新型可穿戴的无创光学脑成像设备

   

   

Kernel Flow头盔

脑成像技术的最新进展促进了对大脑及其功能的精确、高分辨率的观察。例如，功能性近红外光谱(fNIRS)是一种广泛应用的非侵入性成像技术，它利用近红外光(波长>700 nm)，通过血红蛋白的光吸收模式的差异，来确定大脑中血红蛋白的相对浓度。

大多数非侵入性大脑扫描系统使用的是连续波近红外光谱仪(fNIRS)，在该系统中，组织受到持续的光子辐射。然而，这些系统不能区分散射光子和吸收光子。该技术的一个最新进展是时域(TD)-fNIRS，它使用皮秒脉冲光和快速探测器来估计组织中的光子散射和吸收。然而，这样的系统昂贵、复杂，并且具有很大的外形因素，限制了它们的广泛采用。

为了克服这些挑战，神经技术公司Kernel的研究人员开发了一种基于TD-fNIRS技术的可穿戴头盔。该装置被称为“内核流”，重2.05公斤，由52个模块组成，分布在头部两侧的4个板上。

该模块有两个激光源，可以产生小于150皮秒宽的激光脉冲。然后，这些光子被一个棱镜反射，并结合在一个源光管中，将光束引导到头皮。激光脉冲穿过头皮后，由6根直径为2 mm的弹簧加载探测器光管捕获，然后传输到距离激光源10 mm的6个六边形排列的探测器上。该探测器将光子到达时间记录为直方图，并能够处理高光子计数率(超过1 × 10⁹次/秒)。

为了演示它的性能，Kernel Flow系统被用来记录两名执行手指敲击任务的参与者的大脑信号。在测试过程中，从大脑中收集了2000多个通道的直方图，以测量氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度的变化。

该系统与传统的TD-fNIRS系统相匹配。Kernel的首席技术官和该研究的通信作者Ryan Field解释说:“我们用我们的小型化设备演示了类似于台式系统的性能，其特点是TD-fNIRS和人类神经科学结果的标准化组织和光学幻影协议。”

虽然结果很有希望，Field承认需要更多的测试，因为某些头发和皮肤类型对近红外光的吸收是不同的。“我们目前正在使用Kernel Flow收集数据，以展示其他人类神经科学应用。我们还在评估不同头发和皮肤类型的系统的性能。”

Kernel Flow将大规模TD-fNIRS系统封装为可穿戴形式，提供下一代无创光学脑成像设备。像Kernel Flow这样的系统将使神经成像更容易获得，从而在健康和科学领域广泛受益。例如，FDA最近批准了一项研究，使用核流系统来测量氯胺酮对大脑的迷幻效果。

JBO的客座编辑、德国环境健康研究中心的Dimitris Gorpas说:“这是世界上第一个可穿戴的全头覆盖TD-fNIRS系统，它保持或改进了现有台式系统的性能，并有潜力实现其使神经测量成为主流的任务。我真的很期待大脑尚未揭示的东西。”

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杂志

Journal of Biomedical Optics

DOI

10.1117/1.JBO.27.7.074710