The NIRS produces functional brain images by analyzing the hemodynamic responses measured from neighboring pairs of sources and detectors. The spatial resolution of the NIRS is determined by the distance between the source and detector, which should be at least 2cm in order to detect the light passing deep into the cerebral layer. This being the case, the resolution of the conventional NIRS, in which a single channel source and detector are placed alternately, is limited by the minimum separation requirement of the sources and detectors. The placement of multiple source and detector pairs in a 2cm region with alternating extractions of the data in the time domain can improve the spatial resolution. However, the spatial resolution trade-offs with the temporal resolution in this case. We propose an efficient data extraction method for increased spatial resolution in the NIRS without sacrificing the temporal resolution. The performance improvement is attributed to high-signal-to-noise-ratio (SNR) receivers, a modulation scheme, and a MIMO based data extraction algorithm without hardware overhead. The proposed system shows a 2x over increment in the figure of merit (FOM) compared to conventional designs and the experimental results support the validity of the proposed system.
In circuit implementation, we use simplified structures to decrease IC size with SNR improvement. The single channel detecting circuit is composed by low noise TIA with AC coupling passive components; the matched filter with current DAC based the programmable gain amplifier (PGA) and the single slope ADC. Each structure is differential structure to eliminate common noise term. The matched filter synchronized at input signal to increase SNR in gaussian channel. The integrator in the matched filter integrates charge in the large output capacitor proportional to input signal. This integrated charge is continuously discharged by cur-rent substractor as the counter count the discharge time until the differential signals are crossed. This opera-tion is single slope ADC and the counter output is ADC output. The single channel is expanded to 96 channels to cover whole head of human. We set the 8 single channels to a unit to transport multichannel ADC output in a single port by serializer operated fast clock. From these structures, we can design minimized the detecting circuit with high SNR.
근적외선 영상장치 (NIRS) 는 레이져와 포토 다이오드 배열을 통해 측정 된 헤모다이나믹스 정보를 바탕으로 하여 뇌의 이미지를 추출한다. 레이져에서 나온 빛은 대뇌피질을 거친 후에 포토 다이오드에 도달해야 하기 때문에 적어도 2cm 이상의 간격이 필요하며 이는 NIRS의 공간 해상도를 나타낸다. 따라서 레이져와 포토 다이오드가 반복적으로 구성되어 있는 경우에는 NIRS의 공간해상도가 낮다는 한계를 갖는다. 따라서 기존의 연구들 중에는 시분할 다원접속을 사용하여 공간해상도를 향상시켰지만 연속적인 측정이 불가능하다는 단점을 발생시켰다. 따라서 우리는 시간해상도를 높게 유지하며 공간해상도를 향상시킬 수 있는 효율적 헤모다이나믹스 정보 추출 방법을 고안하였다. 이는 높은 신호 대 잡음비 (SNR)과 변조, 다중입출력 기반의 데이터 추출 알고리즘을 이용하여 가능하였다. 제안한 시스템은 기존의 모델들에 대해 약 2배 이상의 FOM 증가를 이루었으며 측정 결과는 제안한 시스템의 실현 가능성을 입증하였다.
제안한 레이져와 포토 다이오드 구조를 이용하여 인간의 머리 전체의 헤모다이나믹스 정보를 측정하기 위해서는 높은 SNR을 유지하며 적은 면적을 차지하는 IC가 필요하다. 단일 리시버는 직류성분을 제거할 수 있는 저잡음의 전치증폭기, 게인 조절이 가능한 정합 필터 그리고 단일 기울기ADC로 구성되며 공통형 잡음제거하기 위해 차등 구조로 구현하였다. 정합 필터는 입력 신호와 위상을 정확히 일치시킴으로써 향상된 SNR을 얻을 수 있었으며 내부에 사용되는 큰 크기의 축전기를 ADC와 공유함으로써 공간 효율을 높였다. ADC는 다양한 방법들 중, 사이즈를 가장 줄일 수 있는 단일 기울기로 구현하였다. 멀티 채널 ADC 출력 비트들은 직렬화기를 통해 하나의 출력 핀으로 합침으로써 96개의 채널을 적은 수의 핀으로 측정이 가능하게 되었다. 위의 구조들을 통하여 높은 SNR을 가지며 사이즈가 최소화 된 NIRS 리시버를 구현하였다.