fNIRS近红外脑成像技术原理
2020-03-10 来源:本站 点击次数:1812fNIRS近红外脑成像技术原理
一、背景及历史
1.近红外光是指波段650-900nm的非可见光：无电离辐射、安全
2. 20世纪初，有机化合物应用近红外光谱分析(Abney W, 1881; Brackett F S, 1928)
3. 20世纪50年代中后期，简易型近红外光谱仪器出现(Kaye W, 1954, 1955)；光谱漫反射技术大幅进展(Birth G S, Norris, 1958; Norris, 1962a, 1962b, 1964, 1965)，带来近红外光谱技术广泛应用：农副产 品(谷物、饲料、水果、蔬菜、肉、奶、蛋)的品质(水分、蛋白、油脂 含量等)
4.80年代后期，化学计量学方法的应用，以及中红外光谱技术经验积累， 催生近红外成为独立的分析技术
5.90年代开始，开始使用近红外光查看大脑损伤，神经活动和血氧浓度 (A. Villringer et al, 1997; M. Franceschini et al, 2000; D.A. Benaron, et al, 2000)，开始出现二维重建图像
1.近红外光是指波段650-900nm的非可见光：无电离辐射、安全
2. 20世纪初，有机化合物应用近红外光谱分析(Abney W, 1881; Brackett F S, 1928)
3. 20世纪50年代中后期，简易型近红外光谱仪器出现(Kaye W, 1954, 1955)；光谱漫反射技术大幅进展(Birth G S, Norris, 1958; Norris, 1962a, 1962b, 1964, 1965)，带来近红外光谱技术广泛应用：农副产 品(谷物、饲料、水果、蔬菜、肉、奶、蛋)的品质(水分、蛋白、油脂 含量等)
4.80年代后期，化学计量学方法的应用，以及中红外光谱技术经验积累， 催生近红外成为独立的分析技术
5.90年代开始，开始使用近红外光查看大脑损伤，神经活动和血氧浓度 (A. Villringer et al, 1997; M. Franceschini et al, 2000; D.A. Benaron, et al, 2000)，开始出现二维重建图像
什么是近红外光？
二、近红外脑功能检测原理
通过光学探头贴附组织以发射和接收近红光的方式，测量出脱氧(HbR)、 携氧血红蛋白(HbO2),以及二者总和(HbT)浓度绝对或相对变化。
组织中存在丰富的微血管（直径< 1mm, 包括毛细 血管、微动脉、微静脉等）, 其运输着的红细胞携 带有近红外光在组织中的主要吸收体，血红蛋白（ 这种蛋白起到运输氧气的重要作用），近红外光在 穿过微血管后，光强就会减弱，血红蛋白浓度越高 ，光强减弱越明显（在知道入射光强和出射光强的 情况下，就可以对血红蛋白的浓度进行估计，这一 规律被总结量化为Beer-Lambert定律）。
近红外脑成像通过光学探头贴附组织以发射和接收近红光的方式，测量出脱氧(HbR)、 携氧血红蛋白(HbO2),以及二者总和(HbT)浓度绝对或相对变化。
二、近红外脑功能检测原理通过光学探头贴附组织以发射和接收近红光的方式，测量出脱氧(HbR)、 携氧血红蛋白(HbO2),以及二者总和(HbT)浓度绝对或相对变化。
组织中存在丰富的微血管（直径< 1mm, 包括毛细 血管、微动脉、微静脉等）, 其运输着的红细胞携 带有近红外光在组织中的主要吸收体，血红蛋白（ 这种蛋白起到运输氧气的重要作用），近红外光在 穿过微血管后，光强就会减弱，血红蛋白浓度越高 ，光强减弱越明显（在知道入射光强和出射光强的 情况下，就可以对血红蛋白的浓度进行估计，这一 规律被总结量化为Beer-Lambert定律）。
近红外脑成像通过光学探头贴附组织以发射和接收近红光的方式，测量出脱氧(HbR)、 携氧血红蛋白(HbO2),以及二者总和(HbT)浓度绝对或相对变化。
检测深度：
