近红外专栏第一期：走进fNIRS-从原理出发

近红外专栏第一期:

走进fNIRS-从原理出发

1977年Jobsis, F. F.第一次用透光光谱法测量了猫大脑中的血氧水平及其变化(图1)，并解释了脑组织对NIR光的相对透明度，论证了利用NIRS监测脑Hb氧合变化的可行性，这个实验和他随后的研究使之成为活体内近红外光谱技术的奠基人。

图1

时至今日，fNIRS已经历了40多年的发展，由于其对运动伪迹不敏感，受外界电磁影响小，时间-空间分辨率较高，无创便携等诸多优势，不仅可以测量单个个体大脑中的氧合血红蛋白(O2Hb)，脱氧血红蛋白(HHb)，总血红蛋白(HBT)浓度的变化，还可以进行时时同步的超扫描(Hyperscanning)以及兼容其他设备的多模态(Multimodal)研究。因此被认为是一种具有良好应用前景，且能为多个学科提供新研究视角的一项技术。今天我们就先来一起简单了解有关于近红外光谱技术原理方面的内容。

1. fNIRS的概念

功能性近红外光谱技术(functional near-infrared spectroscopy, fNIRS)是一种利用700-900nm的近红外光与大脑中不同生物色团的吸收散射关系，获得特定状态下大脑血液中氧合血红蛋白(O2Hb)，脱氧血红蛋白(HHb)和总血红蛋白(HBT)的浓度变化情况，进而反映神经活动的一种脑功能成像技术。

2. fNIRS的基本原理

2.1 fNIRS的生理学原理-神经血管耦合(Neurovascular Coupling)

在人类的大脑中约有120-140亿个神经元细胞，这些神经元细胞具有联络和整合输入信息并将处理后的信息进行输出的功能。神经元细胞在未激活的状态下，血液中的氧合血红蛋白(O2Hb)以一定的速率释放氧气，并转化为脱氧血红蛋白(HHb)，其释放的氧气则被神经元吸收进行最基础的代谢活动。

而当神经元细胞受到刺激并处于激活状态时，其对于氧气的需求和消耗量会大大提高，导致(O2Hb)的浓度迅速下降而(HHb)的浓度上升，这种血液中(O2Hb)和(HHb)浓度的变化又会引起大脑中的血管舒张，局部脑血流(CBF)和脑血容(CBV)增加，以此来提供更多的富含氧气的新鲜血液，在这一过程中氧气的补充量会远远多于神经元实际的消耗量，从而产生“过补偿”(Overabundance)效应，最终使得大脑血液中的(O2Hb)浓度增加而(HHb)的浓度减少。这种由于神经活动所引起的血氧水平的变化被称之为神经血管耦合(Neurovascular Coupling)(Roy & Sherrington, 1890)。不难看出fNIRS技术并没有直接对神经元本身的活动进行测量，而是对由大脑中神经元活动所引起的生理学变化具体来说就是(O2Hb)和(HHb)浓度的变化进行监测，从而来反映大脑中神经元的活动(图2)。

图2

2.2 fNIRS的光学检测原理

人体的生理组织对光具有吸收和散射的作用。血液中的主要成分水，氧合血红蛋白(O2Hb)，脱氧血红蛋白(HHb)对700-900nm的近红外光的吸收程度非常之小且具有良好的散射效果，所以700-900nm也被称之为近红外光的光谱窗口(Spectral Window)。在此光谱窗口之内存在一个等吸光点(805nm)，此时(O2Hb)与(HHb)对近红外光的吸收系数保持一致，而在此点的左右两侧(O2Hb)与(HHb)则显示出了各自对近红外光的吸收特性(图3)(Scott et al., 2006)，具体来说，当波长小于805nm时(HHb)对近红外光的吸收系数高于(O2Hb)，而当波长大于805nm时则相反，因此为了保证大脑组织血氧变化过程中(O2Hb)和(HHb)对近红外光吸收的“差动效应”(Wray et al., 1988) ，通常会在等吸光点两侧选择至少一个波长来进行测量，通常选择760nm和850nm。

Spectral Window

图3

使用fNIRS技术时，通常将发射极(光源)与接收极(探测器)置于受试者的头皮表面，并由发射极向脑组织中发射近红外光，些近红外光子经吸收后开始发生散射并穿出头皮，最终被接收极(探测器)所检测到，在此过程中近红外光会在脑组织中形成一个香蕉形(图4)的传播路径。值得注意的是发射极与接收极之间的距离一般为3cm左右，过长则会导致近红外光子被过度吸收而无法获得足够的观测信号，过短则会导致检测到的光子仅穿过浅层组织无法到达大脑皮层。

