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一文详解近红外脑功能成像（fNIRS）的原理与应用

导语

本期干货将详细介绍近红外脑功能成像（fNIRS）的基本原理、功能及具体的应用方向。

功能近红外光谱的原理

功能近红外光谱（fNIRS）是一种光谱分析技术，该技术通过光密度的变化，计算血管中氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度，监测大脑的神经活动。使用近红外光谱光学脑成像设备，首先需要在头皮上放置光极，发射近红外光的光极称为发射端（Emitter），接收近红外光的光极称为接收端（Detector），现世界公认的发射端与接收端的最佳距离是3cm。那么如何监测光密度的变化呢？发射端发射一个固定波长的光进入到大脑皮层，光透过头皮颅骨穿过脑脊液，通过相交路径，经过一定吸收后被接收端检测。发射端和接收端的活动路径呈香蕉型，可以把他们叫做光子香蕉。

认知神经活动过程中，大脑需要能量供给，神经能量供给的来源是血流中的葡萄糖和氧气。血流变化是指含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白的变化，含氧血红蛋白吸收峰在850nm（纳米）左右，脱氧血红蛋白的吸收峰在750nm左右，通过定量监测这两个波长附近光密度的变化就可以推测大脑内的血流变化。

血流变化如何反应神经活动

血流的变化又是如何反应神经活动的呢？当大脑需要进行认知任务时，神经元会向身体发送需要供给能量的信号，能量供给来源于血流中的葡萄糖和氧气，因此，当大脑某处有神经元活动时该处的血流就会增加，这就叫做神经血管耦合现象。需要注意的是，在大脑进行神经活动时，该处血流增加所携带的氧气量将大大超过大脑活动所需的氧气量，称为氧供给过补偿效应。氧气通过血流中的血红蛋白进行传输，神经元进行活动时会消耗一定的氧气，含氧血红蛋白消耗氧气后就会变成脱氧血红蛋白。由于氧供过补偿效应，实际情况是含氧血红蛋白数量大量增加、少量减少，脱氧血红蛋白数量少量增加。所以相对而言，我们实际上观测到的结果就会是含氧血红蛋白数量的大量增加，脱氧血红蛋白减少。通过监测血流变化反应神经元活动会不可避免地受到一些影响，例如心脏的跳动，心脏每一次跳动都会对全身的各个部位进行供氧，从而对大脑活动的监测造成影响。此外，头皮上的血流也会被监测到，所以在后续的信号处理中就需要去除这些影响因素。

测量数据-比尔朗伯定律

那么光密度的变化如何表示为一个可以实际测量的量呢？我们可以通过比尔-朗伯定律，比尔-朗伯定律（Lambert-Beer law）是分光光度法的基本定律，是描述物质对某一波长光吸收的强弱与吸光物质的浓度及其液层厚度间的关系。由于发射端所发射的是一个固定波长的光，所以入射光的光密度已知。图2中红色表示850nm左右的含氧血红蛋白的波长，黄色表示750nm-800nm左右的脱氧血红蛋白的波长。当这两种光通过大脑组织时，将会发生以下6种情况：

①和②表示光被含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白所吸收的情况③表示光走了一个弯曲的路径被接收端监测到的情况

④表示光走了一个直线的路径被接收端监测到的情况

⑤表示光走了一个路径但没有被接收端监测到的情况

⑥表示光被反射回来的情况

因此我们可以通过发射端所发出的入射光（Ι in）及接收端所接收的检测光（Ι out）的信号得知光密度的变化，光密度的变化可以通过一个修正的比尔-朗伯定律表示。∆c表示光密度的变化，其他均为已知量。ε(λ)表示入射光的系数，因为我们用的是固定波长所以是已知的；d表示发射端与接收端的距离——3cm；DPF(λ)表示一个与年龄相关的系数；g(λ)表示其他因素引起的光衰减的总和，可忽略不计。因此，这种方法就可以通过神经血管耦合现象去监测大脑中血流的变化从而推测大脑中神经元的活动。

