A custom tranceiver IC is designed to implement a portable brain imaging system based on functional near-infrared-spectroscopy (fNIRS) and the way to select optimum wavelength pairs is analyzed based on wavelength dependent optical properties. The fNIRS IC generates multichannel time-divided spread-spectrum codes and drives light emitting devices in the transmitter (Tx) chain, and performs optimum filtering, quantization, and serialization in the receiver chain. A dual slope ADC subsequent to an operational transconductance amplifier-C (OTA-C) based matched filter shares a capacitor to save area while achieving optimum signal-to-noise ratio (SNR) in the brain channel. The receiver (Rx) chain including an off-chip TIA ensures sufficient electrical SNR irrespective of the brain region for the accurate extraction of hemodynamic response. The minimum detectable light power of the Rx chain is 400 fW. The output power of the Tx is made adjustable by controlling the occurrence rate and the power of the time-divided spread-spectrum code to reduce subject dependent measurement variations. The proposed fNIRS system uses 780nm and 850nm pair to extract hemodynamics from detected signals and the validity of used wavelength pair is proved by comparison of contrast-to-noise ratio (CNR) depends on the input SNR and hemodynamics changes. The proposed fNIRS system measures 3cm separated 48 brain regions simultaneously, and the experimental results clearly verify the validity of the proposed portable fNIRS system.
기능성 근적외선 뇌 영상장치 (fNIRS) 기반의 휴대가능한 뇌 이미징 시스템을 구현하기 위하여 송수신 IC를 자체적으로 개발하였으며 최적의 파장 조합 선택을 위하여 파장을 변수로 하는 뇌의 광 특성들을 토대로 분석을 하였다. fNIRS용 IC는 다수의 시간 및 코드 분할 신호를 생성해내며 이는 송신단을 통해 레이져 광원을 동작시킨다. 또한 수신단은 정합 필터 기반의 최적의 필터링 기법이 적용되었으며 디저털화 된 후, 시리얼라이징 되어 IC 외부로 추출된다. OTA-C 기반의 정합필터와 듀얼 슬롭 ADC 는 캡을 공유하여 IC 면적을 효과적으로 사용하였으며 AWGN 채널이라 볼 수 있는 뇌를 투과한 신호를 최적의 SNR로 수신할 수 있었다. 측정 위치에 따른 신호 세기의 변화가 심하기 때문에 IC 외부에 큰 gain을 갖는 TIA를 구현하였으며 이렇한 시스템을 기반으로 최소 측정 가능한 광 파워를 측정한 결과 400fW의 성능을 보였다. 송신단의 출력 파워는 피험자간 및 측정 영역간의 신호 투과도 정도를 감안하여 원할한 수신 신호를 만들기 위하여 시간 및 코드분할 신호의 duty 및 세기를 조절할 수 있도록 하였다. 제안하는 fNIRS 시스템은 780nm와 850nm 파장을 사용하여 대뇌를 투과한 광신호로부터 헤모다이나믹스 정보를 추출해내며 사용된 파장 조합의 유효성은 입력 SNR과 예상되는 헤모다이나믹스 변화량 기반의 CNR 비교분석을 통해 확인하였다. 제안하는 fNIRS 시스템은 3cm 기반의 48 영역을 전두엽 대상으로 동시 측정 가능하며 다양한 실험 결과들을 바탕으로 시스템 유효성을 검증하였다.
