英國UCL可穿戴高密度腦成像系統(tǒng)
UCL可穿戴近紅外腦功能成像系統(tǒng)
（LUMO高密度近紅外腦成像系統(tǒng)）
一、產(chǎn)品概述
英國UCL大學(xué)研制開發(fā)了LUMO高密度可穿戴式近紅外腦成像系統(tǒng)。LUMO系統(tǒng)具有重量輕、可穿戴的特點，不需要光纖，可適用于任何年齡和各種真實自然環(huán)境；獨創(chuàng)的六邊形傳感器可以在不同帽子和通道組合之間靈活調(diào)整與升級配置，通過允許跨傳感器的多距離光源-探測器形成測量通道，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，提供連續(xù)、均勻高密度的到腦覆蓋范圍，形成高密度fNIRS或漫射光學(xué)層析成像（DOT）陣列。
LUMO系統(tǒng)配置包含32個光源，48個探測器（可選18個光源，24個探測器），可同時獲得高達48-1728個通道的數(shù)據(jù)；特有的擴散光學(xué)層析成像技術(shù)（DOT）能以接近fMRI功能性核磁共振成像的空間分辨率顯示血紅蛋白濃度變化結(jié)果。
功能性近紅外光譜成像技術(shù)（fNIRS）使用光來監(jiān)測人腦功能。該技術(shù)通過將近紅外光傳輸?shù)筋^皮，然后在幾厘米遠的地方檢測散射回頭皮的光，可以測量大腦中氧合和脫氧血紅蛋白濃度的變化。由于腦活動和局部血流之間存在密切的聯(lián)系，血紅蛋白濃度的這些變化提供了腦功能的可靠度量。
相比其他腦功能成像技術(shù)，近紅外腦功能成像技術(shù)具有良好的空間分辨率、較高的采樣率、更多的測量指標、良好的舒適性和較低的成本等優(yōu)點，在認知神經(jīng)科學(xué)和臨床研究中有著較為廣泛的應(yīng)用；同時由于其抗運動干擾性強、便攜可穿戴等特點，系統(tǒng)在運動科學(xué)、腦機接口等領(lǐng)域的價值也逐漸被研究者所認識。具體應(yīng)用案例包括駕駛員的認知負荷研究、多模態(tài)腦機接口研究、操作人的情緒狀態(tài)研究等。
二、產(chǎn)品特點
LUMO系統(tǒng)的核心優(yōu)勢：瓦片傳感器設(shè)計所形成的高密度采樣。
1. 增大了測量的腦區(qū)范圍：瓦片傳感器的設(shè)計，允許在傳感器之間進行數(shù)據(jù)采集，使得采樣區(qū)域更加密集而均勻，大大增加了大腦測量范圍，避免了錯過某個大腦皮層的可能性；
2. 更加可靠的腦功能數(shù)據(jù)：研究表明，高密度采樣較傳統(tǒng)的fNIRS采樣方式能夠獲取更加可靠的腦功能數(shù)據(jù)結(jié)果。只進行某一固定間距（30mm）的測量方式極易受到來自頭皮的信號污染的影響；LUMO 對每個光源和探測器均提供了多個短距離的通道，這些通道可以用來檢測、分離和移除頭皮信號的干擾。只有采用高密度采樣，用戶才能真正確定所采集的數(shù)據(jù)來源于大腦；
3. 靈活的配置：LUMO突破性的模塊化設(shè)計使研究人員可以隨時在不同的帽子和陣列配置之間切換，從而節(jié)省了寶貴的實驗時間；
4. 可擴展的設(shè)計：LUMO系統(tǒng)是完全模塊化的，這意味著用戶可以從少量傳感器開始，并在預(yù)算允許的范圍內(nèi)建立自己的LUMO系統(tǒng)。
將瓦片傳感器與特制的LUMOCAP帽子結(jié)合，用戶可以快速創(chuàng)建高密度的fNIRS陣列，實現(xiàn)可與fMRI分辨率媲美的3D腦功能成像。
三、功能應(yīng)用
1、fNIRS Hyperscanning腦功能超掃描系統(tǒng)：LUMO提供了fNIRS Hyperscanning腦功能超掃描解決方案，LUMO fNIRS超掃描系統(tǒng)的模塊化設(shè)計可以提供2人以上實時同步進行腦功能超掃描測試使用并支持完全的數(shù)據(jù)同步。LUMO腦功能超掃描系統(tǒng)支持有線和無線兩種運行模式，單人可達48-1728通道。符合人體工程學(xué)的六邊形傳感器設(shè)計，通過允許跨傳感器的多距離光源-探測器形成測量通道（10-50mm），提供了連續(xù)、均勻的大腦覆蓋范圍，系統(tǒng)提供的平均皮層敏感性是傳統(tǒng)fNIRS的100倍。LUMO fNIRS腦功能超掃描系統(tǒng)操作方便、不受空間限制、不受眼動活動等的影響，故常被用于生態(tài)效度較高的環(huán)境中進行數(shù)據(jù)的收集。fNIRS超掃描技術(shù)提供了比fMRI超掃描技術(shù)更為真實的實驗環(huán)境、比EEG超掃描技術(shù)更好的空間精度，正成為認知與行為研究中的重要研究工具。
