fNIRS:背景,fNIRS介紹,成像原理,fNIRS的儀器構成,fNIRS的測量

功能性近紅外光譜技術(functional near - infrared spectroscopy , fNIRS)利用血液的主要成分對6000-900NM近紅外光良好的散射性,從而獲得大腦活動時氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的變化情況。目前該技術開始運用於自然情境下的高級認知、發展、心理學、異常心理學等多個領域的研究該技術具有造價較低、便攜性好，無噪音、無創性和對實驗過程中被試動作不會過份敏感等優點，但也存在空間解析度不高和校正算法有待進一步完善等方面的不足。

未來， fNIRS 的研究可以與 fMRI等其他成像技術進行結合,開展嬰幼兒和特殊人群的認知神經科學研究以及自然情境下大腦認知的神經機制研究。

基本介紹

中文名：fNIRS
外文名：unctional near-infrared spectroscopy
目的：探求組織表面下數毫米的光學特性
優點：造價較低、便攜性好,低噪音等

背景,fNIRS介紹,成像原理,fNIRS的儀器構成,fNIRS的測量指標,套用,優勢和局限,結語與展望,

背景

由於對偽跡敏感，造價昂貴，儀器龐大等原因，現有的腦功能成像技術(如 fMRI) 不適用於以兒童(尤其是嬰幼兒) 老年人以及特殊人群為對象的腦功能成像研究，亦不適用於日常生活、工作等自然情境下的認知神經科學研究。功能性近紅外光譜技術(functional near - infrared spectroscopy , fNIRS)被認為是一種能滿足以上要求的腦功能成像技術，同時也被認為是一種具有良好前景，能為認知神經科學研究提供新研究視角的技術。

fNIRS介紹

fNIRS(f)——功能性近紅外光譜技術利用血液的主要成分對600-900nm近紅外光良好的散射性,從而獲得大腦活動時氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的變化情況。目前該技術開始運用於自然情境下的高級認知、發展心理學、異常心理學等多個領域的研究。該技術具有無創性和對實驗過程中被試動作不會過份敏感等,但也存在空間解析度不高和校正算法有待進一步完善等方面的不足。未來fNIRS的研究可以與fMRI等其他成像技術進行結合,開展嬰幼兒和特殊人群的認知神經科學研究以及自然情境下大腦認知的神經機制研究。

成像原理

大腦通過血液的新陳代謝為神經元活動提供所需的氧，而氧的消耗又刺激大腦局部血管的舒張，促使毛細血管血流量增加，導致局部腦血流(rCBF )和腦血容(CBV )的增加, 表現為大腦血氧水平的迅速提高,這就是神經與血管匹配的機制(neurovasular coupling) 在這個機制的作用下，認知神經活動過程中，大腦神經活動區域增加的腦血流所攜帶的氧將大大超過大腦活動所需的氧，而氧通過血液中的血紅蛋白進行傳輸，故而認知活動過程中大腦活動區域會出現血液中氧合血紅蛋白(oxy 一Hb )濃度的上升，脫氧血紅蛋白(deoxy 一Hb )濃度的下降功能磁共振成像技術(fMRI)正是利用認知活動中血紅蛋白濃度的變化導致的磁性變化，從而獲得 BOLD 信號。

大腦組織活動時，血氧水平不僅會影響其磁性變化，同時也會影響其光學特性。生理組織對光有兩種反應，一是吸收，二是散射。組織中吸引近紅外光的成分主要有水、HbO和Hb，並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， HbO和Hb對近紅外光的頻譜差異足夠大，可以根據此差異計算它們各自在體內的濃度。研究表明，套用擴散光學成像，可以重建血液參數的三維空間變化：血紅蛋白的濃度和氧氣飽和度，以及組織散射特性。因此，套用近紅外，可以“看”到體內。

fNIRS。在生物組織中，光子會歷經數千次的彈性散射事件與數次源於吸收發色團的吸收事件，而兩種組織中主要的吸收發色團為HbO2和Hb，二者在600到900nm的光譜範圍中擁有截然不同的吸收光譜。

