基于近红外光谱技术的脑血氧检测

摘要

大脑功能中的神经血管耦合机制一直是脑科学研究的重要领域,脑血氧检测技术成为不可缺少的研究工具。在最近几十年的血氧检测技术发展过程中,功能近红外光谱技术(FNIRS)成为检测大脑活动中血氧变化的重要手段。该技术是通过检测组织光学参数的改变来反映血液中的氧合血红蛋白(Oxyhemoglobin, HbO)与还原血红蛋白(Deoxyhemoglobin, HbR)的变化。与其它大脑皮层功能活动检测方法相比,功能近红外光谱技术不仅满足空间分辨率的要求,同时具有非常高的时间分辨率。而且该技术可以进行实时无创的脑功能活动监测,设备功耗小,检测费用低。相比于国外成熟的功能近红外光谱检测技术,国内的研究和发展相对落后,至今还没有产品化的功能近红外成像检测设备。本文研究实现的正是近红外光谱技术用于脑功能活动中的血氧变化检测系统。
　　首先,本文阐述了功能近红外光谱检测技术的原理,对功能近红外光谱检测技术的应用特点和设计原则进行了总结。同时,本文还介绍了功能近红外光谱检测技术用于脑功能研究的生理基础并分析了该技术的信号特点和应用优势。然后,本文重点介绍了基于近红外光谱技术的脑血氧检测系统的设计和实现。其中包括硬件功能设计中光源发射及传输的解决方法、利用合理有效的光电传感器对出射光信号的检测以及通道之间并行数据采集的实现和软件应用中各功能的流程设计。系统实现的过程中,还设计完成了血管阻断实验对本系统血氧信息采集的有效性进行了实际验证。其中,系统底层采集得到的电信号和实际数据求得的血氧信号都证明了系统的良好性能。此外,本文还提出了一种小波分析用于近红外任务实验中激活通道检测的方法,并通过模拟实验数据和真实实验数据的处理结果和对比证明了该方法的可行性。最后,本文讨论了该系统开发过程中一些改进和优化,并探讨了功能近红外血氧检测与脑电同步联合采集的意义。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 研究背景

1.3 研究意义

1.4 本文主要工作

第二章 功能近红外血氧检测原理

2.1 脑血氧变化及神经血管耦合

2.2 朗伯-比尔定律求解血氧变化

2.3 主要近红外调制方式比较

2.4 本章小结

第三章 近红外脑血氧检测的系统实现

3.1 系统总体框架的设计

3.2 系统硬件电路功能的实现

3.3 系统软件功能设计

3.4 系统实验验证

3.5 本章小结

第四章 基于小波变换的功能近红外数据分析方法

4.1 方法和处理流程

4.2 仿真数据对比检测结果

4.3 任务试验数据对比检测结果

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 工作总结

5.2 工作展望

致谢

参考文献

在学期间取得的与学位论文相关的研究成果