近紅外光 (Near Infrared, NIR)是介于可見光 (ⅥS) 和中紅外光 (MIR) 之間的電磁波，按ASTM（美國試驗和材料檢測協(xié)會）定義是指波長在780～2526nm范圍內(nèi)的電磁波，習(xí)慣上又將近紅外區(qū)劃分為近紅外短波(780~1100nm) 和近紅外長波 (1100~2526nm) 兩個區(qū)域。

早在1977年，Jobsis, F.用牛排骨遮擋可見光，偶然間發(fā)現(xiàn)紅外光能夠穿透4毫米厚的牛排骨頭。為了進一步探究近紅外光能不能穿透頭皮和頭骨獲得組織中血液氧合的有用信息，他做了更深入的實驗。

Jobsis, F.?(1977).?Noninvasive,infrared monitoring of cerebral and myocardial oxygen sufficiency andcirculatory parameters. , 198(4323), 1264–1267.?doi:10.1126/science.929199?

近紅外窗口存在于體內(nèi)的這項發(fā)現(xiàn)，讓fNIRS探測大腦活動成為現(xiàn)實。近紅外光譜(Functional Near InfraRedSpectroscopy, fNIRS)技術(shù)以生物組織光學(xué)特性為基礎(chǔ)，結(jié)合光在組織中的傳播規(guī)律，研究光在組織中歷經(jīng)一系列吸收、散射后出射光攜帶的與組織光學(xué)特性相關(guān)的生化信息。其主要探測的生理參數(shù)：組織中吸收色團(如 HbO2、Hb、totalHb等)濃度變化。

fNIRS成像機制--神經(jīng)血管耦合假說

C., S., Roy, C., S., & Sherrington.(1890). On the regulation of the blood-supply of the brain. The Journal ofPhysiology, 11(1-2), 85-158.

典型的血氧響應(yīng)函數(shù)（HRF）

Kohl, M. , Lindauer, U. , Royl, G. , MKühl, Gold, L. , & Villringer, A. , et al. (2000). Physical model for thespectroscopic analysis of cortical intrinsic optical signals. Physics inMedicine & Biology, 45(12), 3749.

fNIRS成像的物理基礎(chǔ)組織中吸引近紅外光的成分主要有水、HbO2和Hb并且它們對近紅外光的吸收率不同。水對近紅外波段的譜相為觀察血紅蛋白提供了一種可作為背景的“光譜窗”，而且在這個光譜窗下，HbO2和Hb對近紅外光的頻譜差異足夠大，可以根據(jù)此差異計算它們各自在體內(nèi)的濃度。在生物組織中光子會歷經(jīng)數(shù)千次的彈性散射事件與數(shù)次源于吸收發(fā)色團的吸收事件，而兩種組織中主要的吸收發(fā)色團為HbO2，和Hb，二者在600到900nm的光譜范圍中擁有截然不同的吸收光譜。fNIRS可以依據(jù)對所測量的HbO2和Hb濃度準確定位測量點所在位置的局部腦活動，從而為建立腦活動與解剖位置的對應(yīng)關(guān)系提供了可能。研究表明，應(yīng)用擴散光學(xué)成像，可以重建血液參數(shù)的三維空間變化血紅蛋白的濃度和氧氣飽和度，以及組織散射特性。

fNIRS定量分析的計算原理

fNIRS穿透組織示意圖

在光子進入散射組織后，會經(jīng)過數(shù)千次的隨機散射才離開組織，其確切的路徑無法準確得知，但可以計算透過機率推估光子可能的路徑分布，圖中1的部分便是有很高的機率有光子經(jīng)過，2的部分則沒有明顯的可能性。當腦區(qū)活躍并參與某項任務(wù)的執(zhí)行時，大腦對氧和葡萄糖的代謝需求增加，導(dǎo)致局部腦血流（CBF）供過于求，以滿足大腦增加的代謝需求。響應(yīng)神經(jīng)元活動增加的CBF被稱為功能性充血，并且受到幾種神經(jīng)血管耦合機制的調(diào)節(jié)，例如毛細血管直徑和血管活性代謝物的變化。因此，局部CBF的過量供應(yīng)會導(dǎo)致HbO2濃度升高和HbR濃度降低; 這些是通過fNIRS測量的光衰減變化來估算的。

三種常見的近紅外成像技術(shù)

