认知与脑功能测试- fNIRS近红外脑功能成像
英国UCL可穿戴高密度脑成像系统
UCL可穿戴近红外脑功能成像系统
（LUMO高密度近红外脑成像系统）
一、产品概述
英国UCL大学最新研制开发了LUMO高密度可穿戴式近红外脑成像系统。LUMO系统具有重量轻、可穿戴的特点，不需要光纤，可适用于任何年龄和各种真实自然环境；独创的六边形传感器可以在不同帽子和通道组合之间灵活调整与升级配置，通过允许跨传感器的多距离光源-探测器形成测量通道，提高数据质量，提供连续、均匀高密度的到脑覆盖范围，形成高密度fNIRS或漫射光学层析成像（DOT）阵列。
LUMO系统配置包含32个光源，48个探测器（可选18个光源，24个探测器），可同时获得高达48-1728个通道的数据；特有的扩散光学层析成像技术（DOT）能以接近fMRI功能性核磁共振成像的空间分辨率显示血红蛋白浓度变化结果。
功能性近红外光谱成像技术（fNIRS）使用光来监测人脑功能。该技术通过将近红外光传输到头皮，然后在几厘米远的地方检测散射回头皮的光，可以测量大脑中氧合和脱氧血红蛋白浓度的变化。由于脑活动和局部血流之间存在密切的联系，血红蛋白浓度的这些变化提供了脑功能的可靠度量。
相比其他脑功能成像技术，近红外脑功能成像技术具有良好的空间分辨率、较高的采样率、更多的测量指标、良好的舒适性和较低的成本等优点，在认知神经科学和临床研究中有着较为广泛的应用；同时由于其抗运动干扰性强、便携可穿戴等特点，系统在运动科学、脑机接口等领域的价值也逐渐被研究者所认识。具体应用案例包括驾驶员的认知负荷研究、多模态脑机接口研究、操作人的情绪状态研究等。
二、产品特点
LUMO系统的核心优势：瓦片传感器设计所形成的高密度采样。
1.增大了测量的脑区范围：瓦片传感器的设计，允许在传感器之间进行数据采集，使得采样区域更加密集而均匀，大大增加了大脑测量范围，避免了错过某个大脑皮层的可能性；
2.更加可靠的脑功能数据：研究表明，高密度采样较传统的fNIRS采样方式能够获取更加可靠的脑功能数据结果。只进行某一固定间距（30mm）的测量方式极易受到来自头皮的信号污染的影响；LUMO 对每个光源和探测器均提供了多个短距离的通道，这些通道可以用来检测、分离和移除头皮信号的干扰。只有采用高密度采样，用户才能真正确定所采集的数据来源于大脑；
3.灵活的配置：LUMO突破性的模块化设计使研究人员可以随时在不同的帽子和阵列配置之间切换，从而节省了宝贵的实验时间；
4.可扩展的设计：LUMO系统是完全模块化的，这意味着用户可以从少量传感器开始，并在预算允许的范围内建立自己的LUMO系统。
将瓦片传感器与特制的LUMOCAP帽子结合，用户可以快速创建高密度的fNIRS阵列，实现可与fMRI分辨率媲美的3D脑功能成像。
三、功能应用
1、fNIRS Hyperscanning脑功能超扫描系统：LUMO提供了fNIRS Hyperscanning脑功能超扫描解决方案，LUMO fNIRS超扫描系统的模块化设计可以提供2人以上实时同步进行脑功能超扫描测试使用并支持完全的数据同步。LUMO脑功能超扫描系统支持有线和无线两种运行模式，单人可达48-1728通道。符合人体工程学的六边形传感器设计，通过允许跨传感器的多距离光源-探测器形成测量通道（10-50mm），提供了连续、均匀的大脑覆盖范围，系统提供的平均皮层敏感性是传统fNIRS的100倍。LUMO fNIRS脑功能超扫描系统操作方便、不受空间限制、不受眼动活动等的影响，故常被用于生态效度较高的环境中进行数据的收集。fNIRS超扫描技术提供了比fMRI超扫描技术更为真实的实验环境、比EEG超扫描技术更好的空间精度，正成为认知与行为研究中的重要研究工具。
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2、EEG-fNIRS多模态脑功能测试系统：UCL高密度近红外脑功能成像系统可以和NeurOne高精度脑电测量系统搭配使用，将EEG和fNIRS进行整合发挥二者的优势，EEG的时间分辨率高，但是空间分辨率低；fNIRS的时间分辨率低，实时性较差，但是空间分辨率高。为了准确、全面、实时的测量大脑在认知过程中的活动，实现全面、实时的脑成像方式无疑是一种更好的策略。结合EEG与fNIRS的多模态脑成像技术在认知神经科学研究中有着很好的应用前景，同时还可搭建多模态脑-机接口系统。
四、系统组成
LUMO系统主要由三部分组成：LUMOTILE瓦片传感器、LUMOCAP帽子和LUMOHUB集成器。