fNIRS与其他脑功能研究技术对比

目前研究脑功能的方法主要有fNIRS、fMRI、EEG/MEG、PET这四大类，fNIRS和fMRI主要用于研究脑功能（function），EEG/MEG是比较常用的设备，PET由于需要注射同位素用得较少。从信号来源来看，fNIRS主要测量神经元激活后大脑组织中含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度变化；fMRI测量的一种依赖血氧水平变化的信号（BOLD信号），实际上可以认为是测量脱氧血红蛋白；EEG/MEG测量电信号和电磁信号，PET通过葡萄糖的代谢研究大脑中的血流变化。从时间分辨率来看，时间分辨率最好的是EEG可以达到1000HZ，而PET和fMRI不占优势，扫描速度较慢。从空间分辨率来看，fMRI和PET的穿透深度较深，如果想监测一些精密的位置或者研究全脑的话，最好选择fMRI和PET。如果想监测大脑皮层，我们可以选择fNIRS和EEG/MEG。

fNIRS的优势与劣势

优势

相对较高的时间分辨率（Brite MKIII采样频率25Hz、50Hz、75Hz，最高可达150Hz）相对较高的空间分辨率，可运用插值计算获得

较好的抗运动干扰能力

安静、安全、便携

操作简单、可在自然环境采集数据多模态采集 (可与EEG、fMRI同步采集)

受试者不受限（可采集受试者在自然状态下的数据，不需要打脑电膏）

劣势

只能监测大脑皮层的浅层（1.5-2cm）头发会对测试造成影响（新型设备增加了光子的强度，头发造成的干扰会得到改善）

会有心跳、呼吸及低频信号的干扰（需要做信号预处理）

fNIRS的应用领域

抗运动千扰、自然环境：室内和户外研究前额皮层与认知功能（真实、自然环境下的认知加工）

运动与认知研究

神经康复（脑卒中、帕金森病）

语言、视觉、听觉和感觉运动系统

多个被试之间的超扫描研究（人际互动）

特殊人群: 婴幼儿，老人

神经发育障碍:孤独症、注意力缺陷、多动症

精神疾病:精神分裂症

fNIRS的应用案例

fNIRS在儿童领域的研究

由于幼小儿童身心发育尚不成熟，自我控制能力差，对头动有较高要求的事件相关电位(ERP)，功能磁共振成像(fMRI)等技术难以实施。而近红外脑功能成像技术具有较高的非侵害性，并且对实验中被试的头动容忍度较高。这使得其特别适用于研究幼小儿童，甚至是发展障碍儿童等特殊群体。

自闭症

借助fNIRS技术，人们可以对儿童是否患有自闭症进行有效的预测。一项针对7~12岁自闭症儿童认知转换的神经机制的研究发现正常儿童完成认知转换任务时双侧前额叶均有显著激活，而自闭症儿童只有左侧前额叶有激活，右侧前额叶无明显反应。

自闭症儿童只有左侧前额叶有激活，右侧前额叶无明显反应。

多动症

一项运用近红外脑功能成像技术研究多动症患儿在完成被试抑制竞争反应能力的斯特鲁普(Stroop)词色任务时发现，其前额叶皮层氧合血红蛋白浓度的变化弱于正常儿童，这表明ADHD 患儿不能很好地实现大脑前额叶的激活，大脑前额叶存在功能障碍。

在Stroop任务中，相对于 ADHD儿童，健康儿童的氧合血红蛋白在右侧的背外侧前额叶有显著性的增加。

发展性阅读障碍

由于以往技术的局限性，对早期发展性障碍儿童的研究非常少。fNIRS技术的出现为研究者探究发展性障碍儿童早期阶段、甚至是初生时期的前额叶功能异常提供了支持。利用fNIRS技术的研究表明，相比于正常人，有阅读障碍的人在一系列功能和结构的神经影像研究中表现出了激活减少和灰质体积减少。而Siok 等人则在研究中发现中文阅读障碍的儿童相比于正常儿童，他们在左脑额中回的激活强度较少。这些研究表明fNIRS 可以有效地应用于特殊儿童脑功能连接研究，成为发展阅读障碍儿童早期诊断和监测的工具。

fNIRS在精神疾病中的研究

fNIRS通过检测大脑表层氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度变化，从而了解大脑代谢情况，这对精神疾病的早期预防、诊断和治疗提供了客观的影像学证据。

