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方法文章

利用功能性近红外光谱（fNIRS）神经影像技术研究全球儿童发育：以撒哈拉以南非洲农村地区为例

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DOI：

10.3791/57165

⸱

2018年2月2日

 , 
1Linguistics and Cognitive Science Department, University of Delaware, 2Haskins Laboratories, 3Centre de Recherche et d'Action pour la Paix

本文内容

摘要

便携式神经影像技术（功能性近红外光谱成像）推动了对以往难以触及地区人脑研究的发展，此处指位于农村的科特迪瓦。方法学上的创新以及文化适配性神经影像方案的开发，使得研究人员能够在贫困与逆境程度较高的环境中，开展关于大脑发育及儿童学习成果的全新研究。

摘要

便携式神经影像技术为研究脑功能和脑发育带来了新的进展，使得以往难以接触的人群和偏远地区的研究成为可能。本文展示了在科特迪瓦农村村庄环境中，应用野外功能近红外光谱成像（fNIRS）技术研究儿童语言、阅读及认知发展的方法。通过方法学上的创新以及文化适配性神经影像协议的建立，实现了 首次深入研究在较少被关注的环境中儿童大脑发育与学习成果之间的关系。本文展示了移动实验室的运输与搭建方案，探讨了现场神经影像与实验室神经影像的差异与注意事项，并提供了制定神经影像知情同意程序以及与当地政府和科研合作伙伴建立有意义的长期合作关系的指导。便携式神经影像方法可用于研究复杂的儿童发展背景，包括严重贫困和逆境对大脑发育的影响。本文所述方案专为在科特迪瓦实施而开发，该国是全球最主要的可可产地，可可产业中童工现象的报道屡见不鲜。然而，目前对童工现象如何影响儿童大脑发育与学习能力仍知之甚少。现场神经影像技术有望为这些紧迫问题以及全球儿童的发展研究提供新的见解。

引言

便携式功能性近红外光谱成像（fNIRS）使得在实验室外、以往难以触及的环境中或针对研究较少的人群开展脑功能与脑发育研究成为可能。目前认知神经科学领域的大部分知识来源于在西方国家的大学或医院实验室环境中进行的成像研究。这种研究设计无形中导致了一个鲜被提及的研究问题：当前关于大脑的许多认知主要基于那些能够方便进入（主要是西方国家）实验室环境的受试者所开展的研究。也就是说，大多数神经影像学研究的参与者通常居住在靠近神经影像实验室的区域，并拥有参与研究所需的时间和资源。作为一门学科，认知神经科学旨在理解大脑及其发育影响因素，包括儿童所处环境及其早期生活经历对大脑发育产生的强大影响1,2,3。能够提升该领域在更广泛人类经验范围内研究发育过程的方法，将极大推动人们对大脑发育与塑造其发展的生命经历之间复杂关系的理解。

本文介绍了一种用于野外神经成像的研究方案，该方案专为在撒哈拉以南非洲农村地区（特别是科特迪瓦南部）开展研究而设计。该野外神经成像研究项目的目标是了解在文盲风险较高的环境中儿童阅读能力的发展情况。尽管科特迪瓦的小学入学率高达93%，但该国青年（15至24岁）的识字率仅为53%4。科特迪瓦是全球最主要的可可产地，可可农业领域中约有130万名童工5。然而，目前对于童工现象对大脑发育和学习能力（尤其是阅读学习）的影响知之甚少。应用认知神经科学的最新工具，即便携式神经成像技术 ，可为儿童的学习成果提供有价值的科学见解。 例如，利用功能性近红外光谱成像（fNIRS）进行野外神经成像，有助于识别神经发育的关键时期，在这些时期实施有针对性的教育项目或干预措施可能对儿童的学习成果产生最大影响。

