fNIRS | 近红外功能成像技术基本原理、实验设计和数据采集_近红外实验

Hello，
这里是 行上行下，我是 喵君姐姐~

在运动、特殊人群（例如，孤独症、婴儿等）领域，我们常会用到近红外技术。作为一项较为新兴的技术，它具有低成本、高生态效度的优点。

但是，近红外是一项怎样的技术，应该如何使用呢？

今天，我们邀请到“红枪总队”的西瓜，给我们详细阐述近红外的基本原理与实验操作哟~

Part1 近红外的基本原理

近红外光： 介于可见光（ⅥS）和中红外光（MIR）之间的电磁波，波长在780～2526nm范围内

为什么是近红外光？


① 两种血红蛋白在800nm附近有一个等吸收点，在800nm两侧两种血红蛋白分别表现出各自的相对优势吸收特性，故而在等吸收点的左右两边分别（至少）选择一个波长光以保证组织血氧发生变化时HbO2和Hb对光吸收的差动效应；

② 在650-900 nm范围内水的吸收最小，血红蛋白的吸收占主导

Beer-Lambert定律（感兴趣可去了解修正后的定律）

光通过源（source）穿入人体组织，经过吸收和散射后到达探测器（detector），吸收和散射遵循Beer-Lambert定律；

1.1 吸收

在物质均匀的情况下，I₁=I₀exp(-μ_a(λ)L)

PS：λ为光的波长，(λ)可看做是λ的函数，类似于f(x)；μ_a为吸收系数，不同物质在不同性质光下有不同的吸收系数；L为穿梭距离；I₀为初始强度；I₁为通过介质后的强度

但是物质基本都是不均匀的，当物质不均匀时，μ_a(λ)变为以下公式，其中ε_n为该物质中不同成分的吸收系数，c_n为该成分的浓度。

1.2 散射

I₁=I₀exp(-μ_s(λ)L)(μ_s为散射系数)

1.3 成像机制——神经血管耦合假说

为了产生大脑活动，神经元需要营养以产生能量并产生动作电位。

葡萄糖和氧气等其他物质通过毛细血管的血液被发送到代谢活跃的神经元，这会使得局部脑血流（regional cerebral blood flow, rCBF）和局部脑血氧增加（regional cerebral blood oxygenation, rCBO）。

因此，rCBF或rCBO的变化可用于绘制大脑活动图。

Part2 近红外的实验设计

三大方向问题：

① 定位：位置、深度限制导致某些设计不可采用近红外实验设计；

② 预测的激活信号的变化：需要了解baseline的信号，一般是闭眼时的信号；

③ 需要解答的问题（即，实验目的）。

2.1 实验设计类型

1. Block design: 同一个事件重复多次，再重复进行下一个事件，同一事件的信号会不断累加；

2. Slow ER Design: 为得到一个单一事件的完美信号，事件间间隔时间较长（6-12s），需要重复多次；

3. Rapid Jittered ER Design: 事件间间隔时间随机，可看到某一事件的单独信号，也可以看到该事件的累加信号；

4. Mixed Design: 在一个block中混合两种不同的事件；

一般建议用采用前两种设计；建议每个条件至少重复3次；完整实验时间建议为10-30分钟。

Part3 近红外的数据采集

数据采集（以NIRScout为例，摘自NIRX操作手册）

① 双击NIRScout，打开主界面；

② 点击configure hardware—hardware specification，选择探测器和光源数目（根据自身实验设定）

③ 选择模板，可供选择的模板有枕叶、额叶、颞叶、顶叶，常用的模板为“prefrontal 8×8”，选择完毕后点击“OK”；

④ 选择“CALIBRATE”进行校正，然后观看System Setup中的数据质量。

白色为信号丢失，这时候需要检查探头是否接触头皮或者探头是否损坏；红色为数据质量差（探头没有完整接触到头皮）；黄色为数据质量较好，可以再做调整；绿色为数据质量最好。

一般来说数据质量达到全绿才可开始实验，如果有一到两个位置持续为黄色也可以开始实验；

⑤ 调试完成后可以先进行“preview”，点击“preview”后输入被试的姓名、性别、年龄；

√preview的作用：

1. 观看数据信号的质量

2. 防止第一个mark丢失
   

⑥ 待被试的信号较为平稳时候按“record”开始进行记录；

⑦ 实验结束后，需要多记录10s左右才可停止，防止最后一个mark的缺失，然后点击STOP；在给被试取下帽子前，可查看数据是否已保存下来，默认路径例为：C:\NIRx\Data。

注意： 需要观察主界面下方的“battery”，确保电池电量足够，一般完整充电一次可对2-3个被试进行实验。

Part4 近红外的学习与提高

1. 台湾学者Chia-Feng Lu系列视频

网址：https://www.bilibili.com/video/av53042227?p=14

2. 斯坦福大学崔旭老师的个人博客

博客网址：www.alivelearn.net

3. 各类近红外厂家的官网、各类相关公众号的科普介绍以及各类近红外的培训。

首先，各类近红外厂家包括：Artinis、NIRX、Hitachi、Biopac、Soterix、medical 、Shimadzu、Hamamatsu、ISS、Rogue Research、TechEn、Spectratech、丹阳慧创、武汉资联虹康等等（排名不分先后，欢迎大家继续补充）。

其次，各类相关公众号包括：行上行下、fNIRS之家、我爱脑科学网、Brain Technology、功能脑成像、星星联盟会（孤独症方向）、红枪总队（孤独症、抑郁症、恐惧方向）等等（排名不分先后，欢迎大家继续补充）。

最后，各类近红外的培训包括：各个学校的培训：例如，北师大朱老师等人每年都有一次近红外培训（排名不分先后，欢迎大家继续补充）；各类培训公司的培训，例如，思影科技、功能磁共振等等（排名不分先后，欢迎大家继续补充）。

由于现目前还没有找到特别好的中文书籍，所以就只好从其他渠道学习了。这些仅仅是现目前了解到一些可以学习和提高的渠道，可能还有很多其他更好的方式或者不完整的地方，还请多多补充，让我们可以一起更好的学习哟。

后续我们还会出一个更加详细介绍近红外学习与提高的推文，欢迎您的持续关注~

分享完毕，希望有所帮助。

文章首发于微信公众号 行上行下，后台回复关键词“fNIRS近红外技术”即可获得近红外相关技术文献以及视频啦！

资料来源：
【1】书籍：红外光谱-生命和生物医学科学.国外原版书籍.Infrared Spectroscopy - Life and Biomedical Sciences. Edited by Theophile Theophanides. In Tect, 2012-Neurorehabilitation and behavioral science (chap 2-5), neuroscience (chap 7-10), BCI for rehabilitation (chap 19)
【2】书籍：Application of Near Infrared Spectroscopy in Biomedicine
【3】斯坦福大学崔旭老师的个人博客：www.alivelearn.net
【4】台湾学者Chia-Feng Lu系列视频：https://www.bilibili.com/video/av53042227?p=14

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