近红外脑功能成像基础

简介

fNIRs是一种非侵入性成像方法，涉及从近红外光（NIRs）衰减测量或时间或相位变化测量组织浓度的相对变化。近红外光谱光利用光学特性，其中皮肤，组织和骨对700-900nm光谱中的近红外光几乎是透过的，而血红蛋白（Hb）和脱氧血红蛋白（deoxy-Hb）对这段波长很敏感。所以deoxy-Hb和oxy-Hb的吸收光谱的差异允许通过使用多个波长的光衰减来测量血红蛋白浓度的相对变化。选择在等吸光点805nm左右的上方和下方至少各一个波长进行测量。在脑成像中，使用修正版的比尔 - 朗伯定律（mBLL），这个定律是可以用来计算血红蛋白相对浓度作为总光子穿行路径长度的函数。通常情况下，光发射器和探测器放置在受试者颅骨的同侧，目前探测的最佳距离在3cm左右，因此记录的测量结果是由于椭圆形路径（也叫光子香蕉）之后的散射（反射）光。

脑功能成像

使用fNIRs作为功能成像方法主要依赖于神经血管耦合原理，也称为血液动力学反应或血氧水平依赖性（BOLD）反应。这个原则也是构成了fMRI技术的核心。通过神经血管耦合，神经元活动与局部脑血流的相关变化。fNIRs和fMRI对类似的生理变化敏感，并且通常是比较方法。有关fMRI和fNIR的研究显示认知任务中高度相关的结果。fNIRs在成本和便携性上优于fMRI，但由于光源功率的限制，空间分辨率有限，因此基本上不能用于测量深度超过4厘米的皮质活动。fNIRs包括使用光学层析成像（DOT）用于功能目的。可使用多复数的fNIRS光源与探测器组成多通道来测量大脑活动的二维脑地形图（例如，使用NIRScout等设备），同时使用多个光源短间距可以用于构建三维层析成像地图，但目前来说需要的光源数较多。

光谱技术

目前有三种fNIRs光谱学方法

连续波

连续波（CW）fNIRs使用以恒定频率和振幅发光的光源。通过修正版的Beer-Lambert定律（mBLL），光强度的变化可能与血红蛋白相对浓度的变化有关。

OD是光密度或衰减， Io是发光强度， I测量光强度，

是衰减系数，[X]是chromophomore浓度， L是源和探测器之间的距离 DPF是差分路径长度因子以及G是与散射相关的几何因子。

当衰减系数是已知的，假定恒定的散射损耗，并且测量结果在时间上被差分处理，该方程简化为：

d是总校正的光子路径长度。

使用双波长系统，deoxy-Hb和oxy-Hb的测量可以从矩阵方程中求解：

CW技术是最常见的做fNIRs的形式。因为用mBLL测量浓度的绝对变化需要了解光子路径长度。连续波方法不具有光子路径长度的任何知识，因此浓度变化相对于未知路径长度，所以，目前探索更对的是相对浓度的变化。

频域

在频域（FD）系统中，NIRs激光源在接近一百兆赫兹（100MHz）的频率处提供调幅正弦曲线。背散射信号的幅度和相位的变化提供了对组织的吸收和散射系数的直接测量，因此不需要关于光子路径长度的信息; 从散射和吸收系数中确定血液动力学参数浓度的变化。由于需要调制激光以及相位测量，频域系统在技术上比连续波系统复杂。但是，这些系统能够提供绝对浓度的氧化血红蛋白和脱氧血红蛋白。

时间分辨

在时间分辨光谱学中，引入脉冲长度通常在皮秒量级的短NIR脉冲。通过飞行时间测量，可以通过将解决的时间除以光速来直接观察光子路径长度。由于需要高速检测和高速发射器，时间分辨方法是最昂贵且技术复杂的方法。关于血流动力学变化的信息可以在背散射信号的衰减，衰减和时间分布中找到。

主要参考：

"Comparison of linear and nonlinear calibration models based on near infrared (NIR) spectroscopy data for gasoline properties prediction". Chemometr Intell Lab. 88 (2): 183–188

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本文作者：Chen Rui

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