功能性近红外光谱成像（fNIRS）非常适合开展现场研究。与功能性磁共振成像（fMRI）类似，fNIRS通过测量大脑的血流动力学反应6来实现神经成像。然而，fNIRS采用一系列发光的光学探头和光探测器，而非产生电磁场。与脑电图（EEG）不同，fNIRS对测试区域及其附近是否存在金属无任何限制，也无需进行电磁屏蔽。fNIRS的一个主要优势是其便携性（i.e., 某些系统可装入一个手提箱中）和操作简便性。fNIRS也适用于儿童研究：实验过程中儿童可舒适地坐在椅子上，且fNIRS系统对运动的耐受性优于fMRI。与fMRI相比，fNIRS在记录过程中可分别测量脱氧血红蛋白（HbR）和氧合血红蛋白（HbO），而fMRI仅提供综合的血氧水平依赖（BOLD）信号。fNIRS的时间分辨率优于fMRI，采样率通常在 ~7–15 Hz 范围内。fNIRS具有良好的空间分辨率；其在人脑皮层的探测深度虽小于fMRI，约为3至4 cm，但非常适合研究皮层功能，尤其适用于颅骨比成人更薄的婴儿和儿童3,7,8,9,10。

本野外神经影像学方案概述了在资源有限的环境中携带和搭建便携式神经影像实验室时需考虑的事项。该方案还强调了与当地科学合作伙伴建立有意义的长期合作关系的重要性，并阐述了这种合作模式如何促进当地科研能力的建设。文中演示了通过一系列语言、阅读和认知任务采集和分析功能性近红外光谱（fNIRS）脑数据的神经影像学方案，包括为影像学研究制定符合文化背景的知情同意程序的建议。尽管该方案主要针对科特迪瓦农村地区学龄儿童的认知发展研究而设计，但其同样适用于各种在条件艰苦、资源匮乏环境下开展的野外神经影像学研究，并可根据新的研究情境进行调整和应用。

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方案

本文所述所有方法均已获得特拉华大学机构审查委员会（IRB）的批准。

1. 移动实验室的运输与安装

  1. 携带fNIRS设备出行
    1. 运输 fNIRS 设备。
      注意：功能性近红外光谱（fNIRS）设备可作为托运行李由主要国际航空公司承运，但必须事先向相关航空公司确认。设备运输限制可能因出发国或目的地国家而异。 alternatively，fNIRS 设备也可通过货运方式运送。
    2. 了解目的地国家关于携带或运输fNIRS设备的入境规定，并在适用情况下获取相应的进口批准文件。
    3. 做好检查前的准备工作。
      注意：主管部门（例如， 美国运输安全管理局（Transportation Security Administration）保留检查托运行李的权利。脆弱的fNIRS光纤可能在检查过程中受损。请为所有设备准备适当的证明文件随行。
  2. 领域内必备的实验室设备
    1. 根据野外气候条件做好准备。
      注意：野外环境中的温度和湿度条件与实验室环境可能存在显著差异，这可能影响设备的功能和使用寿命，同时也会影响实验过程中参与者的舒适度。电子设备在高湿度环境（通常高于60%）下运行时，由于过量湿气可能在部件表面凝结并与金属元件发生反应，因而更易受到腐蚀。室内实验室的湿度水平（例如， 大学建筑内部的相对湿度通常在30%-50%之间。科特迪瓦南部的湿度可达80%-95%。应设置低功率需求的便携式空调设备。
    2. 确保充足的电力供应。由于农村地区可能无法获得电力供应，或电力供应仅能间歇运行或功率不足，可使用便携式太阳能发电机为小型至中型电子设备供电。配备柴油发电机作为备用电源。聘请熟悉农村地区电力供应挑战的当地电工。
    3. 搭建一个合适的实验结构，尽量减少安装时间，例如使用带有不透明且防水的屋顶和墙壁的大型定制帐篷。
      注意：设施（例如， 当地学校教室可能无法提供防水且安静的测试空间。
  3. 搭建便携式实验室（图1)
    1. 组装移动实验室（例如， 定制帐篷）。确保实验室空间足够容纳受试者用的桌椅、两名实验人员的座椅、刺激呈现计算机、fNIRS数据采集计算机、fNIRS便携式设备、三维（3D）数字化仪以及便携式空调。

