当前位置：首页

利用单传感器功能近红外光谱(fNIRS)评估骑行者呼吸频率

分类：

行业动态

作者：

维拓启创

来源：

维拓启创

发布时间：

2023-07-03 09:17

访问量：

近年来，利用可穿戴系统测量生命体征在医疗保健和运动科学中掀起了一场技术革命，不但使得连续监测生理参数如心率（HR）、血压和呼吸频(RR)成为可能。而且大多数可穿戴系统还可以利用生物信号间接评估生理参数，如光电体积脉搏图(PPG)和心电图，这些数据在临床研究中具有重大意义。

可穿戴系统在静息状态下表现优异，但当受试者从事体育活动时，通常效果不佳。具体原因是生物信号对受试者的运动伪影具有极强敏感性，但这在体育活动中是不可避免的。在生理参数中，RR受运动伪影的影响最为严重从而很难评估。这时，功能性近红外光谱(fNIRS)的优越移动性、低成本和良好的运动耐受性成功引起了科学家的关注。

fNIRS是一种光学脑成像技术，不仅可量化与大脑皮层神经活动相关的含氧(O₂Hb)和脱氧(HHb)血红蛋白浓度，而且可提供比脑电图(EEG)更好的空间分辨率，在时间分辨率上也优于功能性磁共振成像(fMRI)。更重要的是，与其他生物信号监测技术相比，fNIRS具有更强的运动容忍度，即受试者的运动不一定会影响数据质量。由于fNIRS非侵入性和可移动性，fNIRS为户外研究和健身应用打开了新世界的大门。

呼吸是fNIRS的主要生理干扰之一，呈现为频谱范围（0.2-0.4 Hz）内的信号。这种干扰的原因是吸气和呼气过程中体内血液流动和呼吸振荡对脑血容量和血流量产生影响。

因此，可以合理推测fNIRS可以用于评估呼吸频率。由于PPG和fNIRS的测量原理相似，均是通过O₂Hb信号变化进行研究。脑血容量和血流变化与fNIRS输出成正比，PPG中表现出的呼吸调节与O₂Hb信号中的呼吸调节表现相似。因此，可以假设呼吸从频率、强度和振幅三个方面影响O₂Hb信号。之前的研究已经证实了利用静息状态的O₂Hb信号评估呼吸频率的可能性。然而，目前面临的最大挑战是在进行体育活动时评估受试者的呼吸频率。因此，研究者提出了使用fNIRS评估骑车时呼吸频率的方法。

图1.数据记录过程。示例O₂Hb信号及其相应的呼吸信号，以及其提取的呼吸调节和频谱。

图2.使用fNIRS评估RR的方法

研究者提出了一种新型融合方法，一个无线单传感器近红外光谱成像系统(PortaLite MKII, Artinis Medical Systems B.V，荷兰),呼吸胸带连接TMSi SAGA 32+/64+放大器(荷兰Twente Medical Systems International b.v.)，采样率为4000Hz。fNIRS系统配备了三个长通道(收发距离达41 mm)，记录标准波长为760和850 nm的数据，采样率为100 Hz。从O₂Hb信号中提取五种呼吸调节，基于每个调节主频率的平均值进行评估RR。研究结果表明，所提出的方法在绝对误差（AE）均值方面优于使用带通滤波得到的结果。