章全面介绍了NIRS技术的原理、发展以及在生理检测中的应用，并详细阐述和分析了将NIRS技术应用于颅脑功能检测的fNIRS技术，归纳总结了fNIRS检测的生理原理，分析当前fNIRS技术的发展状况和不足之处，并进一步提出了改进方案。
　　 fNIRS是一项崭新的颅脑功能检测技术，发展时间短，技术尚不成熟，当前的应用状况与检测效果不如传统颅脑功能检测设备。但这一检测方式易于操作，无放射性及高场强影响，不易受到电磁干扰，其设备也相对经济、轻便，因此具有很大的发展潜力。作者对当前NIRS生理检测技术进行深入研究，分析了血流检测原理，并在此基础上加以创新，提出聚焦式NIRS生理检测方案，使检测分辨率得到提升。其中，聚焦式检测方案使用了聚焦成像的摄影原理，使设备受环境光线干扰大大减少，探头可以脱离体表，并且无需遮罩、无需严格暗室环境，提供了非接触式的检测方法，实现真正非接触检测，也为光源/探头的自由活动以及通道扫描式检测提供了可行性，这也为提升检测分辨率创造了有利条件，同时给医患以及检测过程带来方便。课题中使用了蒙特卡洛方法对方案进行了理论分析，同时通过实测对方案进一步加以检验。
　　 课题进行了相关设备的实际加工制作，并针对血流检测和功能检测进行了动物实验和人体实验，对实验结果进行了分析论证，进行了相关安全评估。文中详细介绍了设备的组成、各部件的设计理念和加工过程，同时介绍了全部实验过程并对实验结果进行分析，证明了聚焦式NIRS生理检测的良好特性。
　　 文章最后展望了fNIRS技术的前景，并预先设计了完备的通道扫描式fNIRS的结构，对未来的研究工作进行了部署。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题研究的出发点

1.2 颅脑功能检测方法概述

1.2.1 脑电图(electroencephalograph,EEG)

1.2.2 脑磁图(magnetoencephalograph,MEG)

1.2.3 同位素发射计算机辅助断层成像(emission computed tomography,ECT)

1.2.4 功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)

1.2.5 近红外光谱法脑功能成像(functional near-infrared spectroscopy,fNIRS)

1.3 小结

第2章 NIRS生理检测

2.1 什么是NIRS

2.2 NIRS在生理检测中的应用

2.3 NIRS血氧检测理论

2.4 fNIRS——NIRS应用于脑功能检测

2.5 小结

第3章 检测理论设计

3.1 检测原理

3.2 理论分析与实验分析

3.2.1 蒙特卡罗方法在光线传播计算中的应用

3.2.2 NIRS生理检测探头

3.2.3 通道扫描理论

3.2.4 NIRS生理检测光源

3.3 小结

第4章 设备加工制作

4.1设备概况

4.2 光源

4.3 探头

4.4 电路

4.5 电磁干扰的抑制

4.5.1 接地屏蔽法

4.5.2 负反馈屏蔽法

4.5.3 对称抵消法

4.6 其他器件

4.6.1 头盔

4.6.2 支架

4.6.3 实验台

4.6.4 电源

4.7 小结

第5章 血流检测实验

5.1 动物实验

5.2 人体实验

5.3 小结

第6章 功能检测实验

6.1 检测机理分析

6.2 功能检测实验

6.2.1 动物实验

6.2.2 人脑功能检测实验设计

6.2.3 人脑功能检测与结果分析

6.3 小结

第7章 结束语

7.1 展望

7.2 总结

参考文献

附录A 颅脑与神经

A.1 神经

A.2 颅脑

A.3 参考文献

附录B实验动物观察

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文