利用單傳感器功能近紅外光譜(fNIRS)評估騎行者呼吸頻率

近年來，利用可穿戴系統(tǒng)測量生命體征在醫(yī)療保健和運動科學(xué)中掀起了一場技術(shù)革命，不但使得連續(xù)監(jiān)測生理參數(shù)如心率（HR）、血壓和呼吸頻(RR)成為可能。而且大多數(shù)可穿戴系統(tǒng)還可以利用生物信號間接評估生理參數(shù)，如光電體積脈搏圖(PPG)和心電圖，這些數(shù)據(jù)在臨床研究中具有重大意義。
 

可穿戴系統(tǒng)在靜息狀態(tài)下表現(xiàn)優(yōu)異，但當(dāng)受試者從事體育活動時，通常效果不佳。具體原因是生物信號對受試者的運動偽影具有極強敏感性，但這在體育活動中是不可避免的。在生理參數(shù)中，RR受運動偽影的影響最為嚴(yán)重從而很難評估。這時，功能性近紅外光譜(fNIRS)的優(yōu)越移動性、低成本和良好的運動耐受性成功引起了科學(xué)家的關(guān)注。
 

fNIRS是一種光學(xué)腦成像技術(shù)，不僅可量化與大腦皮層神經(jīng)活動相關(guān)的含氧(O₂Hb)和脫氧(HHb)血紅蛋白濃度，而且可提供比腦電圖(EEG)更好的空間分辨率，在時間分辨率上也優(yōu)于功能性磁共振成像(fMRI)。更重要的是，與其他生物信號監(jiān)測技術(shù)相比，fNIRS具有更強的運動容忍度，即受試者的運動不一定會影響數(shù)據(jù)質(zhì)量。由于fNIRS非侵入性和可移動性，fNIRS為戶外研究和健身應(yīng)用打開了新世界的大門。
 

呼吸是fNIRS的主要生理干擾之一，呈現(xiàn)為頻譜范圍（0.2-0.4 Hz）內(nèi)的信號。這種干擾的原因是吸氣和呼氣過程中體內(nèi)血液流動和呼吸振蕩對腦血容量和血流量產(chǎn)生影響。

因此，可以合理推測fNIRS可以用于評估呼吸頻率。由于PPG和fNIRS的測量原理相似，均是通過O₂Hb信號變化進行研究。腦血容量和血流變化與fNIRS輸出成正比，PPG中表現(xiàn)出的呼吸調(diào)節(jié)與O₂Hb信號中的呼吸調(diào)節(jié)表現(xiàn)相似。因此，可以假設(shè)呼吸從頻率、強度和振幅三個方面影響O₂Hb信號。之前的研究已經(jīng)證實了利用靜息狀態(tài)的O₂Hb信號評估呼吸頻率的可能性。然而，目前面臨的最大挑戰(zhàn)是在進行體育活動時評估受試者的呼吸頻率。因此，研究者提出了使用fNIRS評估騎車時呼吸頻率的方法。
 

圖2.使用fNIRS評估RR的方法

研究者提出了一種新型融合方法，一個無線單傳感器近紅外光譜成像系統(tǒng)(PortaLite MKII, Artinis Medical Systems B.V，荷蘭),呼吸胸帶連接TMSi SAGA 32+/64+放大器(荷蘭Twente Medical Systems International b.v.)，采樣率為4000Hz。fNIRS系統(tǒng)配備了三個長通道(收發(fā)距離達41 mm)，記錄標(biāo)準(zhǔn)波長為760和850 nm的數(shù)據(jù)，采樣率為100 Hz。從O₂Hb信號中提取五種呼吸調(diào)節(jié)，基于每個調(diào)節(jié)主頻率的平均值進行評估RR。研究結(jié)果表明，所提出的方法在絕對誤差（AE）均值方面優(yōu)于使用帶通濾波得到的結(jié)果。
 

圖3.根據(jù)從78個隨機選擇的試驗中獲得的最低平均AE，調(diào)整常數(shù)A以確定RR的最大頻率。
 

圖4、便攜式腦電采集分析系統(tǒng)SAGA及電極示例

這項研究的重要意義在于它解決了在體育活動中對RR的估計，利用fNIRS的運動容忍性，克服了傳統(tǒng)生物信號的實際局限。此外，該方法還證明可從近紅外光譜信號中提取一個額外參數(shù)，即RR，該參數(shù)可以與腦激活分析一起使用。

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