2、EEG-fNIRS多模態(tài)腦功能測試系統(tǒng)：UCL高密度近紅外腦功能成像系統(tǒng)可以和NeurOne高精度腦電測量系統(tǒng)搭配使用，將EEG和fNIRS進行整合發(fā)揮二者的優(yōu)勢，EEG的時間分辨率高，但是空間分辨率低；fNIRS的時間分辨率低，實時性較差，但是空間分辨率高。為了準確、全面、實時的測量大腦在認知過程中的活動，實現(xiàn)全面、實時的腦成像方式無疑是一種更好的策略。結(jié)合EEG與fNIRS的多模態(tài)腦成像技術(shù)在認知神經(jīng)科學(xué)研究中有著很好的應(yīng)用前景，同時還可搭建多模態(tài)腦-機接口系統(tǒng)。
四、系統(tǒng)組成
LUMO系統(tǒng)主要由三部分組成：LUMOTILE瓦片傳感器、LUMOCAP帽子和LUMOHUB集成器。
1. LUMOTILE瓦片傳感器：LUMO系統(tǒng)的核心部件，是一個六邊形瓦片狀傳感器。每個傳感器包含三個近紅外光源和四個探測器。可以在瓦片傳感器內(nèi)部和傳感器之間進行數(shù)據(jù)測量；使用兩個LUMO瓦片傳感器可以產(chǎn)生48個fNIRS通道；具有防光管設(shè)計；高品質(zhì)光學(xué)過濾器，極大限度地抑制周圍環(huán)境光線干擾；瓦片傳感器內(nèi)部光源與探測器間距為10mm和20mm，瓦片傳感器之間的光源與探測器間距為50mm；符合人體工程學(xué)特點，帽子連接簡單快捷；可與3D定位系統(tǒng)配合使用；重量小于6g。
2. LUMOCAP帽子：由氯丁橡膠制成不同尺寸的帽子，每個帽子都包含一組基座，可將瓦片傳感器插入其中，采用印制電路板將多個基座組合在一起，使帽子可以拉伸和適應(yīng)各種頭型；與頭皮接觸的光導(dǎo)管可拆卸，可適用于各種發(fā)質(zhì)和人群。
3. LUMOHUB集成器：可在有線或無線模式下運行，有線模式下使用線纜將帽子與HUB集成器連接，再將HUB集成器通過USB線與筆記本電腦連接。每個HUB集成器可同時連接多達三頂LUMOCAP，以便同步采集。LUMOHUB AIR無線集成器可佩帶在上臂或塞進口袋里，適用于無線神經(jīng)成像應(yīng)用領(lǐng)域，包括運動領(lǐng)域、自然環(huán)境領(lǐng)域和嬰兒日常環(huán)境中的相關(guān)研究。
五、技術(shù)規(guī)格
配置選項 | fNIRS 6×8 | fNIRS 18×24 | fNIRS 36×48 |
光源 | 6 | 18 | 36 |
探測器 | 8 | 24 | 48 |
通道數(shù) | 48 | 432 | 1728 |
光源波長 | 735 nm, 850 nm | ||
光二極管 | 感光面積：2.77 x 2.77 mm | ||
數(shù)據(jù)采集 | 16 Bit ADC | ||
可穿戴部件重量 | 120 g | 170 g | 240 g |
六、同步方案
UCL全系列功能性近紅外腦成像系統(tǒng)通過結(jié)合ErgoLAB人機環(huán)境同步云平臺可以實現(xiàn)在不同實驗環(huán)境下對裝備及系統(tǒng)進行主觀和客觀定量的人機交互測試、人因與工效學(xué)分析與評價：通過ErgoLAB人機環(huán)境同步云平臺與廣泛的數(shù)據(jù)同步，將近紅外腦成像數(shù)據(jù)與廣泛的數(shù)據(jù)同步，包括常用的生理數(shù)據(jù)GSR皮膚電，呼吸和心率等、EEG腦電，眼動、人體動作，行為觀察、面部表情、生物力學(xué)、人機交互。實現(xiàn)極低延遲的同步水平同時確保您的整體方案的便攜性。