精神分裂症

相关研究发现，精神分裂症患者前额叶功能存在异常。Watanabe 等运用单通道fNIRS检测62例精神分裂症患者与31名正常对照组血红蛋白的波谱变化，首次阐述精神分裂症患者在语言流畅性任务（VFT）期间左额叶皮层oxy-Hb浓度减少。在另一项研究中，应用多通道fNIRS分别采集145名精神分裂症患者和100名正常对照组的大样本量数据，研究精神分裂症患者和正常对照组进行VFT检测时大脑的激活反应。结果证明，VFT中精神分裂症患者较正常对照组额叶及颞上回激活明显降低。通过fNIRS采集的数据提供了可靠的证据证明VFT中精神分裂症患者有脑功能障碍。

正常对照组（HC）和精神分裂症组（SZ）任务期间脑激活的结果较基线的相对变化

抑郁症

与精神分裂症相似，前额叶功能异常也是抑郁症的主要神经生物学异常之一。Matsuo等研究抑郁症患者语言流畅性任务(VFT) 下和过度换气过程中前额叶皮质的血流变化，结果发现与正常人相比，抑郁症患者VFT下前额叶皮质激活明显降低，过度换气过程中前额叶皮质血流变化的幅度也较小。Pu等人研究抑郁症患者VFT下前额叶激活与自杀意念之间的关联，结果发现伴有自杀意念的抑郁症患者右侧前额叶背外侧皮质、前额叶眶叶皮质、右侧额极皮质激活显著低于不伴有自杀意念的抑郁症患者，故认为fNIRS技术在自杀风险评估方面有着巨大的临床价值。

前额叶皮质氧合血红蛋白平均变化的三维地形图显示：伴有自杀意念的抑郁症患者VS不伴有自杀意念的抑郁症患者（大脑区域与fNIRS通道相对应，黄色的部分表示其平均氧合血红蛋白变化明显较小，发现伴有自杀意念的抑郁症患者右侧前额叶背外侧皮质、前额叶眶叶皮质、右侧额极皮质激活显著低于不伴有自杀意念的抑郁症患者）。

创伤后应激障碍

创伤后应激障碍( PTSD ) 是常见的焦虑障碍之一，Matsuo 等对 34 名东京地铁沙林事件中的受害者( 8人诊断为 PTSD) 通过视频的方式模拟创伤事件相关刺激，经 fNIRS检测发现，当出现事件相关画面时，所有受害者 ( 包括对照组) 均表现出 oxy-Hb 含量增加，且 PTSD 患者 deoxy-Hb 值表现为显著减少。

fNIRS在神经康复领域中的研究

脑卒中

Mihara等人对12例中风患者和11个健康参与者（对照组）分别进行了测试。所有被试在跑步机上运动的同时使用近红外成像技术监测血红蛋白的变化情况。研究结果显示，对照组在步速加快后额叶区激活有所减少，而患者组额叶区在加速后稳定阶段却一直处于活跃状态。结果表明患者加快步伐的过程需要额叶区域的调控，在患者康复过程中额叶区可能会成为代偿区域，参与步速的调控。

（a）12根光源纤维（红圈）和16个探测器（蓝圈）组成的光纤帽覆盖前顶叶皮质（这幅图显示了正常大脑表面的解剖位置以及每个大脑表面所覆盖的假定皮质区域）（b）对照组和中风患者运动任务期间血红蛋白变化的代表性数据（红线表示氧合血红蛋白，蓝线表示脱氧血红蛋白，绿线表示总血红蛋白；黑线表示跑步。

