[发明专利]用于经改善的生物信号采集的多光谱测量

说明书

实施例包括一种功能性近红外(fNIR)系统，所述功能性近红外系统包括：第一、第二和第三发光二极管(LED)以及光学检测器；以及至少一种存储介质，所述存储介质具有存储在其上的指令，所述指令用于使所述系统：(a)在第一和第二时间周期内从所述第一、第二和第三LED以第一、第二和第三波长发射光能，(b)基于所述发射的光能来确定第一、第二和第三光学密度变化以及第一和第二发色团浓度的变化；以及(c)基于所述确定的第一和第二发色团浓度的变化来确定第一、第二和第三吸收值并将其拟合至第一吸收光谱曲线。本文中对其他实施例进行了描述。

背景技术

功能性近红外光谱(fNIR)是非侵入式成像方法，所述方法涉及对从近红外(NIR)光衰减、时间或相变化的测量解析的发色团浓度进行量化。fNIR可以用于通过测量作为局部区域中的脑部活动的指示器的脑部中的血氧水平来检测脑部活动(即神经负荷)。具体地，fNIR可以使用处于两个不同波长处的红外发光二极管(LED)来检测确定脑部活动所需的血氧水平。红外(IR)波长经选择以处于组织、皮肤和骨骼的IR“窗口”内(例如，700nm-900nm)，并且对应于血红蛋白和氧合血红蛋白的IR吸收。可以使用经修改的比尔朗伯定律(Beer-Lambert law)来确定血红蛋白和氧合血红蛋白的浓度水平的变化：OD＝-log(I/I_o)＝ε[X]d×DPF+G，其中，OD为通过检测到的光强度I相对于入射的光强度I_o的负对数比率而确定的样本的光学密度。OD与组织的吸收系数ε相关，[X]为发色团浓度，并且d为光从源行进到检测器的净距离，所述净距离通过差分路径长度因子DPF缩放，并加上几何因子G。

附图说明

通过所附权利要求书、对一个或多个示例实施例的以下详细说明、以及相应附图，本发明实施例的特征和优点将变得明显。在认为适当的情况下，在附图当中重复参考标号以表示相应或相似的元件。

图1包括血红蛋白和氧合血红蛋白的吸收光谱曲线。

图2包括本发明的实施例中的将吸收值拟合至血红蛋白和氧合血红蛋白的吸收光谱曲线的过程。

图3包括本发明的实施例中的当氧合血红蛋白浓度为低且血红蛋白浓度为高时至血红蛋白和氧合血红蛋白的吸收光谱曲线的曲线拟合吸收值。

图4包括本发明的实施例中的当氧合血红蛋白浓度为高且血红蛋白浓度为低时至血红蛋白和氧合血红蛋白的吸收光谱曲线的曲线拟合吸收值。

图5包括本发明的实施例中的当氧合血红蛋白浓度与血红蛋白浓度彼此相似时至血红蛋白和氧合血红蛋白的吸收光谱曲线的曲线拟合吸收值。

图6包括本发明的实施例中的用于实现过程的系统。

具体实施方式

在以下描述中，阐述了许多特定细节，但是在没有这些特定细节的情况下也可以实践本发明的实施例。尚未详细示出公知的电路、结构和技术，以避免模糊对本说明书的理解。“一个实施例”、“各实施例”等指示这样描述的一个或多个实施例可以包括具体特征、结构、或特性，但并不是每个实施例必定包括这些具体特征、结构、或特性。某些实施例可具有针对其他实施例所描述的特征的一部分、全部、或不具有任何这些特征。“第一”、“第二”、“第三”等描述了共同对象并指示正提及的相似对象的不同实例。此类形容词并不暗示这样描述的对象在或者时间上、空间上、排名上、或以其他方式必须按照给定的顺序。

如之前所述的，常规fNIR系统由IR资源和IR检测器阵列组成，其中，所述IR资源在两个波长处。所述fNIR系统使用所述两个波长来确定血红蛋白与氧合血红蛋白的相对量(例如，浓度)，这可以提供对局部区域中的脑部活动的测量。这通过使用已知的值(诸如如图1中示出的血红蛋白与氧合血红蛋白的组织的本征摩尔消光系数ε)来完成。准确确定血红蛋白与氧合血红蛋白的相对量可能相当成问题，因为所接收的信号(例如，I/I_o)非常小并且具有大噪声分量。用于提高捕获数据的信噪比(SNR)的常规机制包括通过多个样本的时间平均法，这导致更长的测量时间。