神经血管耦合➢ 针对神经-血管间的耦合关系，Roy和Sherrington早在1890年就曾提出 了一个非常著名的假说，“大脑的血流供应会随其功能活动的局部变化而进 行局部响应”。 ❖ Roy C. W. , Sherrington C. S.. On the regulation of the blood supply of the brain. Journal of Physiology, 1890, 11: 85-108
NIRS的技术基础
在人体组织中，近红外光的损耗主要通过两种途径： （1）被发色团吸收（发色团，简单来说，就是具有颜色的化学成分，比 如血红蛋白分子） （2）因散射而在组织中扩散，逐渐稀薄变的无法测量；
组织中存在丰富的微血管（直径< 1mm, 包括毛细血管、微动脉、微静脉等）,
其运输着的红细胞携带有近红外光在组织中的主要吸收体，血红蛋白（这种蛋白起到
运输氧气的重要作用），近红外光在穿过微血管后，光强就会减弱，血红蛋白浓度越
高，光强减弱越明显（在知道入射光强和出射光强的情况下，就可以对血红蛋白的浓
度进行估计，这一规律被总结量化为Beer-Lambert定律）；
定律应用：当容器中存在两种消光系数不同的吸收体（还原血红蛋白Hb和氧合血红蛋白HbO2 ）时，如何求出两种吸收体的浓度 [Hb] 和 [HbO2] ？
分析： 由于存在两个未知数，需要至少两个方程式才能将未知数解出。因此，
采用两种不同波长（ λ1， λ2 ）的近红外光照射，以得到双波长的Beer-Lambert方
程。
将吸收体置于透明容器中毕竟是一种理想情况，实际情况下的人体组织比透明
容器复杂多了，想要计算人体组织中的血氧浓度，需要对原有的Beer-Lambert定律
进行修正。
为了对Beer-Lambert定律进行修正，需要考虑以下两方面难点：
1. 人体组织是强散射介质。大量光子在组织中的迁移路径是弯曲的，如果仍然在光源的对侧布置传感器，将很难收到信号。反过来，利用弯曲的迁移路径，可以采用反射式传感器，把传感器与光源以一定的距离r布置在被测组织的体表，如此就可以得到经过散射后出射的光信号。此时，大量光子的平均路径长度（Path Length, PL）往往远大于距离 r。
1. 人体组织是强散射介质。大量光子在组织中的迁移路径是弯曲的，如果仍然在光源的对侧布置传感器，将很难收到信号。反过来，利用弯曲的迁移路径，可以采用反射式传感器，把传感器与光源以一定的距离r布置在被测组织的体表，如此就可以得到经过散射后出射的光信号。此时，大量光子的平均路径长度（Path Length, PL）往往远大于距离 r。
光子在待测组织中的路径长度 PPL （Partial Path Length，部分路径长度）
只是总平均路径长度
PL 的一部分。
定义
PPL=r · DPF ，
其中 DPF （Differential Pathlength Factor）称为差分路径因子。DPF的值可通 过蒙特卡罗仿真得到，成人头部的DPF值是6.53 ± 0.99 。
只是总平均路径长度
PL 的一部分。
定义
PPL=r · DPF ，
其中 DPF （Differential Pathlength Factor）称为差分路径因子。DPF的值可通 过蒙特卡罗仿真得到，成人头部的DPF值是6.53 ± 0.99 。
组织中存在多种吸收体。除Hb 和 HbO2 外，组织中还存在其他的吸收体如水、黑色素等， 这些吸收体造成的吸收称背景吸收。
在考虑背景吸收时，需要在Beer-Lambert方程上加上一项衰减G，G的值与波长以及其他吸收体类型等有关，一般是未知的，为了解算血氧参数，需要想办法消去
衰减G。
考虑以上方面（ 强散射介质（r，反射式传感器）； 多种吸收体（G）； 外层组
织（DPF）)，修正的Beer-Lambert定律（Modified Beer-Lambert Law, MBLL）在人体
组织中的方程式如下：
在MBLL中，由于衰减项G一般不随时间变化，为了消去G，可以取组织氧合状态变化前后的两个瞬时t1 和t2时刻的参数（光密度 OD 和吸收体浓度 C ），分别列写两
组MBLL方程组， t1 和t2时刻的方程组对应相减，就可以消去衰减项G。
相减之后，得到的方程组如下：
探测器的选择对于脑功能成像致关重要
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