频域近红外脑成像技术是什么？斯坦福刘宁研究员带你详细了解

“心仪科技”之前推出了“认知与脑调控”直播周的活动，邀请了各位学者向大家介绍关于脑电、近红外、眼动技术等相关知识。

主讲人：刘宁博士，斯坦福大学近红外影像研究员。目前为美国斯坦福大学人类精神及行为系研究员，从事近红外成像技术的开发和应用多年。发表学术论文数十篇，并担任数个学术期刊的评审编辑和国际会议的评审委员。

本期主要从以下四个部分进行介绍：

近红外特刊

这是我们最近刚刚做的一期近红外特刊《FNIRS in Neuroscience and its Emerging Applications》，在Frontiers in Neuroscience杂志上面，Frontiers in Neuroscience和Frontiers in Human Neuroscience是两个杂志，不同点是前者偏方法，后者偏应用。特刊上面最近新收录了VR和NIRS（近红外）相结合的文献，感兴趣的同学可以去查看。同时，里面还收录了很多近红外的方法及应用的文章。

杂志链接：

Frontiers in Neuroscience

https://www.frontiersin.org/journals/neuroscience

Frontiers in Human Neuroscience

https://www.frontiersin.org/journals/human-neuroscience  

什么是近红外成像

这是我们最近刚刚做的一期近红外特刊《FNIRS in Neuroscience and its Emerging Applications》，在Frontiers in Neuroscience杂志上面，Frontiers in Neuroscience和Frontiers in Human Neuroscience是两个杂志，不同点是前者偏方法，后者偏应用。特刊上面最近新收录了VR和NIRS（近红外）相结合的文献，感兴趣的同学可以去查看。同时，里面还收录了很多近红外的方法及应用的文章。

1.近红外成像的基本原理

我们可以看到，水这个物质没有散射。但是，水里面掺杂一些牛奶，很多光不是直线了，往各个方向，这是因为牛奶是高散射的介质。同样的道理，手指头也全亮了。

人体也是一个高散射的或者强散射的介质。因此，用近红外并不像X光那么容易，这是因为人体是散射的，散射引起了很多问题。

光进来主要和人体有两个作用：第一，光被吸收掉；第二，把光散射掉。

2.近红外脑成像的开始

很多年前人们并不知道光怎么能进到人的头脑里面呢？

很明显光会被散射掉或者反射了，然后就看不见了。那我们是怎么知道光是可以进入人脑的，谁第一个发现这个现象的？

Dr.jobsis于1977年在Science上发表了一篇文章，这是第一篇说明近红外的光可以做头部和肌肉的成像，是近红外头部成像的开始。

三种常见近红外成像技术

近红外如何成像的呢？

目前，主要有三种常见近红外成像技术，分别是：连续波（continous wave NIRI, CWNIRI）、频域（frequency domain NIRI, FD NIRI）、时域（time domain NIRI,TD NIRI）。

最常用也是经常提到的是“连续波”，欧洲比较流行的是“频域”和“时域”。

那么这三种成像技术有什么区别呢？

其实“时域”和“频域”较“连续波”复杂，为什么大家还是要用呢？下面我详细讲解三种成像技术。

1.连续波

I0指入式光，打进来的光，是一个恒定的光源；中间这个黄色的是介质；I指出来的光。光线从介质出来以后的强度变弱，变弱是由于介质里面发生了光的吸收与散射。之后，通过一些算法我们可以推演出光的吸收情况。

2.频域

“频域”打出来的光不再是恒定光，而是调制波。通过介质出来以后，振幅减小并且相位发生了移动。

3.时域

“时域”打入的是一个非常窄的脉冲，经过介质出来以后，光被扩展成宽的脉冲，通过对宽的脉冲的研究可以得到介质里面光的吸收和散射情况。

通过介绍我们发现“时域”和“频域”较“连续波”复杂，为什么大家还是要用呢？

这是因为“时域”和“频域”里面包含更多信息，使得它们依然在发展。但是现在大部分做脑成像的还是在用连续波。

“频域”近红外仪器目前唯一一家商用厂家是ISS,Inc.(Champaign,IL)。这个仪器其实在九十年代末就开始出产了，它可以做光谱仪（spectroscopy）、血氧测定仪（oximetry），也可以做成像（Imaging）。

