英國UCL可穿戴高密度腦成像系統

UCL可穿戴近紅外腦功能成像系統

（LUMO高密度近紅外腦成像系統）

一、產品概述

英國UCL大學最新研制開發了LUMO高密度可穿戴式近紅外腦成像系統。LUMO系統具有重量輕、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境；獨創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，提高數據質量，提供連續、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個通道的數據；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）使用光來監測人腦功能。該技術通過將近紅外光傳輸到頭皮，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點，在認知神經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、多模態腦機接口研究、操作人的情緒狀態研究等。

二、產品特點

LUMO系統的核心優勢：瓦片傳感器設計所形成的高密度采樣。

• 增大了測量的腦區范圍：瓦片傳感器的設計，允許在傳感器之間進行數據采集，使得采樣區域更加密集而均勻，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據：研究表明，高密度采樣較傳統的fNIRS采樣方式能夠獲取更加可靠的腦功能數據結果。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據來源于大腦；

• 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，從而節省了寶貴的實驗時間；

• 可擴展的設計：LUMO系統是完全模塊化的，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建立自己的LUMO系統。

將瓦片傳感器與特制的LUMOCAP帽子結合，用戶可以快速創建高密度的fNIRS陣列，實現可與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：LUMO提供了fNIRS Hyperscanning腦功能超掃描解決方案，LUMO fNIRS超掃描系統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據同步。LUMO腦功能超掃描系統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、均勻的大腦覆蓋范圍，系統提供的平均皮層敏感性是傳統fNIRS的100倍。LUMO fNIRS腦功能超掃描系統操作方便、不受空間限制、不受眼動活動等的影響，故常被用于生態效度較高的環境中進行數據的收集。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多模態腦功能測試系統：UCL高密度近紅外腦功能成像系統可以和NeurOne高精度腦電測量系統搭配使用，將EEG和fNIRS進行整合發揮二者的優勢，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的多模態腦成像技術在認知神經科學研究中有著很好的應用前景，同時還可搭建多模態腦-機接口系統。

四、系統組成

LUMO系統主要由三部分組成：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部和傳感器之間進行數據測量；使用兩個LUMO瓦片傳感器最多可以產生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境光線干擾；瓦片傳感器內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，適用于無線神經成像應用領域，包括運動領域、自然環境領域和嬰兒日常環境中的相關研究。

五、技術規格

六、同步方案

    UCL全系列功能性近紅外腦成像系統通過結合ErgoLAB人機環境同步云平臺可以實現在不同實驗環境下對裝備及系統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人機環境同步云平臺與廣泛的數據同步，將近紅外腦成像數據與廣泛的數據同步，包括常用的生理數據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、人機交互。實現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可提供數據后期分析的強大工具。ErgoLAB人機環境同步云平臺綜合統計分析模塊包含多維度人-機-環境數據綜合分析、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境與生物力學信號分析）。系統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據，支持第三方集成與定制開發。

七、廠家介紹

北京津發科技股份有限公司是國家級高新技術企業、科技部認定的科技型中小企業和中關村高新技術企業，具備軍工國防武器裝備科研生產保密資質，具備自主進出口經營權；自主研發的人因工程與工效學相關技術、產品與服務榮獲多項省部級科學技術獎勵、國家發明專利、國家軟件著作權和省部級新技術新產品（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。

津發科技設立人因工程專業的學術科研團隊、技術團隊及研發團隊，并通過多年與科研機構及高校的產學研合作，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識別和人機工效評價技術與研究方法等，是國內領先的人因工程技術創新中心！津發科技的實驗室規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驗，并且始終站在開發新技術和新數據分析方法的最前沿。Gowerlabs（UCL）fNIRS系統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模最大、最久負盛名的醫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。

北京津發科技股份有限公司是國家級高新技術企業、科技部認定的科技型中小企業和中關村高新技術企業，具有自主研發與創新能力，具備自主進出口經營權；自主研發技術、產品與服務榮獲多項省部級科學技術獎勵、國家發明專利、國家軟件著作權和省部級新技術新產品（服務）認證；通過了歐洲CE、美國FCC、歐盟RoHS、ISO9001、ISO14001、OHSAS18001等多項國際認證和防爆產品認證。

津發科技致力于實驗室建設的專業化與特色化，提供實驗室、實驗實訓及科研基地建設的全過程服務與建設方案。產品技術涵蓋：認知神經科學技術、人機交互技術、可穿戴技術、人工智能技術、腦機接口技術、眼動追蹤技術、虛擬現實技術、面部表情分析及狀態識別技術、時空軌跡分析技術等；自主研發的人-機-環境同步云平臺可實時同步采集多通道人機環境測試數據，結合大數據平臺建立多模態大數據庫，并采用人工智能技術相關算法實現有效的監測、識別、預測、分析和評價模型等。

多年來在軍工國防武器裝備領域，以及教育科研領域積極推動人因與工效學技術進步，攜手眾多科研工作者進行聯合開發與科研實驗、人才培養、學術合作與產學研融合，聯合申報基金項目、科技項目等；承接和參與多項國家自然科學基金、國家重點研發計劃、科技項目和標準編制；承接科研院所和高校實驗室規劃建設、并通過產學研方式與學術和科研機構建立合作關系，聯合國家科研課題進行科技攻關，并聯合開發適合中國國情的基于人工智能和虛擬現實技術的人-機-環境測試與工效學評價等多項科研成果，致力于將人因與工效學科學方法和成果應用到國防和社會科技發展進步。

津發科技重視客戶服務質量、為客戶創造價值，致力于推動人因工程與工效學行業發展和青年人才培養，2012年起在國內率先發起“科研支持計劃”，無償支持人因工程領域青年學者進行科學研究；2014年工業和信息化部CSIP 與津發科技聯合共建“工信部CSIP-津發人因工程技術創新中心”，持續進行技術研發和基礎及應用創新研究； 2016年起聯合中國人類工效學學會發起“工效學卓越研究工程”并設立“CES-Kingfar基金（工效學會-津發優秀青年學者聯合研究基金CES‐Kingfar Excellent Young Scholar Joint Research Funding）”，借鑒國家自然科學基金的評審標準，對特別優秀的青年學者研究計劃書予以資助；2017年起聯合教育部高等教育司設立“人因與工效學”產學合作協同育人項目，并由高教司發布申報指南和立項名單；2019年起與國際工效學聯合會（IEA）設立國際獎項The IEA/Kingfar HFE Research Award“人因與工效學卓越研究獎”，旨在表彰世界各地為解決發展中國家典型人因工程問題而取得高質量人因工程與工效學研究成果的個人，以期改善發展中國家人民的福祉；2019年中國人類工效學學會聯合北京津發科技股份有限公司正式啟動中國首屆HFE Award全國人因與工效學創新大賽。

津發科技將持續以推動人因工程發展為己任，在軍工國防和教育科研各領域推動人因與工效學技術進步，為中國教育科研事業的發展提供服務。
 

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