慢性疼痛

临床中有大量证据表明慢性疼痛患者具有认知损伤。近红外脑功能成像技术通过检测认知活动中前额叶皮层的激活，进而获取疼痛患者失常与认知障碍的关系。在一项采用言语流畅性任务（VFT）的研究中，用fNIRS对24例躯体疼痛患者（SPD）和 24名健康人前额叶区（PFC）氧合血红蛋白(oxy-Hb) 的相对浓度进行测量，结果发现在VFT任务中，SPD患者产生的词数比健康对照组少，且SPD患者的激活区域的面积小于健康对照组，SPD患者氧合血红蛋白的平均活化强度明显低于健康对照组，证据表明SPD患者的认知缺陷可能牵涉PFC，尤其是双侧背外侧前额叶皮质（DLPFC）显著的功能失常。

帕金森病

Inbal 等人利用fNIRS收集了帕金森病人行走、转向时前额皮质的脑部激活，分析后发现在所有PD患者中，与静止站立相比，行走期间的前额叶激活显着增加。相比之下，在转弯期间，与安静站立相比，前期激活显着减少。且在行走期间HbO水平明显高于转向期间。将患者分为活动能力强与活动能力弱的2组后，对比转向期间的前额叶激活，发现在常规行走期间在前额叶激活中观察到两个组之间没有显着差异，但在转弯时，受限组的激活更少。且转弯时的HbO水平与步态速度呈现相关。

PD患者行走与转向期间的前额激活对比

帕金森病患者在正常行走过程中的更高激活表明，前额叶皮质已经发挥了重要作用，且帕金森病患者前额叶的激活取决于任务的性质。这些发现可能对PD患者步态的恢复有重要意义。

fNIRS在运动科学领域中的应用研究

fNIRS在运动科学中的应用有助于评估运动耐力、监测训练过程、促进康复和优化运动表现。通过了解大脑和肌肉组织的氧合变化，可以更好地理解运动的生理和认知效应，并为个体的训练和康复提供个性化的指导。

近年内，artinis的便携式fNIRS设备PortaLite、OctaMon和Brite均被用于多项运动科学研究。如Sathe等人使用Brite设备测量了从事体育运动和平时几乎不运动的年轻人在动态平衡测试中前额叶皮层的氧合情况。研究结果显示，运动组的表现明显优于非运动组，这种差异也在前额叶皮层激活区域的活化差异中可见。

fNIRS多模态研究

fNIRS可以与其他技术结合使用，例如脑电图（EEG）或经颅电刺激（tES），以获得更全面的脑活动数据，有助于深入理解脑功能和认知过程，并为治疗和干预策略的开发和优化提供支持。在2022年，共发表了四篇结合fNIRS与其他技术结合进行多模态研究的研究论文，其中两篇是fNIRS与EEG的结合，另外两篇是fNIRS与tES的结合。fNIRS和EEG提供了互补的信息，可以用于改善机器学习算法在认知或情绪状态检测中的性能。Chu等人旨在利用64通道EEG和2通道fNIRS检测心理负荷。参与者随机执行不同难度水平的MATB（Multi-Attribute Task Battery）任务。

研究人员计算了HHb（脱氧血红蛋白）以及O2Hb（氧合血红蛋白）与EEG频带功率之间的相关性，并将这些相关性指标与EEG功率谱特征一起作为特征集合，以检测心理负荷的程度。接着使用特征选择来最小化EEG通道的数量，以实现简约且灵活的设置。最终结果显示，增加EEG通道的数量在一定程度上能够提高分类准确性。此外，随着任务难度增加，EEG的θ频带功率和前额叶区域的O2Hb浓度增加，而HHb浓度减少。

由我们所代理的artinis公司专注于fNIRS设备和解决方案，提供一系列先进的fNIRS设备，如Brite、OxyMon、PortaLite、OctaMon等。这些设备具有高精度、便携性和易于使用的特点，适用于多个应用领域和研究目的。