近红外脑成像技术原理介绍

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       由于对运动伪迹敏感、电磁干扰敏感、成像过程幽闭等原因，现有的脑功能成像技术，如功能核磁共振成像（fMRI）不适用于儿童（尤其婴幼儿）等对象，亦不适用于自然情境等高生态效度场景的研究和应用。近红外脑功能成像（functional near-infrared spectroscopy，fNIRS）被认为是一种能满足以上要求的脑功能成像技术，为脑科学基础研究和临床应用提供了全新的观测手段。

1.fNIRS基本原理

       基于近红外光穿透力强的特点，在静息态或任务态下，通过在受试者头颅表面安置不同数目的近红外光发射探头和近红外光吸收探头，给予近红外光照射，以单通道或多通道测量脑组织对近红外光吸收量和变化。在光吸收量产生变化的同时，对大脑皮质相应区域中各项指标进行测量，这些指标包括血液中的HbO2、Hb、总氧合血红蛋白（tHb）、氧化的细胞色素氧化酶（Cytox）、脑血流量（CBF）、脑血容量（CBV）、组织氧合指数（TOI）、局部氧饱和度（ISO）等。并将各指标的变化以二维或三维图像方式进行重建，通过动态图像的显示来反映脑皮质功能状态。

2.fNIRS装置

       光学层析成像装置内发出近红外光源，通过柔性光纤输送至测量部位，并从探测器接收组织衰减后的反射信号。当源探测器间的距离为2.0cm～3.0cm时，近红外光可以达到合适的测量深度，即大脑皮层。柔性光纤可以满足受试者各种不同的姿势与头位，身体活动而无需严格受限。fNIRS的测量可以在日常生活环境中完成，受试者无需应用镇静剂，对婴幼儿也同样方便适用。

       基于人体组织的高散射、低吸收的特点，检测系统采用反射式探测方法，即光源与探测器位于被探测物的同侧。通过蒙特卡罗方法模拟光子在人体脑部的传输过程发现，光子在大脑内的传播路径呈现香蕉型，并且在光源与探测器的间距超过2.9cm 的情形下，光子可穿透至少1cm 的深度，基于脑部解剖结构可知，此时可穿透外层组织即头皮、颅骨和脑脊液，而到达脑灰质，这样便可携带大脑灰质的血红蛋白的含量信息。光源与探测器的距离越远，穿透的深度也越大，光的损耗也越多。

3.fNIRS的生理学原理

       大脑通过血液的新陈代谢为神经元活动提供所需的氧,而氧的消耗又刺激大脑局部血管的舒张,促使毛细血管血流量增加,导致局部脑血流和脑血容的增加,表现为大脑血氧水平的迅速提高,这就是神经血管耦合。

在这个机制的作用下,认知神经活动过程中,大脑神经活动区域增加的脑血流所携带的氧将大大超过大脑活动所需的氧,而氧通过血液中的血红蛋白进行传输,故而认知活动过程中,大脑活动区域会出现血液中氧合血红蛋白（oxy-Hb）浓度的上升,脱氧血红蛋白（deoxy-Hb）浓度的下降。功能磁共振成像技术（MRI）正是利用认知活动中血红蛋白浓度的变化导致的磁性变化,从而获得BOLD信号。

       大脑组织活动时,血氧水平不仅会影响其磁性变化,同时也会影响其光学特性。生理组织对光有两种反应：一是吸收,二是散射。血液的主要成分（水、氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白）对600-900nm的近红外光的吸收非常小,具有良好的散射性,因此600-900nm的近红外光也被称为光谱窗。在这个光谱窗内,760nm和850nm左右的近红外光对氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的敏感性是不同的,前者对脱氧状态敏感,后者对氧合状态更为敏感。因为头部不同皮层内散射的数量不会因为神经活动而变化,皮层组织散射导致的衰减被认为是恒定的。因此认知活动中测量到的衰减的变化就被认为是由于吸收的变化,而这个变化又是大脑活动组织中氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的变化所致。

4.Beer-Lamber定律

       组织中存在丰富的微血管（直径<1mm,包括毛细血管、微动脉、微静脉等）, 其运输着的红细胞携带有近红外光在组织中的主要吸收体：血红蛋白（这种蛋白起到运输氧气的重要作用），近红外光在穿过微血管后，光强就会减弱，血红蛋白浓度越高，光强减弱越明显（在知道入射光强和出射光强的情况下，就可以对血红蛋白的浓度进行估计，这一规律被总结量化为Beer-Lambert定律）。因而通过测定大脑活动区域脑皮层散射光的强度,可以推知该区域血氧和血容量的变化。这样就可以得到在进行认知活动时脑内氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的相对浓度变化,从而推测认知活动相关的脑区及各脑区之间的相互关系。

       因此研究者可以采用功能性近红外光谱技术（fNIRS）获得大脑活动时血氧水平的变化,进而研究认知活动过程的神经机制。