该仪器采用时间复用光源（temporal multiplexing）和多通道外差探测（heterodyne detection）。

常用的“连续波”近红外技术处理方法：

该方法使用的背景：假设散射是恒定不变的；假设DPF值；它测量的是吸收的相对变化值。

如果用频域近红外技术来做的话，我们不需要上面的两个假设，因为频域近红外可以同时测量到吸收和散射的绝对值。

常用的频域近红外信号表达：

由三个参数组成。第一部分是DC，跟连续波是一样的，也就是AC振幅的平均值；AC是振幅；另一个是它的相位。

图5 频域近红外信号表达式

同时使用振幅和相位信息的优点：

1.可以同时得到吸收和散射系数，这样得到值比连续波的更准。连续波不得不假设散射是均匀的，而且只能看吸收的变化值；其实散射会变化，散射的变化和神经元相关。现在认为“快信号”可以测到神经元的活动，而“慢信号”（连续波）只能测到血流的活动。

2.可以得到血红蛋白浓度的绝对值，而不是变化值。

应用举例

1. 频域近红外成像在医疗上的应用

脑室内出血新生儿的脑氧代谢（Lin et al., Sci, Reports6, 25903, 2016）

多发性硬化（Yan & Dunn, 2015）

缺氧（Davies et al., 2017）

麻醉（Meng et al., 2012）

2.使用DC的应用举例

与EEG结合（Tong et al.,2005）

与fMRI结合（sassaroli et al.,2006）

多任务（solovey et al.,2011）

睡眠（pierro et al., 2012）

自行车（Lin et al., 2013b）

颅内压（Ruesch et al., 2019）

3.使用AC振幅和使用DC的区别

早期：二者有区别。

AC属于高频调制波，目前商用的调制频率一般在110MHz。调制的好处是探测时可以将调制的光和自然光区分开来。早期时，连续波光源还是用的恒定光源，所以大家发现虽然用AC振幅和DC得到的东西差不多，但是AC振幅的干扰、噪音更小，不会有自然光进来，所以很多人习惯用AC振幅。

现在：区别不大。

使用DC同样可以区分出调制的光和自然光。




4. 使用AC振幅的应用举例

用下面的例子，我想说明用AC振幅来做的结果和CW连续波做出来的结果没有太大区别。

这个实验中，把探测刺激放在左右的视觉神经上面，测量神经元活动引起的血流变化；任务是先看10s的棋盘，然后用2Hz的频率进行棋盘翻转20s，然后再有一个30s的间隙，该试次重复20次；实验前后各有2分钟的基线期。



结果表明：

蓝色的这块就是我们做任务的30s，前10s看棋盘，后面20s棋盘反转闪烁。

红色线条（O2Hb）是氧合血红蛋白，蓝色线条（HHb）是脱氧血红蛋白；刺激来了以后O2Hb迅速上升，达到峰值以后基本保持持平，在刺激消失后慢慢地下降并回到基线水平。HHb则是在刺激来了以后开始下降，但是变化幅度比较小，最后保持平稳，待刺激消失以后回到基线水平。这个是比较常见的连续波的血流响应。



图7 使用AC的应用举例结果1

同样的实验，研究者还做了运动神经数据的收集。

实验任务是被试以1.5Hz的频率用右手捏拳头，一共捏20s，捏完以后休息20s，一共重复10次。同样任务前后都有2分钟的基线期。这个血流响应就跟刚刚的视觉神经不一样了。刺激来了以后O2Hb有两个峰值，HHb则一直在下降，而且下降的很多，直到刺激完了以后才慢慢恢复到基线水平。



图8 使用AC的应用举例结果2

通过上面的两个结果的介绍，我想说明不同脑区的血流响应其实也是不一样的。

今天的分享就到了这里了！

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