新型可穿戴“头盔”设备允许无创光学脑成像
脑成像技术的最新进展促进了对大脑及其功能的精确、高分辨率观察。例如，功能近红外光谱(fNIRS)是一种广泛使用的非侵入性成像技术，它利用近红外光(波长>700 nm)，通过血红蛋白光吸收模式的差异来确定大脑中血红蛋白的相对浓度。
大多数非侵入性大脑扫描系统使用连续波fNIRS，其中组织被持续的光子流照射。然而，这些系统不能区分散射光子和吸收光子。这项技术的最新进展是时域(TD)-fNIRS，它使用皮秒光脉冲和快速探测器来估计光子在组织中的散射和吸收。然而，这种系统价格昂贵，结构复杂，外形尺寸大，限制了它们的广泛采用。
为了克服这些挑战，来自神经技术公司Kernel的研究人员开发了一种基于TD-fNIRS技术的可穿戴耳机。该设备被称为“内核流”，重2.05公斤，包含52个模块，排列在头部两侧的四个板中。内核流系统的规格和性能都在生物医学光学杂志(JBO)．
耳机模块有两个激光源，可以产生小于150皮秒宽的激光脉冲。然后光子被棱镜反射，并在光源管道中结合，将光束引导到头皮。激光脉冲穿过头皮后，被6根直径2毫米的弹簧探测器光管捕获，然后传输到6个六边形排列的探测器，距离激光源10毫米。探测器将光子到达时间记录为直方图，并能够处理高光子计数率(超过1 × 10)9每秒计数)。
为了证明其性能，内核流系统被用来记录两名参与者在执行手指敲击任务时的大脑信号。在测试过程中，从整个大脑收集了2000多个通道的直方图，以测量氧性血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度的变化。
该系统被发现与传统的TD-fNIRS系统相匹配。该研究的通讯作者、Kernel首席技术官Ryan Field解释说:“我们用我们的小型化设备展示了与台式系统类似的性能，其特点是TD-fNIRS和人类神经科学结果的标准化组织和光学幻影协议。”
虽然结果很有希望，但菲尔德承认还需要更多的测试，因为某些头发和皮肤对近红外光的吸收是不同的。“我们目前正在用内核流收集数据，以展示更多的人类神经科学应用。我们还在评估该系统在不同头发和皮肤类型下的性能。”
Kernel Flow将大规模TD-fNIRS系统包装成可穿戴形式，提供下一代无创光学脑成像设备。像Kernel Flow这样的系统将使神经成像更容易获得，从而为健康和科学带来广泛的好处。例如，FDA最近批准了一项使用内核流系统来测量氯胺酮对大脑的迷幻作用的研究。
JBO的客座编辑、德国环境健康研究中心的Dimitris Gorpas评论说:“这是世界上第一个可穿戴的全头部覆盖TD-fNIRS系统，它保持或改进了现有台式系统的性能，并有可能实现其使神经测量成为主流的使命。我真的很期待大脑尚未揭示的东西。”
参考: Ban HY, Barrett GM, Borisevich A，等。核流:一个高通道数可扩展的时域功能近红外光谱系统。JBO．27 2022;(7): 074710。doi:10.1117/1. jbo.27.7.074710
本文已从以下地方重新发布材料．注:材料的长度和内容可能经过编辑。如需进一步信息，请联系所引用的来源。
