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fNIRS分时与分频采集技术讲清楚

发表时间: 2022-08-10 17:14:13

作者: 丹阳慧创医疗设备有限公司

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分时是新的第三代技术,无干扰
  • 分频是近红外的第二代技术,干扰大且无法避免

  • 分时是近红外的新的第三代技术,无干扰!

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通道串扰问题 

目前主流fNIRS成像系统,往往涉及数十个探头与拓扑排布的数十甚至上百个通道,系统复杂度越来越大,其中最重要问题之一的就是通道串扰问题。

▲ 图1 探头、通道与串扰的关系示意

如图1所示,只有红色标识的连线是有效的目标通道;而大量的灰黑色连线代表串扰噪声来源。进一步的,我们关注S1-D1通道时,对于该通道,只有光源S1发射且经过组织散射吸收后被探测器D1接收到的信号才是包含该通道对应下方脑活动信息的有效信号。如果D1接收S2、S4以及其他光源S的信号,对于S1-D1通道来说,就是无效信号的串扰干扰。


大量串扰干扰信号的存在会导致各通道无法独立、有效、准确地反映出真实脑区活动信息。

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分频采集技术的原理

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▲ 图2 分频原理示意

分频方法采用调制不同频率的光信号,混杂在一起同时点亮,再由接收端一起接收。如图2所示,信号先天的在硬件上杂乱地混在一起,无论怎样通过软件尝试还原,该方法从技术原理上就不可避免大量的信号串扰。这就和分频原理的收音机和对讲机总是会出现杂音、串台一样。

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  ▲ 图3 所有通道的光同时发射同时接收,信号混杂在一起,串扰无法避免

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分时采集技术的原理

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▲ 图4 分时原理示意图

分时采集的方法,每个通道(S)光源非常快地依次点亮和切换,同一时刻,只有目标光源和目标探测器在工作;绝对避免通道间的串扰!是零串扰的方法。

如图4所示,各通道会按照采样频率设置依次进行fNIRS信号采集,相邻的光源切换极快,远远快于血氧信号的变化。由于分时间隔极其小,足够快,在毫秒尺度,所以不影响对血氧信号的同步获取。大脑皮层毛细血管的血氧浓度变化信号,受氧代谢和血流动力学影响,是一个秒级缓慢变化的信号,因而毫秒尺度的快速采样不影响同步。

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▲ 图5 任一时刻仅有一个通道发射接收,没有串扰!

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总结

分频是第二代技术,干扰大且无法避免;

分时是新的第三代技术,无干扰;

近红外分时技术的采样频率是11Hz,也就是每秒采样11次。即使功能磁共振fMRI信号,即BOLD信号(1~2秒扫一张图,约0.5~1Hz),也可以准确反应脑氧活动(BOLD和fNIRS一样,都检测的是血氧活动的氧气载体:血红蛋白)的时间变化情况。fNIRS目前选用10Hz左右的采样频率,是fMRI采样率10到20倍,对于脑血氧已充分快了。这也是为什么目前国内外品牌机型都采用的是10Hz左右的采样率。


文章来源:

https://mp.weixin.qq.com/s__biz=MzU5NzA3ODUxMg==&mid=2247499322&idx=1&sn=4ce776777cd983dbb9fe8f004aa5a573&chksm=fe5a46a5c92dcfb3f135f6545b3c6c74dcf28b95ba0df89ac84f3b80dfd613dfd8ef56f3d2c4&token=1109805355&lang=zh_CN#rd


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