近红外脑功能成像原理

近红外光 (Near Infrared, NIR)是介于可见光 (ⅥS) 和中红外光 (MIR) 之间的电磁波，按ASTM（美国试验和材料检测协会）定义是指波长在780～2526nm范围内的电磁波，习惯上又将近红外区划分为近红外短波(780~1100nm) 和近红外长波 (1100~2526nm) 两个区域。

图1.近红外光谱。

早在1977年，Jobsis, F.用牛排骨遮挡可见光，偶然间发现红外光能够穿透4毫米厚的牛排骨头。为了进一步探究近红外光能不能穿透头皮和头骨获得组织中血液氧合的有用信息，他做了更深入的实验。

图2.在一只受透照猫的头部，对颅内血红蛋白和血容量(A)以及大脑细胞色素A，a3 (B)的缺氧发作的反应的时间过程。

图3.脑循环和氧气充足的红外监测。

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

近红外窗口存在于体内的这项发现，让fNIRS探测大脑活动成为现实。近红外光谱(Functional Near InfraRedSpectroscopy, fNIRS)技术以生物组织光学特性为基础，结合光在组织中的传播规律，研究光在组织中历经一系列吸收、散射后出射光携带的与组织光学特性相关的生化信息。其主要探测的生理参数：组织中吸收色团(如 HbO2、Hb、totalHb等)浓度变化。

fNIRS成像机制--神经血管耦合假说

图4.静息（a）与激活（b）两种生理状态下局部脑血流及血氧水平的变换。

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.

典型的血氧响应函数（HRF）

图5.典型的血氧响应函数。

图6.神经活动与血红蛋白浓度变化。

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成像的物理基础

组织中吸引近红外光的成分主要有水、HbO2和Hb并且它们对近红外光的吸收率不同。水对近红外波段的谱相为观察血红蛋白提供了一种可作为背景的“光谱窗”，而且在这个光谱窗下，HbO2和Hb对近红外光的频谱差异足够大，可以根据此差异计算它们各自在体内的浓度。在生物组织中光子会历经数千次的弹性散射事件与数次源于吸收发色团的吸收事件，而两种组织中主要的吸收发色团为HbO2，和Hb，二者在600到900nm的光谱范围中拥有截然不同的吸收光谱。fNIRS可以依据对所测量的HbO2和Hb浓度准确定位测量点所在位置的局部脑活动，从而为建立脑活动与解剖位置的对应关系提供了可能。研究表明，应用扩散光学成像，可以重建血液参数的三维空间变化血红蛋白的浓度和氧气饱和度，以及组织散射特性。

图7.HbO2和H2b对近红外光的频谱差异。

fNIRS定量分析的计算原理

图8.Beer-Lambert定律。

fNIRS穿透组织示意图

图9.近红外光穿透组织示意图。

在光子进入散射组织后，会经过数千次的随机散射才离开组织，其确切的路径无法准确得知，但可以计算透过机率推估光子可能的路径分布，图中1的部分便是有很高的机率有光子经过，2的部分则没有明显的可能性。当脑区活跃并参与某项任务的执行时，大脑对氧和葡萄糖的代谢需求增加，导致局部脑血流（CBF）供过于求，以满足大脑增加的代谢需求。响应神经元活动增加的CBF被称为功能性充血，并且受到几种神经血管耦合机制的调节，例如毛细血管直径和血管活性代谢物的变化。因此，局部CBF的过量供应会导致HbO2浓度升高和HbR浓度降低; 这些是通过fNIRS测量的光衰减变化来估算的。

三种常见的近红外成像技术

1.连续波

I0指入式光（打进来的光），为恒定的光源；中间这个黄色的是介质；I指出来的光。光线从介质出来以后的强度变弱是由于介质里面发生了光的吸收与散射。之后，通过一些算法我们可以推演出光的吸收情况。

CW（连续波）设备使用连续发射的近红外光（通常为两个或三个波长），并通过估计输入（IIN）和输出（IOUT）的光的比率来测量由组织散射和吸收引起的光衰减（A）。通过从后面的衰减测量值中减去第一个衰减测量值来估计衰减量（ΔA）的变化并用于推导 HbO2和HbR浓度的变化。这假设：ΔA只取决于血氧依赖的血红蛋白发色团的吸收变化，从而去除了其他因素，例如散射、黑色素和水浓度，这些因素在测量期间不太可能发生显著变化。该方法通常被称为修正的Beer-Lambert定律或差分光谱法，并且广泛应用于fNIRS中。

2.频域

“频域”打出来的光不再是恒定光，而是调制波。通过介质出来以后，振幅减小并且相位发生了移动。

FD（频域）设备采用强度调制的近红外光照射大脑。

3.时域

“时域”打入的是一个非常窄的脉冲，经过介质出来以后，光被扩展成宽的脉冲，通过对宽的脉冲的研究可以得到介质里面光的吸收和散射情况。

TD（时域）系统则更复杂并实现几皮秒脉冲的近红外光源和快速的时间分辨探测器来恢复重新出现的光子的飞行时间。

图10. 三种常见的近红外成像技术。

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

当代脑功能成像技术

技术参数	波长: 较多采用780nm和830nm(可调)，也有695nm和830nm 指标: HbO2、 Hb和总血流变化量分辨率: 时间采样率<10次每秒:空间采样率>2cm
目的	用于脑功能的时间进程和空间分布的研究
面临的困难	无法分别测出吸收值和散射值 Time-domain: 峰值和衰减 (信号强度随时间的变化规律） Frequency-domain: 光强和相位的变化 (信号是由哪些单一频率的信号合成的)
技术特点	与EEG相比，它的空间定位能力更好与fMRI相比，它的时间采样率更好适用测量人群范围更加广泛
优势与局限性	优势 1) 可以实时观测 2) 可以测到完整的生理信号，便于除噪 3) 应用范围广，方便可移动局限 1) 不能覆盖全脑，定位能力较差 2) 探测深度有限，可基本覆盖大脑皮层外表面
应用	发生发展期测查：新生儿语言加工的研究、语言和认知发展的敏感期、认知切换能力何时产生、大脑发育的规律。心理研究：认知心理学、运动感觉功能研究、自闭症、学习/注意力障碍、情感、决策、觉醒。其他领域：社会认知、体育运动、临床医学、脑机接口、人因工程、军事训练。与其他技术的结合：与EEG结合、与PET结合、与MEG结合、与TMS结合、与fMRI结合。