Sensors | 一秒测出大脑活动—应用于功能性脑成像的硅光电倍增管系统

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近日，法国格勒诺布尔大学的大卫·米格尔（David Orive-Miguel）教授及其团队在Sensors期刊上发表了一篇文章，他们使用搭载了双波长光源的硅光电倍增管探测器建立了一个近红外漫射光学层析成像系统，用于测量组织中有氧血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度变化。近红外漫射光学层析成像系统是一种适用于功能性脑成像的无创光学成像技术，而以硅光电倍增管为基础建立的时间分布漫射光学层析成像系统则是该领域中相当前沿的研究。在自动开关的帮助下，米格尔教授及其团队所设计的系统可以在一秒之内测量出大脑活动的变化。

实验设计

如图1所示，此系统基于同一个激光驱动器控制的两个激光二极管。它们提供了两种波长不同但频率重复的光脉冲。每个激光器输出点都配备了自己的瞄准器，瞄准器上还装有可变光衰减器来调整输入光纤的激光功率。通过使用合适长度的光纤，此系统能够以12 ns左右的延迟来区分两种波长(先：820 nm；后：670 nm)。输出的光束被聚焦到由9个开关所控制的核心输入光纤上，以获得1:1成像。由微控制器驱动，9个开关连续工作，将输入波长输出到9个通道。实验中使用的6个输出通道均能在一秒内实现循环现象，从而能够以大于1 Hz的帧率进行血流动力变化的层析重建。

图1. 实验装置设计图

实验对象

三名健康的成年人，其血压均在正常区间之内。

两组体内实验

臂套静脉与动脉闭塞实验；手指敲击实验。

01

臂套静脉与动脉闭塞实验

臂套静脉与动脉闭塞实验中，在受试者前臂上部放置了探测器，左臂佩戴手动血压计臂套(图2)。静脉闭塞实验的过程包含60 s休息期，30 s 100 mmHg闭塞期，以及90 s恢复期。由于臂套的压力并未超过会引起血管闭塞的舒张压数值，所以受到阻塞的只有手臂的输出血液流动。动脉闭塞实验的过程包含60 s休息期，120 s 250 mmHg闭塞期，以及120 s恢复期。每位受试者重复进行三遍实验。实验过程中，静脉和动脉都被闭塞，因此手臂的输入和输出血液流动都完全受到了阻塞。

图2. 臂套实验实拍图

实验结果显示：

1. 在静脉闭塞实验的闭塞期(60 s-90 s)，由于流入其前臂的血液并未受到阻塞，因此受试者的有氧和脱氧血红蛋白浓度均有所上升；

2. 在动脉闭塞实验闭塞期开始的前10 s，受试者的有氧和脱氧血红蛋白浓度经历了短暂上升，而在进入闭塞期后，脱氧血红蛋白浓度上升，有氧血红蛋白浓度以同等速率降低。闭塞期结束后，有氧血红蛋白浓度由于动脉血液突然流通而激增。

02

手指敲击实验

手指敲击实验包含了三项激活大脑皮质区的实验。这三种实验中受试者要完成不同的任务，分别为敲左手手指，敲右手手指，不敲手指。手指敲击的顺序为：(1)拇指触碰食指，(2)拇指触碰无名指，(3)拇指触摸中指，(4)拇指触摸小拇指。三名受试者均参与了大脑皮质区激活实验。实验过程中，受试者必须尽可能快地按照上述顺序重复敲击手指，每次实验包含20 s休息期，20 s任务期和20 s恢复期。实验重复5次，总持续时间300 s。为测量大脑左右半球的血流动力变化，探测器按照10-20脑电图国际系统标准放置于受试者头部(图3)。

图3. 手指敲击实验中大脑活动探测器实拍图

实验结果显示：

本系统在1 s内可清晰地检测到其中两名受试者左右脑的有氧和脱氧血红蛋白浓度变化。

结语

本系统使用硅光电倍增管建立了完整的光学层析成像系统，通过两种体外测试，实现了在一秒内对大脑皮质区活动变化的测量。该光学成像系统具有反应灵敏，错误率低的突出优点。未来，作者考虑改进探测器及其辅助电子设备，解决信号均衡、抗电磁干扰能力和设备发热方面的问题。另外，作者也考虑改进探测器的设计，以增强探测器和受试者头部之间的接触。

Sensors (ISSN 1424-8220) 于2001年创刊，2019年最新影响因子为3.275，在JCR 'Instruments & Instrumentation'学科分类中排名居Q1(15/64)；2019 Citescore 为5.0，在 Scopus 'Physics and Astronomy: Instrumentation' 学科分类中排名居Q1(17/129)。作为一个国际型开放获取期刊，Sensors主要刊载传感器科学和技术研究领域的学术文章，采取单盲同行评审，一审周期约为15天，文章从接收到发表仅需2.6天。

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原文出自Sensors期刊

Orive-Miguel, D.; Di Sieno, L. et al.Real-Time Dual-Wavelength Time-Resolved Diffuse Optical Tomography System for Functional Brain Imaging Based on Probe-Hosted Silicon Photomultipliers. Sensors 2020, 20, 2815.

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版权声明：

*翻译作者：Chloe Guo

*本文内容由MDPI中国办公室编辑负责撰写，一切内容请以英文原版为准。如需转载，请邮件联系：

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