如果研究人員希望得到比實時觀察更深入、全面的結(jié)論，ErgoLAB可提供數(shù)據(jù)后期分析的強大工具。ErgoLAB人機環(huán)境同步云平臺綜合統(tǒng)計分析模塊包含多維度人-機-環(huán)境數(shù)據(jù)綜合分析、EEG腦電分析與可視化、眼動分析與可視化、行為觀察分析、面部表情分析、動作姿態(tài)傷害評估與工效學(xué)分析、交互行為分析、時空行為分析、車輛與駕駛行為分析（ErgoLAB駕駛版本）、HRV心率變異性分析、EDA/GSR皮電分析、RESP呼吸分析、EMG肌電分析、General通用信號分析（如SKT皮溫分析、EOG眼電分析以及其他環(huán)境與生物力學(xué)信號分析）。系統(tǒng)具備專門的信號處理模塊以及開放式信號處理接口，可以直接導(dǎo)出可視化分析報告以及原始數(shù)據(jù)，支持第三方集成與定制開發(fā)。
七、廠家介紹
北京津發(fā)科技股份有限公司是高新技術(shù)企業(yè)、科技部認定的科技型中小企業(yè)和中關(guān)村高新技術(shù)企業(yè)，具備軍工國防武器裝備科研生產(chǎn)保密資質(zhì)，具備自主進出口經(jīng)營權(quán)；自主研發(fā)的人因工程與工效學(xué)相關(guān)技術(shù)、產(chǎn)品與服務(wù)榮獲多項省部級科學(xué)技術(shù)獎勵、發(fā)明、軟件著作權(quán)和省部級新技術(shù)新產(chǎn)品（服務(wù)）認證；通過了歐洲CE、美國 FCC、歐盟 RoHS、ISO9001、ISO14001、OHSAS18001 等多項國際認證和防爆認證。
津發(fā)科技設(shè)立人因工程專業(yè)的學(xué)術(shù)科研團隊、技術(shù)團隊及研發(fā)團隊，并通過多年與科研機構(gòu)及高校的產(chǎn)學(xué)研合作，積累了人因與工效學(xué)領(lǐng)域多項核心技術(shù)，以及基于機器學(xué)習(xí)等人工智能算法的狀態(tài)識別和人機工效評價技術(shù)與研究方法等，是的人因工程技術(shù)創(chuàng)新中心！津發(fā)科技的實驗室規(guī)劃建設(shè)技術(shù)團隊提供全面的技術(shù)支持及售后服務(wù)，從實驗室建設(shè)的規(guī)劃與布局，到設(shè)備的培訓(xùn)與指導(dǎo)，全面多角度的進行實驗室建設(shè)的全生命周期的服務(wù)。
英國UCL倫敦大學(xué)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)光學(xué)研究實驗室（BORL）衍生了Gowerlabs。實驗室在過去30年中率先推廣了近紅外光譜腦功能成像技術(shù)。與UCL的一體化意味著Gowerlabs在fNIRS設(shè)備的設(shè)計、制造和應(yīng)用方面擁有無與倫比的經(jīng)驗，并且始終站在開發(fā)新技術(shù)和新數(shù)據(jù)分析方法的前沿。Gowerlabs（UCL）fNIRS系統(tǒng)已在四大洲的機構(gòu)中使用，包括：劍橋大學(xué)，牛津大學(xué)，倫敦大學(xué)學(xué)院，瑞典哥德堡大學(xué)，美國波士頓兒童醫(yī)院，美國普林斯頓大學(xué)和香港大學(xué)。
英國倫敦大學(xué)學(xué)院（UCL）是享譽世界的綜合研究型大學(xué)，在多個世界大學(xué)排行榜上位居前十。UCL生命科學(xué)暨臨床科學(xué)研究院擁有英國久負盛名的醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)研究聚合體，以前沿教學(xué)及學(xué)術(shù)研究享譽。UCL腦科學(xué)學(xué)院在控制身體機能的神經(jīng)通路、認知和心理等確定人類行為的研究和教學(xué)領(lǐng)域處于引領(lǐng)地位，是公認的引領(lǐng)者。
