当人类的大脑进行潜水时：使用近红外光谱来测量精英自由潜水者在进行深度屏气潜水时的大脑和心血管反应
对自由活体动物的血流动力学和氧合变化的连续测量一直难以实现。现在，生物医学技术的发展可能有助于填补这一知识空白。其中一项技术是连续波近红外光谱技术(CW-NIRS)，这是一种可穿戴的非侵入性光学技术。在本次实验中，我们开发了一种浸水式CW-NIRS系统，并将其布置在优秀的自由潜水比赛选手身上，测试其在深度达到米的深水自由潜水时的功能。采用近红外光谱法测定氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度变化，监测脑血流动力学变化、氧合、动脉饱和度和心率。
1.引言
动物(如海豹和人类)重复或长时间屏气潜水的能力的核心是一系列心血管反应，统称为“潜水反应”，通过降低消耗率来节省氧气。潜入水中后，潜水哺乳动物通过外周动脉收缩实现显着的血液再分配，优先将大部分心输出量分配到高优先级组织，如大脑、心脏、肾上腺和内脏器官。显着降低的心率、适度降低的每搏输出量和降低的心肌收缩力可以补偿增加的外周阻力（主要指血液在小动脉和微动脉内流动时所遇到的阻力）；使左心室输出至优先匹配的血管床并减少静脉回流。虽然这些对潜水的心血管调节降低了血氧消耗率，延长了潜水动物的有氧潜水时间，促进了高效觅食，延长了人类的呼吸暂停时间，但到目前为止，它们的研究主要局限于实验室测量。
尽管对潜水反应的机制驱动和调节因素有广泛的了解，但在自由潜水过程中，潜水反应的基本组成部分，例如组织特异性灌注和氧合，如何在几次潜水之间和不同潜水项目之间变化，以及它对血气紧张和气体管理的影响是有限的。可穿戴生物医学设备的进步，如连续波近红外光谱(CW-NIRS)，可能为缩小这种知识差距提供了一个关键工具。
CW-NIRS是一种基于光学的非侵入性技术，可测量氧合血红蛋白[ΔO2Hb]和脱氧血红蛋白[ΔHHb]的相对浓度变化。[ΔO2Hb]和[ΔHHb]的变化可以提供相对血容量变化、混合动静脉组织特异性血红蛋白氧饱和度（组织饱和指数（TSI））、动脉氧饱和度（SpO2）的高分辨率测量值，以及心率和心脏波形的信息类似于光电容积描记法）。
在这里，我们描述了一种自定义开发的空间分辨连续波近红外光谱CW-NIRS标记用于人类深海潜水的应用，为作为潜水动物生理测量技术的CW-NIRS测试提供了一个有用的潜水模型。我们监测了精英自由潜水员在海上自主深潜时的脑血容量(CBV)、脑组织饱和指数TSI、动脉氧饱和度SpO2、心率和潜水行为的变化。
2.研究方法
人体潜水试验
Figure1.监测精英自由潜水员的潜水生理变化和行为变化。(a)NIRS传感器头在前额叶皮层上的位置（红框）。(b)NIRS传感器主体（红框，右）和LittleLeonardoW-PD3GT（黄框，左）的各自位置。
五名精英男子自由潜水员，都是活跃的参赛者，自愿在训练潜水期间参与实验。PortaDiver和LittleLeonardoW-PD3GT生物记录设备在每次记录之前在船上时连接到潜水员身上。PortaDiver传感器主体放置在潜水员的潜水服内。PortaDiver传感器头插入潜水员左眼上方的潜水服头罩中，位于前额叶皮层上方的前额（Figure1.）。LittleLeonardo用低强度电缆扎带夹在潜水员的配重带（Figure1.）上，以确保如果仪器缠绕在一起，它会从自由潜水员身上脱落。然后，潜水员在整个自由潜水训练过程中都按照自己的意愿进行操作。安全员在所有潜水期间都在场。在每次潜水开始前，所有潜水员都使用“packing”来填充高于正常总肺活量的气体到肺部。潜水训练内容是在三个深度竞赛项目中选择的：使用脚蹼或单蹼的CWT/CWTB（八次潜水），CNF（四次潜水）和FIM（五次潜水）。当潜水员完成了他们的训练内容并离开了水域，仪器就被移除了。涉及自由潜水员的科学程序符合赫尔辛基协议，并获得医学与健康研究伦理区域委员会(Dnr-)的批准。