1.連續(xù)波

I0指入式光（打進來的光），為恒定的光源；中間這個黃色的是介質(zhì)；I指出來的光。光線從介質(zhì)出來以后的強度變?nèi)跏怯捎诮橘|(zhì)里面發(fā)生了光的吸收與散射。之后，通過一些算法我們可以推演出光的吸收情況。

CW（連續(xù)波）設(shè)備使用連續(xù)發(fā)射的近紅外光（通常為兩個或三個波長），并通過估計輸入（IIN）和輸出（IOUT）的光的比率來測量由組織散射和吸收引起的光衰減（A）。通過從后面的衰減測量值中減去第一個衰減測量值來估計衰減量（ΔA）的變化并用于推導(dǎo) HbO2和HbR濃度的變化。這假設(shè)：ΔA只取決于血氧依賴的血紅蛋白發(fā)色團的吸收變化，從而去除了其他因素，例如散射、黑色素和水濃度，這些因素在測量期間不太可能發(fā)生顯著變化。該方法通常被稱為修正的Beer-Lambert定律或差分光譜法，并且廣泛應(yīng)用于fNIRS中。

2.頻域“頻域”打出來的光不再是恒定光，而是調(diào)制波。通過介質(zhì)出來以后，振幅減小并且相位發(fā)生了移動。

FD（頻域）設(shè)備采用強度調(diào)制的近紅外光照射大腦。

3.時域“時域”打入的是一個非常窄的脈沖，經(jīng)過介質(zhì)出來以后，光被擴展成寬的脈沖，通過對寬的脈沖的研究可以得到介質(zhì)里面光的吸收和散射情況。

TD（時域）系統(tǒng)則更復(fù)雜并實現(xiàn)幾皮秒脈沖的近紅外光源和快速的時間分辨 探測器來恢復(fù)重新出現(xiàn)的光子的飛行時間。

Scholkmann, Felix; Kleiser, Stefan; Metz, Andreas Jaakko;Zimmermann, Raphael; Mata Pavia, Juan; Wolf, Ursula; Wolf, Martin (2014).?Areview on continuous wave functional near-infrared spectroscopy and imaginginstrumentation and methodology. NeuroImage, 85(), 6–27.?doi:10.1016/j.neuroimage.2013.05.004?

當代腦功能成像技術(shù)

技術(shù)參數(shù)

波長:?較多采用780nm和830nm(可調(diào))，也有695nm和830nm
指標:?HbO2、 Hb和總血流變化量分辨率:?時間采樣率<10次每秒:空間采樣率>2cm

目的

用于腦功能的時間進程和空間分布的研究

面臨的困難

無法分別測出吸收值和散射值Time-domain: 峰值和衰減 (信號強度隨時間的變化規(guī)律）Frequency-domain:?光強和相位的變化 (信號是由哪些單一頻率的信號合成的)

技術(shù)特點

與EEG相比，它的空間定位能力更好與fMRI相比 ，它的時間采樣率更好適用測量人群范圍更加廣泛

優(yōu)勢與局限性

優(yōu)勢
1) 可以實時觀測2) 可以測到完整的生理信號，便于除噪3) 應(yīng)用范圍廣，方便可移動局限1) 不能覆蓋全腦，定位能力較差2) 探測深度有限，可基本覆蓋大腦皮層外表面?

應(yīng)用

發(fā)生發(fā)展期測查：
新生兒語言加工的研究、語言和認知發(fā)展的敏感期、認知切換能力何時產(chǎn)生、大腦發(fā)育的規(guī)律。

心理研究：認知心理學(xué)、運動感覺功能研究、自閉癥、學(xué)習(xí)/注意力障礙、情感、決策、覺醒。其他領(lǐng)域：社會認知 、體育運動、臨床醫(yī)學(xué)、腦機接口、人因工程、軍事訓(xùn)練。與其他技術(shù)的結(jié)合：與EEG結(jié)合 、與PET結(jié)合、與MEG結(jié)合、與TMS結(jié)合、與fMRI結(jié)合。

應(yīng)用場景

慧創(chuàng)近紅外腦功能成像－NirSmart?

慧創(chuàng)近紅外產(chǎn)品-成熟多模態(tài)聯(lián)用方案

fNIRS-fMRI聯(lián)用場景-慧創(chuàng)核磁兼容方案

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