基于不同敏感深度的近红外无创脑功能活动检测方法及脑力负荷评估研究

The measurement of brain activity with near infrared spectroscopy is of great scientific significance and application value for deeply analyzing the neural information processing course, revealing the higher brain function and understanding the brain disease mechanism. However, the physiological interference, motion artifact, layered heterogeneous characteristics, crosstalk increase the difficulty of the precise measurement of brain activity, and also restrict the further study and development of the application fields. In view of the above problems, this project presented the methodology for brain activity measurement based on different sensitive depth of the brain according to the correlation between the sensitive depth and the source-detector distance. The optical imaging probe will be designed and optimized by utilizing photon propagation model. The imaging algorithm of brain activity measurement will then be explored based on the multi-distance matching. The project will also carry out the research on the layered heterogeneity and multi-component characteristic of physiological interference, analyze the correlation between the "bad activator" and the layered heterogeneity, and improve the precision of the signal extraction for high heterogeneity by constructing optimization algorithm. For revealing the changes in brain function and brain activity level associated with perceptual, cognitive and physical tasks, this project will at last carry out mental workload assessment. The research of this project will recur to international cooperation, multidisciplinary cooperation and the innovative achievements will comprehensively promote the development of functional near infrared spectroscopy.

基于近红外光谱技术的脑功能活动检测，对深入分析神经信息加工过程、揭示脑的高级功能以及理解脑疾病机理具有重大的科学意义和应用价值。人体生理干扰、运动伪迹、脑组织非层状特性、串扰问题增加了脑功能活动检测的难度，制约了应用领域的深入研究和拓展。针对以上问题，本项目以敏感深度与光源检测器间距相关为出发点，提出基于不同敏感深度的脑功能活动检测方法。利用光子传输模型实现光学成像传感探头的设计与优化，探索基于多距匹配的脑功能成像算法。研究脑组织非层状特性及生理干扰多成分特性等复杂问题对脑功能检测的影响，通过在体实验统计分析无效激活现象与非层状特性的关联性，并构建优化算法提高脑组织非均匀性严重情况下的脑活动信号提取精度。为揭示与知觉、认知和体力任务相联系的脑功能的变化和脑活动的水平，开展脑力负荷评估的前沿性应用研究。项目的研究将借助国际合作，多学科交叉，其创新性成果将全面推进功能近红外光谱技术的发展。

本项目属于功能近红外光谱技术的研究范畴，利用近红外光谱技术检测大脑皮质层中氧合血红蛋白和还原血红蛋白浓度变化，从而间接实现对脑功能活动的分析。针对脑功能活动检测过程存在的生理干扰、粗差、脑组织非均匀性等问题，研究相应的解决方法，从而提高脑功能信号的检测精度，同时利用光学仿真和建模方法研究光学参数检测中的光学传感探头的布局和优化问题，建立基于不同敏感深度的近红外检测方法。利用大脑激励疲劳度不同测试脑功能活动信号。本项目的具体研究内容包括：（1）基于脑功能活动的光学仿真研究，研究大脑活动动态过程的光子传输仿真方法，综合考虑生理干扰、汗液及表皮温度变化等因素对组织光学特性影响，针对动态过程时间序列模拟的耗时问题，研究加速方法；（2）基于不同敏感深度的光学探头布局设计与优化研究；（3）针对生理干扰问题，研究脑功能信号提取方法，根据人体的生理特征抑制由心脏跳动和呼吸引起的生理干扰；（4）针对脑组织非均匀性的复杂问题，探索针对生理干扰的多成分特点以及干扰成分分布不均匀的问题实现对脑功能活动信号的准确检测；（5）针对光学检测过程中产生的粗差问题，研究近红外脑功能信号抗差估计方法。（6）通过刺激诱发的脑功能活动，分析了大脑不同工作状态的血液动力学变化，并实现对脑功能活动过程脑功能变化进行实时监测。.通过本项目的研究，共发表科技论文10 篇，其中SCI 收录2 篇，EI 收录4篇；申请国家发明专利3 项，其中1 项已授权，2 项已受理，获得哈尔滨市自然科学学术成果奖2项。