近红外脑功能成像技术（fNIRI）及其应用(转)
2010-12-09 00:30阅读：
光成像简介
近年来,脑成像技术成为认知神经科学方面研究的新宠，而认知神经科学为心理学的蓬勃发展作出了重要的贡献。目前已有几种脑成像技术被引用，如功能磁共振成像、正电子发射计算机断层显像、单光子发射计算机断层显像和光成像。
光学成像技术的发展,
为认知活动脑机制研究提供了新的重要研究手段.
光学成像技术可在不同层次揭示神经系统的结构和功能信息,
从新的角度为解释认知活动提供重要实验依据。光成像(Optical
Imaging)的依据是,神经元活动会引起某些有关物质(如水、离子
)
的改变,导致其光学特性发生变化,在与外加的某些特定波长的光量子相互作用后就得到了相应的光信号。通过成像仪器系统探测到此光信号的某一时间间隔内的空间分布,形成影像。光学成像具有比fMRI更高的空间和时间分辨力,可以更小的体素来测量总脱氧血红蛋、总血红蛋和血容量的改变。光学成像有多种,其中以近红外谱技术(near
infrared spectroscopy,
NIRS)和光学相干断层成像技术(optical coherence
tomograph, OCT)发展迅速,它们均能提供观察脑皮质功能柱的高分辨图像。NIRS可穿过颅骨,已用于动物和儿童的无创性脑功能研究。
fNIRI的应用意义
功能型近红外光学监测技术对现有的 fMRI，PET
技术是一个非常有益的补充，它以组织中的血容和血氧为信息载体，通过测量大脑皮层中血容、血氧的分布和变化情况来了解大脑的活动。功能型近红外光学监测技术能够进行实时的非侵入式测量，具有时间精度高，灵活，易用，低成本等优点。与
fMRI 相比，尽管其空间分辨率达不到
fMRI
的水平，但在价格、便携性、易于使用以及对被试几乎无干扰（由于测量方式上的原因，fMRI
容易引起被试的“幽闭恐惧”，不利于大脑活动的检测研究）等方面则远远胜过了 fMRI。与 PET
相比，功能型近红外光学监测技术不需要像 PET
所必需的回旋加速器这样的附加设备和把放射线中核注入人体这样的操作，在安全性方面对人体更为有利，可对被试进行多次较长时间的测量。并且，fMRI
和 PET
技术要求受试者在实验过程中不能动作，故难以对儿童进行研究。而功能型近红外光学监测技术则没有这一限制。这些使得功能型近红外光学监测技术在大脑活动的大空间尺度研究上具备了很大的优越性，引起了国际神经生物学界的广泛关注。
fNIRI系统构成与工作原理
近红外脑功能成像技术(fNIRI)能提供脑功能活动过程中的脑皮层血氧代谢信息—含氧血红蛋白浓度变化(△[oxy-Hb])、脱氧血红蛋白浓度变化(△[deoxy-Hb])和血容(△[tot-Hb])，是近年来发展起来的新技术，具有价格低廉、可便携、实时非侵人测量等特性，已经在脑研究和临床检测中得到越来越广泛的好评。在国内，华中科技大学生物医学光子学教育部重点实验室已经研制出基于连续光的便携式近红外脑功能成像器，可对脑的高级功能区—前额叶激活血液变化信息进行灵敏检测，并在应用于语言研究中取得一些有意义的结果。
近红外光谱术是生物医学光子学领域中的一个重要内容，它以活体组织中各主要生色团（氧合和还原血红蛋白、细胞色素氧化酶等）的吸收光谱为基础，结合光在组织中的传播规律，利用近红外光对组织良好的穿透能力，研究光在组织中历经一系列吸收、散射后出射光携带的与吸收谱相关的组织生化信息，其主要目的在于研究组织中这些吸收色团浓度的定量测量方法，是组织血流动力学、组织光学监测、功能监测等研究的基础。大脑皮层某一区域活动时，其局部血容将增加，增加量反应了激活的程度，因此皮层中血容变化量可作为脑功能活动的指标。基于近红外光谱术的大脑功能监测系统能够实时，非侵入地测量大脑皮层中某个区域的氧合血红蛋白和还原血红蛋白的浓度变化，从而可以推算出该区域的血氧和血容的变化量，对大脑皮层的功能活动进行监测。
氧是一切生命活动的基础.
对于人脑组织也是一样,
大脑活动伴随着复杂的氧代谢过程.
对脑组织中血液溶氧浓度的实时监测,
可以实现对脑活动功能的窥测,
从而获得大脑活动的真实信息.
研究表明, 脑激活期间,
神经活动的兴奋性水平增强,
局部脑组织血流、血容积以及血氧消耗量均增加,
但增加的比例不同,
脑血流量增加超出血流容积 2~4
倍, 而耗氧量仅轻微增加,
血流量增加超出了氧耗量的增加.
这种差异导致脑激活功能区的静脉血氧浓度升高,
去氧血红蛋白相对减少.
利用近红外光谱(NIRS)可实现对浅表组织中各主要色团如含氧血红蛋白(HbO2)、去氧血红蛋白(Hb)、细胞色素氧化酶(CytOx)相对浓度变化及血液浓度等参数的实时无损伤在体测量,
通过一定的图像恢复重建可进一步得到脑活动的近红外光学图像.近红外光学成像(fNIRI)是20世纪90年代才出现的新型脑功能成像技术. fNIRI
采用近红外光谱方法记录大脑不同位置处的血氧与血容量参数变化,
从而获得脑功能图像.
fNIRI系统组成与原理如图1.
它主要由柔性探头、测控模块和计算机3个部分组成. 测
控模块包括光源恒流驱动单元、后级放大滤波单元和数据采集部分.
在计算机设定的时钟频率控制下,
光源驱动单元采取时分复用技术依次点亮探头上的 4
个光源.
光源发射出特定波长的近红外光照射待测组织,
然后由探测器负责接收经过组织衰减后的光信号,
并完成光电转换和信号的前置放大.
前端模拟信号经过进一步的放大和滤波处理并在数据采集卡内完成模/数转换,
最后经 USB
接口输入到计算机当中.
计算机在利用系统软件控制电路工作状态的同时,对所采集的多