如左圖所示，血液中的血紅細胞會吸收光譜中650以下的光波，而水會吸收900以上的光波。因而，fNIRS使用的是650—900頻段的紅外波，故稱近紅外。

fNIRS可以依據對所測量的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關係提供了可能。

在光子進入散射組織後，會經過數千次的隨機散射才離開組織，其確切的路徑無法準確得知，但能透過機率的計算推估其可能的路徑分布，右圖中1的部分便是有很高的機率有光子經過，2的部分則沒有明顯的可能性。

fNIRS的儀器構成

一個功能性近紅外光譜技術成像裝置一般由光源、光源探測器、數據採集器等組成。光源通過發光二極體或者是與被試頭型匹配起來的光纖束向特定大腦區域發射近紅外光,，光以香蕉型的路徑進行散射，離光束 2 一7cm 的光源探測器可以收集到被組織散射回來的光。當光源和探測器的距離設定在4cm 時，fNIRS 信號對皮層表面 2 一3mm的血氧血紅蛋白散射的光特別敏感。fNIRS 有三種不同類型：時域(time-domain )、頻域 (frequency-domain ) 和持續波 ( continuouswave, CW ) 目前研究中常用的是持續波(CW )系統，在這個系統中，近紅外光以恆定波幅照射在大腦皮層上，CW 系統在測量波幅衰減方面雖然存在不足，但它有著有著許多其他的優點，如便攜性好、體積較小、造價較低，因此更為常用。

fNIRS的測量指標

fNIRS不僅能測量認知活動過程中的脫氧血紅蛋白和氧合血紅蛋白濃度的變化，還能測量出認知活動過程中總體的血紅蛋白以及脫氧細胞氧化酶的變化。在統計和報告中，常用的指標主要有三種：氧合血紅蛋白濃度、脫氧血紅蛋白濃度以及總體血紅蛋白指數。

套用

近年來，fNIRS 在臨床醫學，精神病學等領域迅速得到運用。與其他腦功能成像技術相比，fNIRS不僅套用於實驗室的高級認知神經科學研究，也廣泛運用於教育心理學、健康心理學和工程心理學研究，同時在自然情境下的高級認知神經科學研究，發展認知神經科學研究，以及特殊人群的認知神經科學研究中有著獨特的優勢。

fNIRS 在自然情境下高級認知神經科學研究中的運用

自然情境下大腦認知的神經機制吸引著眾多的研究者，然而當前認知神經科學研究，因為成像技術本身的特點，大部分都是在實驗室條件下進行的，對實驗設計有較高的要求，而且對被試的頭部運動有較為嚴格的限定，加之所使用的儀器較為龐大，因此很難在自然情境下研究高級認知過程的神經機制，實驗室的認知神經科學研究結果具有較高的內部效度，但是缺乏較高的生態效度，用以推論和解釋人們日常生活中的行為有困難而在 fNIRS 的研究中, 因為顱骨對光的散射係數被認為是恆定的，因此 fNIRS 對被試實驗過程中的動作不是特別敏感，故而適合需要動作的認知過程的神經機制研究。同時fNIRS 的設備較小、輕便(有的僅相當於一台桌上型電腦 ),適合在自然情境下對認知過程進行研究，加之該技術可以進行長時間的重複測量，因此，適合自然情境下認知過程的神經機制研究。

fNIRS 在發展認知神經科學研究中的運用

由於兒童特別是嬰幼兒的自我控制能力較差，因此對兒童進行腦功能成像的研究往往較為困難，導致以兒童尤其是嬰幼兒為對象的認知神經科學研究較少。近年來 , 隨著fNIRS 在幼兒神經機制研究中的套用，人們將對神經系統發育生長最快的時期——嬰幼兒階段的人類大腦發展機制有更為深人地了解，從而使發展認知神經科學真正能“開創了一個使人們更充分地理解發展的心理學和生物學的新時期 ”。