1.LUMOTILE瓦片传感器：LUMO系统的核心部件，是一个六边形瓦片状传感器。每个传感器包含三个近红外光源和四个探测器。可以在瓦片传感器内部和传感器之间进行数据测量；使用两个LUMO瓦片传感器最多可以产生48个fNIRS通道；具有防光管设计；高品质光学过滤器，最大限度地抑制周围环境光线干扰；瓦片传感器内部光源与探测器间距为10mm和20mm，瓦片传感器之间的光源与探测器间距为50mm；符合人体工程学特点，帽子连接简单快捷；可与3D定位系统配合使用；重量小于6g。
2.LUMOCAP帽子：由氯丁橡胶制成不同尺寸的帽子，每个帽子都包含一组基座，可将瓦片传感器插入其中，采用印制电路板将多个基座组合在一起，使帽子可以拉伸和适应各种头型；与头皮接触的光导管可拆卸，可适用于各种发质和人群。
3.LUMOHUB集成器：可在有线或无线模式下运行，有线模式下使用线缆将帽子与HUB集成器连接，再将HUB集成器通过USB线与笔记本电脑连接。每个HUB集成器可同时连接多达三顶LUMOCAP，以便同步采集。LUMOHUB AIR无线集成器可佩带在上臂或塞进口袋里，适用于无线神经成像应用领域，包括运动领域、自然环境领域和婴儿日常环境中的相关研究。
五、技术规格
配置选项 fNIRS 6×8 fNIRS 18×24 fNIRS 36×48
光源 6
18
36
探测器
8
24 48
通道数 48
432
1728
光源波长 735 nm, 850 nm
光二极管 感光面积：2.77 x 2.77 mm
数据采集
16 Bit ADC
可穿戴部件重量
120 g
170 g 240 g
六、同步方案
? ??UCL全系列功能性近红外脑成像系统通过结合ErgoLAB人机环境同步云平台可以实现在不同实验环境下对装备及系统进行主观和客观定量的人机交互测试、人因与工效学分析与评价：通过ErgoLAB人机环境同步云平台与广泛的数据同步，将近红外脑成像数据与广泛的数据同步，包括常用的生理数据GSR皮肤电，呼吸和心率等、EEG脑电，眼动、人体动作，行为观察、面部表情、生物力学、人机交互。实现极低延迟的同步水平同时确保您的整体方案的便携性。
如果研究人员希望得到比实时观察更深入、全面的结论， ErgoLAB可提供数据后期分析的强大工具。ErgoLAB人机环境同步云平台综合统计分析模块包含多维度人-机-环境数据综合分析、EEG脑电分析与可视化、眼动分析与可视化、行为观察分析、面部表情分析、动作姿态伤害评估与工效学分析、交互行为分析、时空行为分析、车辆与驾驶行为分析（ErgoLAB驾驶版本）、HRV心率变异性分析、EDA/GSR皮电分析、RESP呼吸分析、EMG肌电分析、General通用信号分析（如SKT皮温分析、EOG眼电分析以及其他环境与生物力学信号分析）。系统具备专门的信号处理模块以及开放式信号处理接口，可以直接导出可视化分析报告以及原始数据，支持第三方集成与定制开发。
七、厂家介绍
北京津发科技股份有限公司是国家级高新技术企业、科技部认定的科技型中小企业和中关村高新技术企业，具备军工国防武器装备科研生产保密资质，具备自主进出口经营权；自主研发的人因工程与工效学相关技术、产品与服务荣获多项省部级科学技术奖励、国家发明专利、国家软件著作权和省部级新技术新产品（服务）认证；通过了欧洲 CE、美国 FCC、欧盟 RoHS、ISO9001、ISO14001、OHSAS18001 等多项国际认证和国家防爆认证。
津发科技设立人因工程专业的学术科研团队、技术团队及研发团队，并通过多年与科研机构及高校的产学研合作，积累了人因与工效学领域多项核心技术，以及基于机器学习等人工智能算法的状态识别和人机工效评价技术与研究方法等，是国内领先的人因工程技术创新中心！津发科技的实验室规划建设技术团队提供全方位的技术支持及售后服务，从实验室建设的规划与布局，到设备的培训与指导，全方位多角度的进行实验室建设的全生命周期的服务。
英国UCL伦敦大学学院生物医学光学研究实验室（BORL）衍生了Gowerlabs。实验室在过去30年中率先推广了近红外光谱脑功能成像技术。与UCL的一体化意味着Gowerlabs在fNIRS设备的设计、制造和应用方面拥有无与伦比的经验，并且始终站在开发新技术和新数据分析方法的最前沿。Gowerlabs（UCL）fNIRS系统已在四大洲的机构中使用，包括：剑桥大学，牛津大学，伦敦大学学院，瑞典哥德堡大学，美国波士顿儿童医院，美国普林斯顿大学和香港大学。
英国伦敦大学学院（UCL）是享誉世界的顶尖综合研究型大学，在多个世界大学排行榜上位居全球前十。UCL生命科学暨临床科学研究院拥有英国规模最大、最久负盛名的医学和生命科学研究聚合体，以尖端教学及学术研究享誉全球。UCL脑科学学院在控制身体机能的神经通路、认知和心理等确定人类行为的研究和教学领域处于世界领先地位，是全球公认的领导者。
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