本文關(guān)鍵詞：提高連續(xù)光近紅外腦功能檢測靈敏度的研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：功能近紅外光譜術(shù)(functional Near-infrared Spectroscopy, fNIRS)通過測量皮層血液動力學(xué)信號來反映腦功能活動。相比于其他技術(shù),fNIRS兼顧了時間分辨率和空間分辨率,而且對被試和環(huán)境限制小,適合兒童、老人以及病人的研究,尤其是適合應(yīng)用到與腦健康相關(guān)的研究中。目前,fNIRS的潛力還沒有得到充分發(fā)掘,提高對腦功能活動的檢測靈敏度是推動fNIRS研究進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵因素。對于fNIRS腦功能檢測靈敏度的提高,研究內(nèi)容包括,在體檢測關(guān)鍵問題的分析與解決,高電氣性能儀器的研制,以及數(shù)據(jù)分析方法的發(fā)展。 本文圍繞連續(xù)光近紅外腦功能檢測靈敏度的提高展開研究,主要內(nèi)容如下： (1)對影響近紅外腦功能在體檢測信號質(zhì)量的關(guān)鍵問題進(jìn)行了研究。分析了實(shí)際測量中存在的規(guī)則小波動噪聲的信號特性,從數(shù)學(xué)上推導(dǎo)了規(guī)則小波動噪聲的產(chǎn)生機(jī)制,證明規(guī)則小波動噪聲來源于調(diào)制頻率或者采樣頻率的偏差,并從光源調(diào)制和數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)上對規(guī)則小波動噪聲進(jìn)行了抑制和消除；對光源光纖和探測光纖的數(shù)值孔徑與近紅外腦功能在體檢測信號質(zhì)量之間的關(guān)系進(jìn)行了分析,得出探測光纖數(shù)值孔徑越大,光源光纖數(shù)值孔徑越小,近紅外腦功能在體檢測的信號質(zhì)量越高的結(jié)論,據(jù)此指導(dǎo)近紅外儀器光纖部件的設(shè)計(jì),以提高儀器在體檢測的信號獲取能力；探頭帽是影響在體檢測效果的重要因素,本文對探頭帽的設(shè)計(jì)需求進(jìn)行了分析,根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程中是否涉及頭部運(yùn)動,設(shè)計(jì)了套筒直插式和彈性壓帽式兩種探頭帽光纖固定方式,提出了實(shí)用性高、適用性廣的探頭帽基底設(shè)計(jì)方案,并提出了近紅外技術(shù)與其他技術(shù)聯(lián)合的多模式探頭帽設(shè)計(jì)方案。 (2)實(shí)現(xiàn)了一款高電氣靈敏度的連續(xù)光近紅外腦功能儀器,噪聲等效功率達(dá)到0.1pW,時間分辨率大于100Hz。使用數(shù)字化設(shè)計(jì)、高速同步采樣、配置大鎖定點(diǎn)數(shù)和均值濾波器的數(shù)字鎖定算法,以及提出調(diào)制頻率和采樣頻率的設(shè)定規(guī)則,來保證儀器的噪聲抑制能力：通過調(diào)制點(diǎn)亮光源、高速同步采樣、以及優(yōu)化控制軟件(采用生產(chǎn)者-消費(fèi)者模式,空間換時間策略,LABVIEW與MATLAB混合編程)來保證儀器的時間分辨率。通過前臂血管阻斷實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了儀器的血氧檢測能力。通過棋盤翻轉(zhuǎn)視覺實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了儀器的在體腦功能活動檢測能力,其中,視皮層光神經(jīng)信號檢測結(jié)果進(jìn)一步證明了儀器的在體檢測靈敏度。 (3)為促進(jìn)高靈敏的近紅外光譜術(shù)在腦功能研究中的應(yīng)用,以執(zhí)行控制任務(wù)下近紅外腦連接研究為例,用多種數(shù)據(jù)分析方法進(jìn)行研究,建立了更全面有效地分析近紅外光譜測量數(shù)據(jù)的方案。通過Stroop任務(wù)下雙側(cè)前額葉的功能連接分析,在驗(yàn)證了近紅外腦連接分析方法用于高級復(fù)雜認(rèn)知任務(wù)研究的可行性的基礎(chǔ)上,不僅從功能連接、腦激活、以及行為表現(xiàn)等多個角度對Stroop任務(wù)下的腦功能偏側(cè)化特性進(jìn)行了分析,而且從能反映了腦區(qū)間交互作用的因果關(guān)系和信息流向的效應(yīng)連接角度,對腦功能活動的動態(tài)信息傳遞模式進(jìn)行了描述。結(jié)果表明,近紅外光譜術(shù)結(jié)合多種數(shù)據(jù)分析方法可以更靈敏的揭示大腦功能活動信息。 本文工作有助于近紅外腦功能檢測技術(shù)的潛力發(fā)掘,將促進(jìn)近紅外腦功能檢測技術(shù)在腦科學(xué)研究,尤其是臨床研究中的推廣。
【關(guān)鍵詞】：功能近紅外光譜術(shù) 規(guī)則小波動噪聲 探頭帽 光纖 功能連接 效應(yīng)連接
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN911.23;R741.04
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 本文所用英文縮寫名稱一覽表8-12
• 1 緒論12-24
• 1.1 引言12-13
• 1.2 腦功能活動研究概述13-17
• 1.3 近紅外腦功能研究17-21
• 1.4 腦連接研究21-22
• 1.5 本文主要內(nèi)容22-24
• 2 高靈敏近紅外腦功能在體檢測關(guān)鍵問題研究24-54
• 2.1 引言24-25
• 2.2 規(guī)則小波動噪聲25-36
• 2.3 光纖數(shù)值孔徑對在體檢測信號質(zhì)量的影響36-44
• 2.4 近紅外腦功能檢測探頭帽設(shè)計(jì)44-53
• 2.5 本章小結(jié)53-54
• 3 高靈敏近紅外腦功能儀器的實(shí)現(xiàn)與評估54-83
• 3.1 近紅外腦功能儀器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)54-69
• 3.2 電氣性能測試69-76
• 3.3 在體實(shí)驗(yàn)測試76-82
• 3.4 本章小結(jié)82-83
• 4 基于功能近紅外技術(shù)的Stroop任務(wù)下腦連接研究83-106
• 4.1 引言83-85
• 4.2 Stroop任務(wù)中雙側(cè)前額葉功能連接研究85-94
• 4.3 Stroop任務(wù)中大腦功能偏側(cè)化研究94-105
• 4.4 本章小結(jié)105-106
• 5 總結(jié)與展望106-109
• 5.1 本文工作總結(jié)106-107
• 5.2 本文工作的創(chuàng)新點(diǎn)107-108
• 5.3 工作展望108-109
• 致謝109-111
• 參考文獻(xiàn)111-122
• 附錄 作者攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表論文與研究成果122-123

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本文編號：321336