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大學最新研制開發(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或漫射光學層析成像(DOT)陣列。

LUMO系統(tǒng)配置包含36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42-1728個通道的數(shù)據(jù)；特有的擴散光學層析成像技術（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果。

功能性近紅外光譜成像技術(fNIRS)使用光來監(jiān)測人腦功能。該技術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，近紅外腦功能成像技術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)科學和臨床研究中有著較為廣泛的應用；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、腦機接口等領域的價值也逐漸被研究者所認識。具體應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：瓦片傳感器設計所形成的高密度采樣。

• 增大了測量的腦區(qū)范圍：瓦片傳感器的設計，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；

• 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；

• 靈活的配置：LUMO突破性的模塊化設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；

• 可擴展的設計：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。符合人體工程學的六邊形傳感器設計，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超掃描技術提供了比fMRI超掃描技術更為真實的實驗環(huán)境、比EEG超掃描技術更好的空間精度，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。結合EEG與fNIRS的多模態(tài)腦成像技術在認知神經(jīng)科學研究中有著很好的應用前景，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。

●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?？梢栽谕咂瑐鞲衅鲀?nèi)部和傳感器之間進行數(shù)據(jù)測量；使用兩個LUMO瓦片傳感器最多可以產(chǎn)生48個fNIRS通道；具有防光管設計；高品質光學過濾器，最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。

●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各種頭型；與頭皮接觸的光導管可拆卸，可適用于各種發(fā)質和人群。

●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)成像應用領域，包括運動領域、自然環(huán)境領域和嬰兒日常環(huán)境中的相關研究。

五、技術規(guī)格

六、同步方案

    UCL全系列功能性近紅外腦成像系統(tǒng)通過結合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、fNIRS近紅外腦成像，人體動作，行為觀察、面部表情、生物力學、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國家級高新技術企業(yè)、科技部認定的科技型中小企業(yè)和中關村高新技術企業(yè)，具備軍工國防武器裝備科研生產(chǎn)保密資質，具備自主進出口經(jīng)營權；自主研發(fā)的人因工程與工效學相關技術、產(chǎn)品與服務榮獲多項省部級科學技術獎勵、國家發(fā)明專利、國家軟件著作權和省部級新技術新產(chǎn)品（服務）認證；通過了歐洲 CE、美國 FCC、歐盟 RoHS、ISO9001、ISO14001、OHSAS18001 等多項國際認證和國家防爆認證。

津發(fā)科技設立人因工程專業(yè)的學術科研團隊、技術團隊及研發(fā)團隊，并通過多年與科研機構及高校的產(chǎn)學研合作，積累了人因與工效學領域多項核心技術，以及基于機器學習等人工智能算法的狀態(tài)識別和人機工效評價技術與研究方法等，是國內(nèi)領先的人因工程技術創(chuàng)新中心！津發(fā)科技的實驗室規(guī)劃建設技術團隊提供全方位的技術支持及售后服務，從實驗室建設的規(guī)劃與布局，到設備的培訓與指導，全方位多角度的進行實驗室建設的全生命周期的服務。

英國UCL倫敦大學學院生物醫(yī)學光學研究實驗室（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。與UCL的一體化意味著Gowerlabs在fNIRS設備的設計、制造和應用方面擁有無與倫比的經(jīng)驗，并且始終站在開發(fā)新技術和新數(shù)據(jù)分析方法的最前沿。Gowerlabs（UCL）fNIRS系統(tǒng)已在四大洲的機構中使用，包括：劍橋大學，牛津大學，倫敦大學學院，瑞典哥德堡大學，美國波士頓兒童醫(yī)院，美國普林斯頓大學和香港大學。

英國倫敦大學學院（UCL）是享譽世界的頂尖綜合研究型大學，在多個世界大學排行榜上位居全球前十。UCL生命科學暨臨床科學研究院擁有英國規(guī)模最大、最久負盛名的醫(yī)學和生命科學研究聚合體，以尖端教學及學術研究享譽全球。UCL腦科學學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領域處于世界領先地位，是全球公認的領導者。

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

LUMO是英國UCL大學最新研制開發(fā)的一款高密度可穿戴式近紅外腦成像系統(tǒng)。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1728個通道的數(shù)據(jù)；特有的擴散光學層析成像技術（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果。