心率提取
采用心率推导算法从近红外光谱信号中提取心率。该算法包括三个步骤：（i）预处理，（ii）心率提取，以及（iii）心率校正。在预处理步骤中，使用0.1~4hz的阶零相位带通有限脉冲响应滤波器。这有效地减少了运动和系统伪影在数据中的影响，提供了更可靠的心跳检测。在心率提取步骤中，应用AMPD方法检测预处理信号中的峰值点。AMPD是一种适用于噪声周期和准周期信号的自动峰值检测算法。它是在计算和分析局部极大值标度图的基础上产生的一个矩阵，包括出现的尺度相关的局部极大值。应用AMPD峰值检测算法后，通过计算峰值与峰值时间间隔得到瞬时心率。然后通过三次插值构建连续的心率信号。在心率校正步骤中，采用了一种心率评估的方法，以减少峰值检测误报引起的误差。在这种方法中，最初为每个提取的心率值定义了一个允许范围。偏差允许范围分布在提取前4s(m)心率的均值附近。允许偏差是由心率信号从开始到当前时间心率信号的总标准偏差(SD)与之前4秒的标准偏差(s.d)的加权(k=21)之比产生的。超出允许范围(mkSD=s:d:,HR,mtkSD=s:d:)的提取心率被移除，并使用三次样条对数据进行插值替换。
动脉血氧饱和度提取
通过使用近红外光谱监测，可以在手指、耳垂和前额等人体不同部位检测到与心脏相关的搏动信号。这些脉冲信号的探测是由于心动周期收缩期间动脉血容量的增加，引起光的衰减的结果。因此，在光信号中检测到的振荡可以归因于动脉血液，其饱和度与两个或多个波长的光密度的振荡成分有关。脉搏血氧仪利用这些脉冲信号计算动脉血氧饱和度（SpO2）。我们在这里利用相同的原理使用NIRS计算动脉血氧饱和度（SpO2）。SpO2提取在MATLAB(TheMathWorksInc.,Natick,MA,USA)中进行，该算法由三个步骤组成：(i)预处理，(ii)频谱图（光谱图）生成，以及(iii)SpO2计算。在预处理步骤中，将0.4Hz的三阶零相位巴特沃斯滤波器应用于测量结果，生成过滤后的氧合血红蛋白浓度[ΔO2Hb]和还原血红蛋白浓度[ΔHHb]的频谱图（光谱图），从中可以观察到心率随时间的变化。在频谱图中的特定时间点，通过峰值频率分量识别心率，并提取该频率下氧合血红蛋白浓度[ΔO2Hb]和还原血红蛋白浓度/缺氧血红蛋白[ΔHHb]的频谱功率。在每个时间点使用这些值计算SpO2，使得SpO2=[ΔO2HbHR]/[ΔO2HbHR+ΔHHbHR]。通常，使用10-35秒的区间大小（平均值=26.3秒），通过该区间计算一个快速傅立叶变换FFT（快速傅立叶变换：利用计算机计算离散傅里叶变换（DFT)的高效、快速计算方法的统称。具体内容过于复杂，有兴趣的请自行研究），并从中提取一个SpO2值。因为SpO2值被分配到时间区间的中心时间点，所以在测量开始和结束的区间值的一半之前无法计算SpO2值。
通过脉冲平均分析自由潜水员心脏波形
为了研究与潜水相关的心脏波形和心率的潜在变化，以及潜在指示性的血压和/或血管顺应性变化，实验分析了整个心动周期的脉搏形状，并特别