一种高灵敏度蓝牙低功耗可穿戴近红外光谱生物传感器：用于屏幕认知任务期间任务诱发氧摄入的实时监测与映射

《IEEE Transactions on Biomedical Engineering》：A Sensitive BLE-Enabled Wearable fNIRS Biosensor for Real-Time Monitoring and Mapping of Task-Evoked Oxygen Influxes During On-Screen Cognitive Tasks

　　摘要：目标：开发并验证一款紧凑型蓝牙低功耗（BLE）可穿戴功能性近红外光谱（fNIRS）设备，用于实时血流动力学监测，并提出一种任务诱发的指标来识别认知参与期间发生的短暂氧合事件。方法：我们设计了一款四通道可穿戴fNIRS生物传感器，利用现成的电子元件将光学传感、信号采集和无线传输集成到一个紧凑的无缆平台中。该设备通过光功率线性度、ADC电压输入、脉冲光采集和信噪比分析进行表征。其性能通过前臂血管阻塞和屏气实验进行验证，随后在屏气任务、手指敲击、动态视觉刺激以及基于屏幕的空间学习与记忆任务期间进行皮层记录。我们进一步制定了任务诱发的差动氧流入量实例（tEIDO），该指标由氧合血红蛋白Δ[HbO]与脱氧血红蛋白Δ[Hb]之间的瞬时差动响应计算得出，作为任务锁定神经血管活动的血流动力学指标。结果：该设备在血管和屏气验证实验中可靠地检测到了预期的氧合和脱氧血红蛋白变化，并捕获了运动、视觉和额叶皮层上的任务诱发响应。tEIDO指标识别出了视觉刺激期间的短暂差动氧合事件，并揭示了与任务对齐的氧合动力学。在空间导航期间，差动氧合图谱显示仅在记忆获取完成后目标区域周围出现血流动力学调节。意义：所提出的BLE使能的fNIRS平台连同tEIDO指标，为无缆实时皮层血流动力学监测提供了一种紧凑而灵敏的方法，在移动神经成像、神经人机工程学、认知状态监测以及脑-机接口系统方面具有潜在应用价值。