fNIRS中光传播与穿透深度

生物光子学fNIRS技术的奠基人Britton Chance教授早在1997年指出，穿透深度与探头排布距离相关(“depth of penetration seemed mainly to be a function of the interoptode distance”)，同时在其研究中，使用普通白光灯(white light source)+滤光片(760nm和850nm)，实现了枕叶皮层的功能成像并检测到了视觉刺激任务带来的脑激活效应[1]。

该研究说明，探测深度与探头间距相关，而与光源类型无关。

近红外光在人体组织传播的基本规律，可以由如下的扩散方程所描述[2]：

(1)其中Φ是光子密度，D是扩散系数，S是光源的分布。其中，扩散系数D又有如下关系：

(2)其中μα和μ's分别为人体组织对于近红外光的吸收系数和约化散射系数，这两个系数主要地决定了近红外光在人体组织的传播路径和深度，它们还与光的波长相关[3]，而与光源类型(LASER、LED、其他光源等)是完全无关的。

由上述扩散方程，在给定发射光源和接收探测器位置，可以得到光传播路径的分布特点，即按照一定宽度一定深度的香蕉型光路传播。其中光传播路径中的“穿透深度指标”仅与发射-接收探头排布间距相关。

如Strangman等人研究指出，探头排布间距增加时，探测的最大深度相关敏感性增加[4]。上述结果是作者通过3,555次蒙特卡罗 (MC) 模拟得出，这与光源类型无关。

图3 深度敏感性分布随发射-接收间距的变化规律，引自[5]

所以通常用于成人fNIRS成像研究的发射-接收的排布间距为3cm，对应探测深度约为2cm[5]，因而可以检测到大脑皮层的血红蛋白变化信息。波长选择是和当时的工业发展水平和应用现状密切相关，在含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白等位吸收点波长808nm更低的波长范围内，最早期的工业品只有695nm和780nm两个波长的激光零件可选，高端、特种的固态近红外光光源当时尚没有零件面世，所以只能在LASER中将就挑其中一个。从图1光窗图中可以看出，695nm波长的吸收系数太高，780nm波长的两种蛋白吸收系数差异太小，整个技术路线(地基)并不是可靠的。最优的技术路线是选择730nm的波长(宜波长)。从图1光窗图中可以看到，730nm波长处，吸收系数最小且相对等位吸收点差异化足够，是最优选择Most Suitable Wavelength 。特别是当代工业界纯近红外光特种LED产品的工艺和应用变得成熟，使得“宜波长”方案可靠运用在fNIRS系统上。

综上所述，光源的类型，无论是LASER还是LED，其穿透颅骨的能力、探测大脑皮层的深度的能力是相同的。从各自的光源的特点而言，激光光源风险高，运行稳定性差，容易受到温度漂移的影响，并且波长选择受限制，而作为新一代的固态发光技术， 特种近红外LED光源随着半导体技术的稳步发展，目前有着稳定性高、无安全风险、信噪比高、波长选择更适宜等优势[6]，在近红外脑成像技术中逐渐取代激光光源作为更适宜的光源类型(见表一：波长选择演进历史和最新的文献选取730nm)。

参考文献

[1] Villringer A, Chance B. Non-invasive optical spectroscopy and imaging of human brain function[J]. Trends in neurosciences, 1997, 20(10): 435-442.

[2] Yuan Z, Zhang J, Wang X, Li C. A systematic investigation of reflectance diffuse optical tomography using nonlinear reconstruction methods and continuous wave measurements. Biomed Opt Express. 2014 Aug 12;5(9):3011-22.

[3] Jacques SL. Optical properties of biological tissues: a review. Phys Med Biol. 2013 Jun 7;58(11):R37-61.

[4] Strangman GE, Li Z, Zhang Q. Depth sensitivity and source-detector separations for near infrared spectroscopy based on the Colin27 brain template[J]. PLoS One. 2013 Aug 1;8(8):e66319.

[5] 近红外脑功能成像临床应用专家共识编写组. 近红外脑功能成像临床应用专家共识[J]. 中国老年保健医学, 2021.

[6] Dong J, Xiong D. Applications of Light Emitting Diodes in Health Care. Ann Biomed Eng. 2017 Nov;45(11):2509-2523.

打赏