近红外光谱（NIRS）实验装置示意图及儿童脑活动测量
图1. 示意图。（A）实验室装置示意图。（B）受试者数据采集前准备。请点击此处查看该图的放大版本。

2. 本地科研团队与科学合作伙伴

  1. 投入资源促进科学合作，并在当地研究人员的研究框架内提供参与机会。
  2. 与当地科研机构建立合作关系，以实现包容性。获得当地同行的认可，对于在该地区传播最终研究成果至关重要。
  3. 在开展任何研究活动前，须咨询相关当地主管部门，以获得运营授权和许可。熟悉目标国家的伦理审查程序；若缺乏正式的科学审查程序，应作出适当安排。
    注意：例如，可直接与高等教育与研究部（或相应政府机构）的代表进行沟通并获得其批准，以替代伦理审查程序。

3. 知情同意与儿童同意

  1. 制定符合文化背景的知情同意程序，确保向参与者及其家庭和社区充分告知研究内容，以及他们参与研究的决定。
  2. 在制定典型研究方案时，应审查当地的风俗和历史，并纳入需开展研究的群体成员。
    1. 务必从当地负责人处获得明确的同意例如， 村长，社区长者 等等。) 后再进行后续研究。
      注意：这可以通过祖先的祝福或其他社区惯用的方式表达。在获得村长同意后，文化习俗可能包括将酒洒向大地，并请求祖先认可并祝福研究活动。
  3. 在更正式的层面上，应征求负责决定儿童参与学校批准活动的家长和教育工作者团体的同意。例如，家长教师委员会（在科特迪瓦称为“Comité de Gestion d'Ecoles - COGES”）是国家初等教育体系中的关键利益相关方，其成员由学生家长任命，代表家长在决策过程以及与其子女教育相关的各个方面维护其权益。
  4. 由当地主管部门批准所有研究活动，例如科特迪瓦教育 ministry 或高等教育与研究 ministry。项目实施国家可能没有通过 IRB 进行伦理审批的正式程序。应核查相关规定，以确保遵循了获取研究伦理批准的正确流程。
    注意：在获得批准时，科特迪瓦尚未建立正式的机构审查委员会（IRB）评审流程。为此，研究团队准备了类似于IRB申请的文件，并提交至教育部。研究团队与教育部、高等教育部门及科研官员安排了多次会议，向所有官员介绍拟议的研究计划，并随后开展小组讨论及问答环节。伦理批准以教育部签署的授权文件形式直接获得，批准在特定学校对儿童开展研究。本研究还获得了特拉华大学机构审查委员会（IRB）的伦理批准。
  5. 在儿童知情同意程序中，用简单易懂的语言向参与儿童解释研究目的。当地社区可能高度重视儿童的顺从性，这种情况下，儿童可能因文化期望而同意参与研究或继续参与，即使其内心并不愿意。应确保知情同意程序充分传达研究参与的自愿性质。
  6. 明确说明研究将如何使参与者受益，以及他们是否会因参与研究而获得报酬。确保报酬在文化上和对参与者而言均属适当。
  7. 由经过培训且属于参与者所使用语言和文化群体的研究团队成员，以参与者的本地语言或首选语言进行所有知情同意和知情同意（儿童）程序。

