بخشی از مقاله
چکیده - طیفسنجی مادون قرمز نزدیک عملکردی - fNIRS - یک روش تصویربرداری غیرتهاجمی است که در آن از نور ناحیه مادون قرمز نزدیک - 700 - - NIR تا 900 نانومتر - برای بررسی فعالیت های عملکردی مغز استفاده می شود. با این روش میتوان میزان تغییرات غلظتهای اُکسی-هموگولوبین و دیاُکسی-هموگلوبین را در حین انجام تکالیف شناختی اندازهگیری کرد. در این مقاله به موضوع ساخت دستگاه fNIRS موج-پیوسته و چهار کاناله به منظور بررسی فعالیت همودینامیک کورتکس در ناحیه پیش-پیشانی مغز افراد پرداخته شده است. به علاوه از این دستگاه برای اندازهگیری بار حافظه فعال در افراد در تکلیف N-back استفاده شده است.
-1 مقدمه
روش طیف سنجی فروسرخ نزدیک عملکردی،fNIRS، روشی ایمن، ارزان، غیرتهاجمی و قابل حمل برای بررسی سیگنالهای مغزی میباشد تاکنون برای کارهای شناختی مانند بررسی تمرکز و حالات هیجانی و درمان کودکان اوتیسم از این روش استفاده شده است. این روش تصویربرداری نوری مشابه روش 1 MRI تغییرات اکسیژنه بافت مغز را اندازهگیری میکند اما دستگاه fMRI بسیار حجیم گران قیمت و برای کودکان و افراد سالمند دارای محدودیتهایی میباشد. از طرفی دستگاه fNIRS یک مغز نگار قابل حمل، ارزان قیمت و با قابلیت استفاده برای افراد سالخورده و کودکان میباشد. [1]
در سامانه fNIRS از نور فروسرخ نزدیک 950 - ؛ - 650 نانومتر استفاده میشود. این نور از پوست سر، جمجه و مایع نخاعی عبور کرده و وارد کورتکس میشود. تغییرات زمانی غلظت سیگنالهای خونی - اکسی هموگلوبین و دی اکسی هموگلوبین - باعث تغییر در ضریب جذب کورتکس شده و لذا شدت نور خروجی از بافت کورتکس تغییر میکند. با اندازهگیری شدت میتوان تغییرات سیگنالهای خونی را بدست آورد. باتوجه به مطالعات انجام شده بین این تغییرات و کارکرد مغز ارتباط معناداری وجود دارد. ]2[
دستگاههای fNIRS عموما از سه بخش کلی کنترل کننده مرکزی، پراب و نرمافزار رابط تشکیل شدهاند - شکل - 1 که در ادامه توضیح داده میشوند. وظیفه کنترلکننده مرکزی، کنترل شدت نورها، دادهگیری، پیش پردازش و ارسال داده ها به کامپیوتر را بر عهده دارد. چیدمانی از آشکار سازها و منابع نوری روی پراب طراحی میشود. نرم افزار کامپیوتری نیز وظیفه دریافت و پس پردازش و نمایش دادههای ارسال شده از واحد کنترل کننده مرکزی را دارد. ما در این مطالعه نحوه طراحی و ساخت یک سامانه 4 fNIRSکاناله را ارائه خواهیم کرد و سپس به بررسی عملکرد آن در حوزه علوم شناختی خواهیم پرداخت به همین منظور یک بسته نرم افزاری شناختی N-Back برای سنجش میزان بار حافظه فعال افراد طراحی و مورد آزمون قرار گرفت.
-2 روش ساخت دستگاه fNIRS و بسته شناختی
1؛-2 کنترل کننده مرکزی
مدارهای الکترونیکی در این قسمت از چند طبقه مجزا تشکیل شدهاند که فعالیت کلی آنها از طریق میکرو پروسسور به شماره فنی - LPC1768 Philips - کنترل می-شود. با توجه به نمودار جذب بافت در ناحیه مادون قرمز نزدیک - شکل - 2، بهترین انتخاب برای منابع نوری طول موج های730 و 850 نانومتر بود که با در نظر گرفتن این موضوع به انتخاب منابع نوری پرداختیم.
