fNIRS | 近紅外功能成像技術基本原理、實驗設計和數據采集

• Part1 近紅外的基本原理
• • 1.1 吸收
  • 1.2 散射
  • 1.3 成像機制——神經血管耦合假說
• Part2 近紅外的實驗設計
• • 2.1 實驗設計類型
• Part3 近紅外的數據采集
• Part4 近紅外的學習與提高

Hello，
這里是 行上行下，我是 喵君姐姐~

在運動、特殊人群（例如，孤獨癥、嬰兒等）領域，我們常會用到近紅外技術。作為一項較為新興的技術，它具有低成本、高生態效度的優點。

但是，近紅外是一項怎樣的技術，應該如何使用呢？

今天，我們邀請到“紅槍總隊”的西瓜，給我們詳細闡述近紅外的基本原理與實驗操作喲~

Part1 近紅外的基本原理

近紅外光： 介于可見光（ⅥS）和中紅外光（MIR）之間的電磁波，波長在780～2526nm范圍內

為什么是近紅外光？


① 兩種血紅蛋白在800nm附近有一個等吸收點，在800nm兩側兩種血紅蛋白分別表現出各自的相對優勢吸收特性，故而在等吸收點的左右兩邊分別（至少）選擇一個波長光以保證組織血氧發生變化時HbO2和Hb對光吸收的差動效應；

② 在650-900 nm范圍內水的吸收最小，血紅蛋白的吸收占主導

Beer-Lambert定律（感興趣可去了解修正后的定律）

光通過源（source）穿入人體組織，經過吸收和散射后到達探測器（detector），吸收和散射遵循Beer-Lambert定律；

1.1 吸收

在物質均勻的情況下，I₁=I₀exp(-μ_a(λ)L)

PS：λ為光的波長，(λ)可看做是λ的函數，類似于f(x)；μ_a為吸收系數，不同物質在不同性質光下有不同的吸收系數；L為穿梭距離；I₀為初始強度；I₁為通過介質后的強度

但是物質基本都是不均勻的，當物質不均勻時，μ_a(λ)變為以下公式，其中ε_n為該物質中不同成分的吸收系數，c_n為該成分的濃度。

1.2 散射

I₁=I₀exp(-μ_s(λ)L)(μ_s為散射系數)

1.3 成像機制——神經血管耦合假說

為了產生大腦活動，神經元需要營養以產生能量并產生動作電位。

葡萄糖和氧氣等其他物質通過毛細血管的血液被發送到代謝活躍的神經元，這會使得局部腦血流（regional cerebral blood flow, rCBF）和局部腦血氧增加（regional cerebral blood oxygenation, rCBO）。

因此，rCBF或rCBO的變化可用于繪制大腦活動圖。

Part2 近紅外的實驗設計

三大方向問題：

① 定位：位置、深度限制導致某些設計不可采用近紅外實驗設計；

② 預測的激活信號的變化：需要了解baseline的信號，一般是閉眼時的信號；

③ 需要解答的問題（即，實驗目的）。

2.1 實驗設計類型

Block design: 同一個事件重復多次，再重復進行下一個事件，同一事件的信號會不斷累加；

Slow ER Design: 為得到一個單一事件的完美信號，事件間間隔時間較長（6-12s），需要重復多次；

Rapid Jittered ER Design: 事件間間隔時間隨機，可看到某一事件的單獨信號，也可以看到該事件的累加信號；

Mixed Design: 在一個block中混合兩種不同的事件；

一般建議用采用前兩種設計；建議每個條件至少重復3次；完整實驗時間建議為10-30分鐘。

Part3 近紅外的數據采集

數據采集（以NIRScout為例，摘自NIRX操作手冊）

① 雙擊NIRScout，打開主界面；

② 點擊configure hardware—hardware specification，選擇探測器和光源數目（根據自身實驗設定）

③ 選擇模板，可供選擇的模板有枕葉、額葉、顳葉、頂葉，常用的模板為“prefrontal 8×8”，選擇完畢后點擊“OK”；

④ 選擇“CALIBRATE”進行校正，然后觀看System Setup中的數據質量。

白色為信號丟失，這時候需要檢查探頭是否接觸頭皮或者探頭是否損壞；紅色為數據質量差（探頭沒有完整接觸到頭皮）；黃色為數據質量較好，可以再做調整；綠色為數據質量最好。

一般來說數據質量達到全綠才可開始實驗，如果有一到兩個位置持續為黃色也可以開始實驗；

⑤ 調試完成后可以先進行“preview”，點擊“preview”后輸入被試的姓名、性別、年齡；

√preview的作用：

觀看數據信號的質量

防止第一個mark丟失

⑥ 待被試的信號較為平穩時候按“record”開始進行記錄；

⑦ 實驗結束后，需要多記錄10s左右才可停止，防止最后一個mark的缺失，然后點擊STOP；在給被試取下帽子前，可查看數據是否已保存下來，默認路徑例為：C:\NIRx\Data。

注意： 需要觀察主界面下方的“battery”，確保電池電量足夠，一般完整充電一次可對2-3個被試進行實驗。

Part4 近紅外的學習與提高

1. 臺灣學者Chia-Feng Lu系列視頻

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

2. 斯坦福大學崔旭老師的個人博客

博客網址：www.alivelearn.net

3. 各類近紅外廠家的官網、各類相關公眾號的科普介紹以及各類近紅外的培訓。

首先，各類近紅外廠家包括：Artinis、NIRX、Hitachi、Biopac、Soterix、medical 、Shimadzu、Hamamatsu、ISS、Rogue Research、TechEn、Spectratech、丹陽慧創、武漢資聯虹康等等（排名不分先后，歡迎大家繼續補充）。

其次，各類相關公眾號包括：行上行下、fNIRS之家、我愛腦科學網、Brain Technology、功能腦成像、星星聯盟會（孤獨癥方向）、紅槍總隊（孤獨癥、抑郁癥、恐懼方向）等等（排名不分先后，歡迎大家繼續補充）。

最后，各類近紅外的培訓包括：各個學校的培訓：例如，北師大朱老師等人每年都有一次近紅外培訓（排名不分先后，歡迎大家繼續補充）；各類培訓公司的培訓，例如，思影科技、功能磁共振等等（排名不分先后，歡迎大家繼續補充）。

由于現目前還沒有找到特別好的中文書籍，所以就只好從其他渠道學習了。這些僅僅是現目前了解到一些可以學習和提高的渠道，可能還有很多其他更好的方式或者不完整的地方，還請多多補充，讓我們可以一起更好的學習喲。

后續我們還會出一個更加詳細介紹近紅外學習與提高的推文，歡迎您的持續關注~

分享完畢，希望有所幫助。

文章首發于微信公眾號 行上行下，后臺回復關鍵詞“fNIRS近紅外技術”即可獲得近紅外相關技術文獻以及視頻啦！

作者：西瓜

排版：喵君姐姐

資料來源：
【1】書籍：紅外光譜-生命和生物醫學科學.國外原版書籍.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】書籍：Application of Near Infrared Spectroscopy in Biomedicine
【3】斯坦福大學崔旭老師的個人博客：www.alivelearn.net
【4】臺灣學者Chia-Feng Lu系列視頻：https://www.bilibili.com/video/av53042227?p=14

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的fNIRS | 近红外功能成像技术基本原理、实验设计和数据采集的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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