4. fNIRS 头皮定位与测量

  1. 收集头部测量数据
    1. 指导受试者坐在椅子上，并说明头围测量过程中将进行的步骤。
    2. 使用标准卷尺测量以下距离：（1）从鼻根点到枕外隆凸沿头部环绕的距离，（2）从鼻根点到枕外隆凸经头顶中线中央（Cz）的直线距离。11，以及（3）从左侧耳屏经头顶Cz点至右侧耳屏的距离。
  2. 将功能性近红外光谱成像（fNIRS）帽及光学探头放置于受试者头部 3,8,9,12
    1. 将fNIRS光极帽放置于受试者头部，并根据国际10-20头皮定位系统对准位置11确保所有受试者的帽位位置相同。对准帽子上的点（例如， 探针支架）与头皮位置
      注意：例如，将帽的前部中心对准头部的额极（FP）位置。该位置对应于鼻根至枕外隆突距离的10%处，位于鼻根位置背侧。
    2. 用绑带固定帽盖，并确保受试者感到舒适。
  3. 三维数字化仪测量
    1. 帽具就位后，指导受试者保持静止，以便获取国际10-20系统头皮关键位置的三维数字化测量数据11 以及每个光学传感器的占位符。
    2. 布置3D数字化仪设备。将一个传感器放置于受试者头部的Cz位置并牢固固定（即， 使用弹性带或发饰将第二个块传感器放置在受试者后方。让受试者背对桌子坐在椅子上，将第二个传感器直接置于受试者头部正后方的桌面上。确保在获取三维数字化测量数据的过程中，两个传感器均不发生移动。
    3. 打开 Brainstorm 软件13 在数据采集计算机上。确保3D数字化系统通过适当的COM端口与Brainstorm软件保持通信。
    4. 将3D数字化仪的探针移至每个电极位置以及国际10-20系统的关键位置（鼻根、枕外隆凸、左耳、右耳、Cz）。在每个位置，通过数据采集计算机上的Brainstorm功能获取位置数据。
  4. 将发光光学传感器和探测器放置在头皮上
    1. 在采集完3D数字化仪数据后，指导受试者舒适地坐在刺激呈现计算机前。
    2. 使用 fNIRS 内置软件，选择与实验设计相对应的探头排列方式。fNIRS 探头可放置于覆盖整个头部的位置（即， 全头覆盖），或者 alternatively，可将探头阵列放置在感兴趣的特定区域。例如，本方案采用了一个 10 x 3 探头阵列（共 30 个探头，排列为每行 10 个探头的 3 行）。该探头布局被设计为最大程度地覆盖左半球语言区及其在右半球的对应区域，以及额叶图2).
    3. 确保每个探头（发射器和检测器）都有编号，且编号系统与探头排列图相对应。
    4. 使用 fNIRS 内置软件中的 optode 定位图作为指引，将每个 optode 放置在帽具上相应的 optode 孔位中。optode 定位图标明了阵列中每个 optode 的位置（例如， 10 × 3
    5. 将头发移开，以确保 optode 探头尖端与受试者头皮直接接触。
    6. 所有光极放置到位后，使用fNIRS系统内置软件检查信号质量。
    7. 根据需要调整各个探头，直至获得足够的信号质量。当所有光极的信号质量检查均通过后，继续进行实验任务。

5. 实验任务

  1. 根据研究目标设计神经影像任务的适当试验次数和条件。需明确神经影像任务会因研究目的不同而有所差异。例如，本方案中使用了三项任务：（1）语言加工与阅读任务，（2）押韵判断任务，（3）认知灵活性任务。
    注意：突出显示了押韵判断任务的实验流程（及代表性结果）。
  2. 将降噪耳机戴在受试者头部，注意避免干扰 fNIRS 探头的放置。确保耳机能够向受试者传递听觉言语刺激，同时隔绝周围环境噪声。
    注意：实验室测试通常在隔音室内进行。现场实验室测试无法提供同等水平的噪声控制，使用降噪耳机可确保所有参与者在安静条件下完成测试。
  3. 指导受试者面向计算机显示器，注视屏幕中央的十字，并在实验过程中保持静止。所有实验任务均通过计算机屏幕呈现。
  4. 押韵判断任务
    1. 指导受试者通过耳机聆听成对呈现的词语。要求受试者判断词语对是否押韵，并作出相应回答。例如， 通过键盘按键选择“cat”-“hat”或“cat”-“log”。
    2. 在此示例中，采用事件相关设计。让受试者完成12次非押韵和12次押韵试验，各试验之间以8至17秒的随机化刺激间隔分隔。
      注意：任务的设计应适合参与者的特点。在本研究所参考的研究中，研究人员正在考察阅读能力极差儿童的语言、认知和阅读发展情况。所开发的阅读神经影像任务使用了适合读写能力极低儿童的词汇。此外，儿童的选择依据其在阅读评估中的得分，以确定其是否符合神经影像实验范式的要求。
  5. 调暗灯光，然后使用内置摄像机开始录制参与者。
  6. 在 fNIRS 控制计算机上开始 fNIRS 数据记录，并在刺激呈现计算机上启动任务。
  7. 在整个实验任务过程中监测参与者的任务表现。在任务和扫描序列之间提供休息时间。
  8. 确保实验刺激呈现计算机的触发信号被fNIRS控制计算机接收。
  9. 所有任务结束后，停止采集视频和fNIRS数据。

