fNIRS 近紅外腦功能成像基礎(chǔ)知識(shí)

功能近紅外光譜成像技術(shù)（functional Near-Infrared Spectroscopy，fNIRS）主要利用多個(gè)波長(zhǎng)的近紅外光與腦組織中生色團(tuán)物質(zhì)之間的吸收和散射關(guān)系，考察特定狀態(tài)下腦組織中氧合血紅蛋白、脫氧血紅蛋白以及總血紅蛋白的濃度變化，進(jìn)而間接考察神經(jīng)元的活動(dòng)、細(xì)胞能量代謝以及血液動(dòng)力學(xué)相關(guān)的功能，反映大腦的狀態(tài)與加工的過(guò)程。 

fNIRS 是一種無(wú)創(chuàng)性、可實(shí)時(shí)在體監(jiān)測(cè)、能在動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)條件下應(yīng)用的光學(xué)腦功能檢測(cè)技術(shù)，它為運(yùn)動(dòng)過(guò)程中腦功能活動(dòng)的研究開(kāi)辟了一條新路。 

1.1 fNIRS 生理學(xué)基礎(chǔ) 

fNIRS 生理學(xué)基礎(chǔ)是神經(jīng)血管耦合機(jī)制，Roy 和 Sherrington 早在 1890 年就曾提出了一個(gè)非常著名的假說(shuō)，“大腦的血流供應(yīng)會(huì)隨其功能活動(dòng)的局部變化而進(jìn)行局部響應(yīng)”。1 

通常情況下，由于腦血管存在自身調(diào)節(jié)機(jī)制，局部腦血流的供應(yīng)和局部氧代謝率處于一種平穩(wěn)狀態(tài)，使得氧合血紅蛋白（Oxy-Hemoglobin）和脫氧血紅蛋白（Deoxy- Hemoglobin）濃度基本保持不變。

在大腦處于激活狀態(tài)時(shí)，這種平穩(wěn)狀態(tài)被打破，腦血流量和氧代謝率會(huì)顯著增加，氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白濃度發(fā)生相應(yīng)的改變，通過(guò) HbO2、Hb以及總血紅蛋白的測(cè)量，可間接評(píng)定大腦功能狀態(tài)。 

圖 1-1 激活(a)與靜息(b)兩種生理狀態(tài)下局部腦血流及血氧水平的變化 

1.2 fNIRS 的物理學(xué)基礎(chǔ) 

生理組織對(duì)光有兩種反應(yīng), 一是吸收, 二是散射。血液的主要成分(水, 氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白)對(duì) 600-900 nm 的近紅外光的吸收非常?。ㄋ奈兆钚。t蛋白的吸收占主導(dǎo)），具有良好的散射性,光子可以從人體頭部表面出發(fā)穿越頭骨到達(dá)大腦皮層，因此 600-900 nm 的近紅外光也被稱為光譜窗(見(jiàn)圖1-2 )。在這個(gè)光譜窗內(nèi), 脫氧血紅蛋白的吸收峰值在 760 nm 處，氧合血紅蛋白的吸收峰值在 850 nm 處（見(jiàn)圖 1-3）。兩種血紅蛋白在 805nm 附近有一個(gè)等吸收點(diǎn)，在 805nm 兩側(cè)兩種血紅蛋白分別表現(xiàn)出各自的相對(duì)優(yōu)勢(shì)吸收特性，故而在等吸收點(diǎn)的左右兩邊分別（至少）選擇一個(gè)波長(zhǎng)光以保證組織血氧發(fā)生變化時(shí) HbO2 和 Hb 對(duì)光吸收的差動(dòng)效應(yīng)。² 

圖 1-2 水和血紅蛋白在近紅外波長(zhǎng)范圍的吸收率 

圖 1-3 氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白對(duì)不同波長(zhǎng)光的吸收率

使用近紅外腦成像設(shè)備時(shí)，將光源置于頭部相應(yīng)部位，由于光源發(fā)出的復(fù)合 光線在不同組織層的散射作用，NIR 通過(guò)皮膚組織的光路長(zhǎng)度（光學(xué)路徑長(zhǎng)）長(zhǎng)于源頭和探測(cè)器之間的物理距離。NIR 光線通過(guò)不同組織層的空間分布構(gòu)成一種香蕉形狀的范圍（見(jiàn)圖 1-4）。充足的 NIR 光線穿透深度可以在嬰兒和成人頭上放置一個(gè)探測(cè)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，分別是 2-3cm 和 4-5cm。光源發(fā)射的光進(jìn)入組織或細(xì)胞，在歷經(jīng)一系列吸收、散射事件后，仍會(huì)有一部分光子到達(dá)皮層表面，探測(cè)器可以接收到這些光信號(hào)。 

Beer-Lambert 定律為近紅外光譜技術(shù)提供了物理基礎(chǔ)。依據(jù)修正的Beer-Lambert 定律可以得出光的衰減量。由于出射光中攜帶著與吸收和散射相關(guān)的組織生化信息，通過(guò)對(duì)光學(xué)參數(shù)的檢測(cè)，可以推知大腦活動(dòng)時(shí)氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的變化量，進(jìn)而得知腦功能的改變，通過(guò)一定的圖像恢復(fù)重建可進(jìn)一步得到腦活動(dòng)的近紅外光學(xué)圖像。3 

圖 1-4 近紅外腦成像原理示意圖

參考文獻(xiàn)：

1 C S Roy, et al. On the Regulation of the Blood-supply of the Brain[J]. J Physiol, 1890, 11(1-2):85-158.17. IF=5.182

2 S Wray, et al. Characterization of the near infrared absorption spectra of cytochrome aa3 and haemoglobin for the non-invasive monitoring of cerebral oxygenation[J]. Biochim Biophys Acta, 1988, 933(1):184-92.

3 F F J?bsis. Noninvasive, infrared monitoring of cerebral and myocardial oxygen sufficiency and circulatory parameters[J]. Science, 1977, 198(4323):1264-7. IF=47.720