شکل - - 2طیف جذبی اکسی هموگلوبین و دی اکسی هموگلوبین [3] ضمنا از منبع نوری به شماره فنی L4*730/4*805/4*850- - - 40Q96-I EPITEX LED استفاده شد که با توجه به برگه اطلاعاتی با اعمال جریانی 50 میلی امپر توان خروجی 30 میلی وات را به بافت اعمال میکند که برای تاباندن به ناحیه پیش پیشانی مناسب است. اولین قسمت مدار کنترلکننده مرکزی راه انداز منابع نوری با جریان ثابت و پایداری نسبتا بالا میباشد که سیگنال کنترلی خود را از طریق واحد آنالوگ به دیجیتال - - D/A در یافت میکند - شکل. - 3
طبقه بعدی مدار کنترل کننده مرکزی گیرنده سیگنال از فوتو دیودها میباشد که از تقویت برنامه پذیر - - PGA و فیلترهای آنالوگ - LPF - - HPF - تشکیل شدهاست - شکل. - 4 فیلتر آنالوگ بکار رفته از نوع سالن-کی مرتبه دو با نمودار مشخصه های زیر می باشد که با توجه به بازه فرکانسی فعالیت همودینامیکی - 0.01-0.7Hz - انتخاب مناسبی است.
سیگنال بعد از عبور فیلتر بالاگذر مولفه جریان ثابت خود را از دست داده پس طبقه بعدی مسئول اضافه کردن ولتاژ 1,5 ولت - - Offset adjustment بمنظور آماده شدن برای واحد تبدیل انالوگ به دیجیتال میباشد - A/D - - شکل. - 4 قسمت بعدی مبدل آنالوگ به دیجیتال با وضوح 12بیت و محدوده دینامیکی 3,3 ولت و سیگنال به نویز 110 دسی بل در فرکانس 1کیلو هرتز میباشد که بصورت داخلی در میکرو کنترلر قرار دارد .[4] سیگنالهای آنالوگ بعد از تبدیل از طریق واحد سریال - USART - به کامپیوتر میزبان - Host - فرستاده میشود. در این قسمت وظیفه کنترل کننده مرکزی پایان می یابد.
آشکارسازها است که با توجه به ناحیه پیش پیشانی و عمق نفوذ در ناحیه مذکور فاصله بین هر کانال نوری -فاصله بین منبع تا آشکارساز- 3 سانتی متر درنظر گرفته شد. از طرفی با توجه به فرکانس نور ورودی و شدت خروجی از فوتو آشکارسازهایی با شماره فنیOPT101 استفاده شده است. شکل - 5 - تصویری چیدمان پراب را نمایش میدهد.
3؛-2 نرم افزار کامپیوتری
بهمنظور پیاده سازی پردازشهای دیجیتال و نمایش داده-های دریافتی از کنترل کننده مرکزی نرم افزار کامپیوتری نوشته شده که 4 کانال داده را بصورت بلادرنگ نمایش می-دهد و از طرفی نرمافزار تکلیف شناختی بر روی آن اجرا میشود. از آزمون N-Back به عنوان تکلیف شناختی استفاده شد. به این صورت که از اشخاص درخواست میشود رو به رایانه نشسته و به صفحه نمایش نگاه کنند و 20 ثانیه ابتدایی هیچ تغییری در صفحه نمایش صورت نمیگیرد - حالت استراحت - و در پایان زمان مذکور اعداد به مدت 3 ثانیه روی صفحه نمایش ظاهر میشوند سپس عوض میشوند. اگر عدد نمایش یافته مشابه عدد قبلی - - 1-Back و مشابه دوعدد قبلی 2- - - Back باشد باید کلید F را روی صفحه کلید فشار دهد.