6. 实验后任务测量

  1. 从光学探头固定帽中取出每个光学探头。
  2. 在不移动光学探头固定帽于受试者头部位置的前提下，指导受试者保持固定坐姿，以进行第二次三维数字化仪测量。
  3. 重复进行三维数字化仪测量，方法同fNIRS头皮定位与测量第4节，以确保实验过程中头皮探头位置的任何偏移均可通过比较两次测量的位置文件被检测到。
  4. 从受试者头部取下光学探头固定帽。
  5. 实验结束后，向受试者赠送一份小礼品（例如，书籍和学习用品），并代表研究团队对其参与表示感谢。

7. 数据传播计划

  1. 将研究结果与社区成员及相关地方主管部门分享，以推动其转化为针对所调查问题的政策。
    注意：参与者可能不会直接从实验中获益。
  2. 制定后续访问参与社区的计划。准备可供当地教育工作者使用的报告和工具。例如，以当地语言编制的任何评估工具均应提供给该地区学校主管。安排研究团队中会当地语言的成员与社区领导人会面，传达研究结果。
  3. 制定在地区性学术期刊上发表研究结果的计划，并视情况使用该地区的语言。例如，若研究在法语国家开展，则研究结果应以法语传播。
  4. 制定与批准该研究项目的政府机构会面并提交研究结果报告的计划。

8. 备份数据

  1. 确保将数据导出并备份到多个便携式硬盘中，因为在线数据存储所需的互联网访问可能无法获得。当具备足够的网络连接时，再将数据传输至在线数据存储中。

9. 数据分析

注意：存在多种用于功能性近红外光谱（fNIRS）的数据分析软件包14。功能性近红外光谱的统计参数映射（Statistical Parametric Mapping for Near-Infrared Spectroscopy, NIRS-SPM）15、Homer216（广泛使用）以及fNIRS工具箱17,18（较新且日益流行）均可用于fNIRS数据分析。本方案以NIRS-SPM为例介绍数据分析方法，但研究者可自行选择偏好的分析方法。

  1. 使用 NIRS-SPM 4 版本15,19 分析来自 fNIRS 系统的数据。该工具箱是神经影像套件 SPM8（http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm）的一部分，采用基于一般线性模型的分析方法处理 NIRS 数据，并可生成具有超分辨率定位能力的激活图。
  2. 将数据转换为 HbO 和 HbR
    1. 使用修正的比尔-朗伯方程（通过 NIRS-SPM）将光密度值转换为 HbO 和 HbR 反应的浓度变化。
  3. 数据预处理
    1. 选择现有的多种 fNIRS 数据预处理方法之一。
      注意：Huppert 等17 提出了针对不同噪声来源的非常严谨的处理方法16，包括基于特征向量的运动伪迹消除、带通滤波技术，以及用于消除生理干扰（例如，呼吸、血压、心率）的空间协方差特征向量缩减方法。他们还对 fNIRS 研究中的噪声来源及其对统计分析的影响进行了详尽评述。fNIRS 研究人员必须根据具体研究选择最合适的预处理方法。以下介绍一种参考 Worsely 和 Friston20 以及 Jang 等19 的分析方法。
    2. 采用小波-最小描述长度（Wavelet-Minimum Description Length, MDL）去趋势算法对 HbO 和 HbR 浓度变化进行分解，以去除由呼吸、血压波动、血管舒缩运动或受试者运动伪迹引起的全局趋势，并提高信噪比19。
    3. 对数据应用具有血流动力学响应函数形状的低通滤波器，并使用 Worsely 和 Friston20 提出的预着色方法去除时间相关性。
  4. 模型构建与统计分析
    1. 构建包含实验回归量的 HbO 和 HbR 模型，回归量需与相应的血流动力学响应函数及其时间导数进行卷积21。
      注意：血流动力学响应函数在高级皮层区域及不同受试者之间可能存在较大变异性。此类变异性可通过扩展 HRF 以包含时间导数的方式在分析模型中加以考虑。使用时间导数来建模血流动力学响应达峰时间的差异21。
    2. 使用 NIRS-SPM 构建极性相反的 HbO 和 HbR 模型，使得 HbO 的显著模型拟合表示浓度升高，而 HbR 的显著拟合表示浓度降低5,18。
    3. 设置与实验相关的 t 检验或 F 检验对比，以检验一个（或多个）回归量（基于设计矩阵）对 fNIRS 时间序列数据调制效应的影响。
  5. 结果可视化
    1. 利用三维数字化仪采集的数据，将 NIRS 通道空间配准至蒙特利尔神经学研究所（Montreal Neurological Institute, MNI）标准空间。
    2. 利用配准后的 fNIRS 数据，基于一般线性模型和 Sun 的管状公式校正方法22,23，生成 HbO、HbR 和总血红蛋白（THb）的激活图。
    3. 将激活图加载到合适的脑模板上。例如，最新的 Haskins 儿童脑图谱为 6 至 12 岁儿童提供了标准化的模板24。

