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1、 I摘摘 要要 无损在体检测是现代医学信号测量技术进步的一大贡献。近红外光谱术（NIRS）是近年来发展迅速的一项非侵入式光学测量方法， 基于 NIRS 的成像系统具有体积小、重量轻、能耗低以及成本低廉等优势，在脑功能研究领域具有巨大的应用前景。 本文首先了阐述 NIRS 用于血氧检测的基本原理， 设计并实现了一套 16 通道基于三波长连续光的便携式脑功能成像系统。系统采用基于 USB 接口的掌上型数据采集卡，并以专用集成芯片（ASIC）作为探测器、光源及其驱动电路，使整机重量控制在 1Kg 以内；探头柔软轻便易于佩带，与皮肤之间的贴附性好，有效探测面积是 4.4 cm15cm，可覆盖前额叶皮层
2、的背外侧和部分腹外侧区域；系统最高时间分辨率可达100ms，能够满足脑血流瞬态响应的甄别。 为实现信号采集和血氧、血容量变化情况的实时显示，本文设计了脑功能成像系统配套软件。软件贯穿面向对象的设计思想，即以数据为中心构建软件体系。程序设计基于 Visual C+ 6.0 平台，并在“文档视图”核心框架的基础上利用 Windows 多线程技术实现数据采集到显示等多个功能模块的并行处理。 本文通过系统性能测试对电路的整体工作性能进行测试评估。 利用离体血液-酵母模型实验对测量数据定标的结果表明系统能够准确反映血液中含氧血红蛋白、 去氧血红蛋白和血容量的浓度变化。 通过监测Valsalva动作诱导脑
3、血流调节过程的在体实验，证明了系统应用于无创检测前额皮层血流动态调节的可行性。 关键词：近红外光谱术 前额叶皮层 便携式 脑功能成像 血氧 血容量 本课题受到国家自然科学基金（30070261，60478016） ，教育部科学技术研究重大项目（重大10420）的资助 IIAbstract Non-invasive in-vivo measurement is one of the greatest contributions provided by modern medical signal detection technology. Attributing to non-invasive m
4、ethod, NIRS has been developed rapidly in recent decades. The system based upon NIRS has such advantages as light weight, compact size, low power consumption and cost so that it will have a wide application in brain function research field. In this paper, the basic principle of NIRS was introduced a
5、nd also a new type of portable 16-channel brain function imager using continuous-wave has been designed. The system adopted a palmed DAQ using USB interface and other application specific integrated circuits (ASIC) products as the detector, light source and its drive circuit, which made the net weig
6、ht within 1Kg. The probe was so flexible that was easy to belt on and made good attachment to skin. The detection area was 4.4 cm15cm, which can cover the DLPFC and partial VLPFC. The maximum temporal resolution of the instrument was 100ms which was adequate to identify transient response of hemodyn
7、amic changes including the oxy/deoxy-hemoglobin and blood volume. In order to realize the signal collection and the display of changes of HbO2, Hb and Blood volume, the software for this brain function imaging instrument has been developed. The object-oriented programming thinking, which made data c
8、entered in software structure, impenetrate the procedure of the system software development. This program was constructed on Visual C+6.0 platform. The “Doc-View” structure was the core framework of the whole application software. Multi-thread technique made the data-collection and data-display modu
9、les work in parallel with each other synchronously. By means of performance test, in-vitro model experiment, the system property and accuracy of measurement was validated. The ultimate in-vivo experiment made use of the Valsalva maneuver inducing the cerebral blood flow (CBF) stress adjustment, the
10、results of which was in accordance with the physiology knowledge, demonstrating the feasibility of in-vivo measurement. Key words: Near-infrared spectroscopy Prefrontal cortex Portable Brain function imaging Oxyhemoglobin Blood volume This work was supported by the National Science Foundation of Chi
11、na (Grants No.30070261 、60478016) and Important Project of Ministry of Education (Grant No.10420) 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全
12、了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日本论文属于 11 绪论绪论 1.1 引言引言 人脑是由上千亿个神经元组成的复杂巨系统，这个系统已经超过了单纯的医学或心理学研究的概念范畴，它实际上已经成为一个信息科学的概念。近三十年神经科学迅猛
13、发展，人类已经揭开了全面探索宇宙中最复杂的物质脑奥秘的序幕。目前学术界正在掀起研究脑、开发脑、保护脑和创造脑的热潮。我国国家中长期科学和技术发展规划纲要已将“脑科学与认知科学”列入科研前沿问题的战略高度；美国将上世纪最后十年定为“脑的十年” ；日本针对“脑的时代计划”提出了脑科学宏伟的战略目标，即通过阐明智力与思维的脑机制来“理解脑” ，通过延缓衰老和治疗神经性和精神性疾病来“保护脑” ，通过发展脑风格的人工智能和神经计算系统来“创造脑” ；欧共体于 1991 年成立了“欧洲脑的十年”委员会，并制定“脑的十年计划” 。 目前，脑的认知与行为的关系问题是人类在认知过程中必须解决的核心问题。认知神
14、经科学是一门多学科、崭新的、发展迅速的新兴学科，其目的主要是阐明人类认知活动的心理过程和脑的机制。认知神经科学能够揭示出人类的行为，即人类所表现出来的活动，与认知过程如记忆、思维、语言、情感等的脑机制和生物学基础。认知神经科学的研究将对人类理解自然和自身，增进脑和身心健康，发展全新的脑智能信息系统及提高全民族的创新能力做出重要的贡献。 心理学研究正在与脑研究密切相结合，因此，在某种意义上说，心理学的发展已经由认知心理学进入到认知神经科学的时代。 1.2 多种脑功能成像技术概述多种脑功能成像技术概述 现代认知神经科学的主要研究对象是大脑结构与脑功能活动的关系，因而需要监测脑功能活动的各种非侵入式
15、（non-invasive）测量技术。在历史上，首先出现的技术是脑电图（electroencephalography, EEG） ，紧接着出现的其他技术包括正电子发射断层扫描（positron emission tomography, PET）和单光子发射断层扫描（single positron emission computed tomography, SPECT） ，脑磁图（magneto encephalography, MEG） ，以及距今不远的功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging, fMRI） 。 由于脑电（EEG）和脑磁图（ME
16、G）技术是直接测量神经活动的电磁信号，记录2与某一特定事件相关的脑电事件相关电位 （event-related potential, ERP） 和脑磁事件相关磁场（event-related magnetic field, ERF） ，因此具有毫秒级高时间分辨率的优势1，但是这些直接检测手段的空间分辨率却非常有限。另一方面，PET、SPECT和fMRI属于间接的测量方法，即通过测量大脑活动所伴随的代谢、血流、血氧含量的变化间接对大脑进行认知功能定位。 PET出现于20世纪80年代初期， 它通过给被试注射含放射性同位素的水或葡萄糖，并记录同位素放出的正电子与脑内负电子湮灭而释放出射线的位置分布，进而测量出区域脑代谢率（regional cerebral metabolic rat