图4

由于发射极以一定的功率发射近红外光，因此入射光强可以被视作为一个定值，当接收极检测到出射光的光强后，即可将两者做差，这个入射光强与出射光强之间的差就被认为成是由(O2Hb)和(HHb)的吸收所导致的，随后利用fNIRS的数据分析软件就可以将光强的变化转换为光密度(Optical density, OD)的变化。当我们得到了差值后在根据被修正的Beer-lambert Law(图5)就可以计算出(O2Hb)与(HHb)浓度的变化量(Scholkmann et al., 2014)。

图5 Modified Beer-Lambert Law

ΔHHb：脱氧血红蛋白浓度的变化

ΔO2Hb: 氧合血红蛋白浓度的变化

(d): 发射极与接收极之间的距离(3cm)

εHHb,λ1 εO2Hb,λ1: 在波长为λ1时HHb与O2Hb各自的摩尔消光系数

εHHb,λ2 εO2Hb,λ2: 在波长为λ2时HHb与O2Hb各自的摩尔消光系数

ΔOD(Δt; λ1)：在经Δt时间后和在波长为λ1的条件下OD (Optical density) 光密度的变化

ΔOD(Δt; λ2)：在经Δt时间后和在波长为λ2的条件下OD (Optical density) 光密度的

DPF (differential path length factor)差异路径长度因子：此因子为一个由实验得来的经验值，约为6.53±0.99(Duncan et al., 1995)

在此公式中ΔOD，εHHb,λ1 εO2Hb,λ1，εHHb,λ2 εO2Hb,λ2，d, Δt均为已知量，利用两个方程即可求解出ΔHHb与ΔO2Hb。

3. 结语

以上就是本期有关于fNIRS在生理学以及光学检测原理方面的简单介绍。其实，在原理方面还存在很多的细节内容值得我们一起去了解和学习，例如什么是血流动力学响应函数(Hemodynamic response function, HRF)，此函数与fNIRS有着怎样的关系?为什要在等吸光点两侧各自(至少)取一个波长的近红外光来保证差动效应等等……。这些问题的相关内容会在今后的内容中与大家共同探讨。

参考文献

Jöbsis F. F. (1977). Noninvasive, infrared monitoring of cerebral and myocardial oxygen sufficiency and circulatory parameters. Science (New York, N.Y.), 198(4323), 1264–1267. https://doi.org/10.1126/science.929199

Roy, C. S., & Sherrington, C. S. (1890). On the Regulation of the Blood-supply of the Brain. The Journal of physiology, 11(1-2), 85–158.17. https://doi.org/10.1113/jphysiol.1890.sp000321

S. C. Bunce, M. Izzetoglu, K. Izzetoglu, B. Onaral and K. Pourrezaei, “Functional near-infrared spectroscopy,” in IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine, vol. 25, no. 4, pp. 54-62, July-Aug. 2006

https://ieeexplore.ieee.org/document/1657788

Wray, S., Cope, M., Delpy, D. T., Wyatt, J. S., & Reynolds, E. O. (1988). Characterization of the near infrared absorption spectra of cytochrome aa3 and haemoglobin for the non-invasive monitoring of cerebral oxygenation. Biochimica et biophysica acta, 933(1), 184–192. https://doi.org/10.1016/0005-2728(88)90069-2

Scholkmann, F., Kleiser, S., Metz, A. J., Zimmermann, R., Mata Pavia, J., Wolf, U., & Wolf, M. (2014). A review on continuous wave functional near-infrared spectroscopy and imaging instrumentation and methodology. Neuroimage, 85 Pt 1, 6-27. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2013.05.004

公司简介

北京恒挚科技有限公司，由中科(广东)科学集团投资，依托于广东人因技术研究院与武汉人因工程技术研究院，是一家新型的以心理人因、驾驶人因、生物力学、用户体验、虚拟现实等方向为基础，集生产、研发、销售、技术服务于一体的高新科技型企业，已成功入选中关村高新技术企业名单。

恒挚科技自主研发的驾驶人因系统、虚拟现实图形化编辑软件、光环境心理评估系统、心理与人因实验教学系统，已经进入国内市场。

恒挚科技作为波兰Cortivision近红外、俄罗斯Mitsar脑电中国区总代理、意大利BTS表面肌电等生物力学与步态分析的国内产品总代理商，荷兰Noldus行为科学、瑞典Tobii眼动仪、荷兰MindMedia生理与生物反馈、美国Biopac生理、美国ETT嗅觉/味觉刺激仪等产品的国内特许代理商。所经营的高新科技产品，已服务于包括清华大学、北京师范大学、东北师范大学、燕山大学、启元实验室、西安建筑科技大学、西北农林科技大学、深圳技术大学、西安科技大学、上海大学、航天二院、中国电子科技集团27所及28所等国内顶尖高校和最高级别的科研单位，同时为墨迹天气、网易、华为技术提供技术支持，在人才培养、科研合作、成果转化等科技领域内持续进行深度合作。

关注我们：

本篇文章来源于微信公众号:恒挚科技EVERLOYAL

近红外专栏第一期：走进fNIRS-从原理出发

合作伙伴

高校：

科研院所：

企业：

联系方式

关注我们