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结果

通过三维数字化仪获得的探头位置数据（图2）可在标准脑模板上进行可视化。使用 NIRS-SPM 的独立注册功能将 fNIRS 通道配准至 MNI 空间25。该空间配准功能可生成每个通道所对应的最大代表性的 MNI 坐标、解剖学标签及布罗德曼分区。

用于脑信号定位的脑电帽设置，显示电极放置示意图及三维脑活动图。
图 2. 数据采集。 （A）将 fNIRS 帽佩戴于受试者头部，并使用三维数字化仪采集位置数据。（B

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讨论

本文介绍了一种适用于偏远地区资源有限环境下的现场神经影像学研究方案。该现场神经影像学方案的关键进展在于首次能够在以往研究不足（或从未研究过）的环境中开展大脑功能及其发育的研究。本方案的关键步骤包括携带并建立一个可在无电力供应和缺乏基础设施的热带气候条件下进行高质量数据采集的移动实验室。本方案提供了与当地科学、教育和政府机构建立紧密合作关系的一般性指导，并强调了当地科学家与来访科学家之间形成长期成功合作时所产生的双向知识交流。本文讨论了如何制定符合当地文化特点的知情同意程序和测试方案，旨在将多种文化视角融入研究方法中。最后，本方案还提供了详细的现场数据采集与数据分析步骤。

本地科学参与及能力建设机遇：

科特迪瓦的本地研究人员，尤其是青年研究人员，在完成学业后面临的主要挑战之一，是缺乏与经验丰富的导师和/或国际合作者共同开展实践研究的机会。为此，研究人员应尽一切努力与相关学科领域的本地研究人员建立稳固的合作关系，并吸纳各个层次的受训人员（本科生、研究生、博士后）。受训人员可利用从该经历中获得的见解...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

本研究得益于雅各布基金会授予 K. Jasinska 的早期职业研究员奖学金（奖学金编号：2015 118455）。作者还希望感谢 Axel Blahoua、Fabrice Tanoh、Ariane Amon、Brice Kanga 和 Yvette Foto 在数据收集和实地支持方面提供的帮助。特别感谢莫阿佩、阿努吉、阿费里和贝库埃芬村庄的家庭和儿童参与本研究项目，并感谢各村庄的热情款待。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
LIGHTNIRS 主机单元套装 120VShimadzu292-34000-42fNIRS 系统组件
全帽式支架组件Shimadzu594-07618-01fNIRS 系统组件
LIGHTNIRS 连接线缆Shimadzu567-10976-11fNIRS 系统组件
LIGHTNIRS 用光纤组件，1米（8套）Shimadzu567-11350-01fNIRS 系统组件
Dell Latitude 笔记本电脑Shimadzu（来自 Dell）220-97322-00运行 fNIRS 应用程序的主控计算机
PATRIOT SEU（系统电子单元）POLHEMUS1A0453-001PATRIOT 系统组件
电源适配器POLHEMUS2C0809PATRIOT 系统组件
电源线缆POLHEMUS17500B-BLKPATRIOT 系统组件
RS-232 交叉串口线缆POLHEMUS1C0288PATRIOT 系统组件
USB 线缆POLHEMUS1C0289PATRIOT 系统组件
RX2 传感器 10 英尺线缆POLHEMUS4A0492-20PATRIOT 系统组件
TX2 信号源 10 英尺线缆POLHEMUS4A0506-20PATRIOT 系统组件

参考文献

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