fNIRS 在異常心理學中的運用

由於精神病、神經症患者等特殊人群在動作、認知方面的控制能力也較差，所以採用對被試動作有較高要求的腦功能成像技術(如 fMRI)對這些特殊人群進行研究診斷也同樣存在許多困難，導致在特殊教育以及特殊人群的神經康複方面缺乏來自大腦的科學依據。而fNIRS被廣泛用來對特殊人群進行診斷和研究，目前特殊人群已是 fN IRS 使用最廣泛的研究對象群體。

fNIRS 在精神病學研究中的運用

fNIRS 廣泛運用於精神分裂症(Schizophrenia)，心境障礙(Mood disorder)，焦慮障礙(Anxietydisorders )的研究中，,而其中又以在對精神分裂症患者的腦功能成像研究中運用地更為普遍。

fNIRS在神經病學研究中的運用

fNIRS 也在顱腦損傷(traumatic brain injury )，癲癇(Epilepsy )，多動症(ADHD)，阿爾茨海默症 (Alzheim er‘sdisease )，帕金森症(Parkinsonsdisease)等神經病學研究中得到廣泛運用。

fNIRS 在特殊人群的診斷和術後監測中的套用

由於fNIRS 具有無創性，便攜性，對發病部分定位能進行較準確定位等方面的優勢，因此 fNIRS不僅可以用以研究特殊人群的認知活動，還可以用以特殊人群的診斷。研究者採用多通道 fNIRS對癲痛病灶的診斷髮現，該技術是一種能用於診斷癲癇的良好的工具，由於其無創性，診斷信度高的特點，因此被作為Wada 測驗的較好替代方法。

優勢和局限

fNIRS 的優勢

從目前使用 fNIRS 報告出來的結果可以發現，fNIRS 具有造價較低、便攜性好、無噪音、無創性和對實驗過程中被試動作不是特別敏感等優點，可以運用於各種腦功能成像的研究中，特別適於以低幼兒童老人，以及特殊人群為對象的腦功能成像研究。同時越來越多的研究也發現，fNIRS 在腦功能成像方面與 ERI 、fMRI、PET 等腦功能成像技術也有著良好的同質性。

fNIRS 的不足

作為一種新興的腦功能成像技術 ,fNIRS 也還存在許多的不足，主要表現為空間解析度有限，因此大部分使用 fNIRS 的研究也還只是報告了血氧的變化，較少報告空間分辨率。同時 , fNIRS 目前主要還是一種驗證性研究, 必須使用頭顱參考電極以估計認知活動在大腦中的核心區域,從而放置光源和探測器隨著全腦型的 fNIRS 的研發，這個問題正逐步得到解決。

結語與展望

當前我國認知神經科學的研究正逐步重視教育、神經科學和發展認知神經科學方面的研究，而這些方面的研究以及特殊人群腦功能成像的研究進展都依賴於合適的成像技術作為支撐。在過去的30 年時間裡，fNIRS 技術獲得了穩定地發展,，該技術在研究大腦神經機制中的優勢和可靠性都得到了越來越多研究的支持，fNIRS 的研究報告也開始大量出現在 Nneuroimage等高水平雜誌上發表。由於fNIRS自身的獨特優勢，該技術已開創了腦功能成像研究的新方向和大腦研究的新領域，必將為人們深人了解大腦功能提供更加深人的支持。

目前功能性近紅外光譜技術(fNIRS) 已經獲得美國食品及藥物管理局(FDA )的認證，並已在多個心理學領域中得到套用。雖然在認知神經科學研究中， fNIRS 暫時還不能取代 fMRI 和 ERP 等腦功能成像技術，但隨著該技術的不斷成熟和完善，fNIRS在各領域的研究將進一步深人，套用範圍將進一步拓展。

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