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或漫射光學層析成像(DOT)陣列。

功能性近紅外光譜成像技術(fNIRS)使用光來監(jiān)測人腦功能。該技術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，近紅外腦功能成像技術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)科學和臨床研究中有著較為廣泛的應用；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、腦機接口等領域的價值也逐漸被研究者所認識。具體應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：瓦片傳感器設計所形成的高密度采樣。

• 增大了測量的腦區(qū)范圍：瓦片傳感器的設計，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；

• 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；

• 靈活的配置：LUMO突破性的模塊化設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；

• 可擴展的設計：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。符合人體工程學的六邊形傳感器設計，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超掃描技術提供了比fMRI超掃描技術更為真實的實驗環(huán)境、比EEG超掃描技術更好的空間精度，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。結合EEG與fNIRS的多模態(tài)腦成像技術在認知神經(jīng)科學研究中有著很好的應用前景，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。

• 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?？梢栽谕咂瑐鞲衅鲀?nèi)部和傳感器之間進行數(shù)據(jù)測量；使用兩個LUMO瓦片傳感器最多可以產(chǎn)生48個fNIRS通道；具有防光管設計；高品質光學過濾器，最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。

• ?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各種頭型；與頭皮接觸的光導管可拆卸，可適用于各種發(fā)質和人群。

• ?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)成像應用領域，包括運動領域、自然環(huán)境領域和嬰兒日常環(huán)境中的相關研究。

   

五、技術規(guī)格

六、同步方案

    UCL全系列功能性近紅外腦成像系統(tǒng)通過結合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、fNIRS近紅外腦成像，人體動作，行為觀察、面部表情、生物力學、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國家級高新技術企業(yè)、科技部認定的科技型中小企業(yè)和中關村高新技術企業(yè)，具備軍工國防武器裝備科研生產(chǎn)保密資質，具備自主進出口經(jīng)營權；自主研發(fā)的人因工程與工效學相關技術、產(chǎn)品與服務榮獲多項省部級科學技術獎勵、國家發(fā)明專利、國家軟件著作權和省部級新技術新產(chǎn)品（服務）認證；通過了歐洲 CE、美國 FCC、歐盟 RoHS、ISO9001、ISO14001、OHSAS18001 等多項國際認證和國家防爆認證。

津發(fā)科技設立人因工程專業(yè)的學術科研團隊、技術團隊及研發(fā)團隊，并通過多年與科研機構及高校的產(chǎn)學研合作，積累了人因與工效學領域多項核心技術，如人機環(huán)境同步技術、生理記錄與分析、眼動追蹤與眼控交互、工效學分析與動作姿態(tài)傷害評估、腦電測量與腦機交互、行為觀察與面部表情分析、以及基于機器學習等人工智能算法的評價技術與狀態(tài)識別研究方法等，是國內(nèi)領先的人因工程技術創(chuàng)新中心！津發(fā)科技技術團隊提供全方位的技術及售后服務，從實驗室建設的規(guī)劃與布局，到設備的培訓與指導，全方位多角度的進行實驗室建設的全生命周期的服務。

英國（UCL）倫敦大學學院生物醫(yī)學光學研究實驗室衍生了Gowerlabs。實驗室在過去30年中率先推廣了近紅外腦功能成像技術。與UCL的一體化意味著Gowerlabs在fNIRS設備的設計、制造和應用方面擁有無與倫比的經(jīng)驗，并且始終站在開發(fā)新技術和新數(shù)據(jù)分析方法的最前沿。Gowerlabs（UCL）fNIRS系統(tǒng)已在四大洲的機構中使用，包括：劍橋大學，牛津大學，倫敦大學學院，瑞典哥德堡大學，美國波士頓兒童醫(yī)院，美國普林斯頓大學和香港大學。

英國倫敦大學學院（UCL）是享譽世界的頂尖綜合研究型大學，在多個世界大學排行榜上位居全球前十。UCL生命科學暨臨床科學研究院擁有英國規(guī)模最大、最久負盛名的醫(yī)學和生命科學研究聚合體，以尖端教學及學術研究享譽全球。UCL腦科學學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領域處于世界領先地位，是全球公認的領導者。