近红外波段（频域近红外脑成像技术是什么）
近红外波段（频域近红外脑成像技术是什么）杂志链接：这是我们最近刚刚做的一期近红外特刊《FNIRS in Neuroscience and its Emerging Applications》，在Frontiers in Neuroscience杂志上面，Frontiers in Neuroscience和Frontiers in Human Neuroscience是两个杂志，不同点是前者偏方法，后者偏应用。特刊上面最近新收录了VR和NIRS（近红外）相结合的文献，感兴趣的同学可以去查看。同时，里面还收录了很多近红外的方法及应用的文章。本期主要从以下四个部分进行介绍：PS：以下内容均来自于直播课程。后台回复关键词“频域近红外”即可获得所述的视频链接及相关资料啦！我今天讲的可能理论性要强一些，但是争取把它讲得浅显易懂一些，主要讲的是频域近红外。
Hello，
这里是行上行下，我是喵君姐姐~
心仪科技之前推出了“认知与脑调控”直播周的活动，邀请了各位学者向大家介绍关于脑电、近红外、眼动技术等相关知识。
主讲人：刘宁博士，斯坦福大学近红外影像研究员。目前为美国斯坦福大学人类精神及行为系研究员，从事近红外成像技术的开发和应用多年。发表学术论文数十篇，并担任数个学术期刊的评审编辑和国际会议的评审委员。
本期主要从以下四个部分进行介绍：
PS：以下内容均来自于直播课程。后台回复关键词“频域近红外”即可获得所述的视频链接及相关资料啦！
我今天讲的可能理论性要强一些，但是争取把它讲得浅显易懂一些，主要讲的是频域近红外。
这是我们最近刚刚做的一期近红外特刊《FNIRS in Neuroscience and its Emerging Applications》，在Frontiers in Neuroscience杂志上面，Frontiers in Neuroscience和Frontiers in Human Neuroscience是两个杂志，不同点是前者偏方法，后者偏应用。特刊上面最近新收录了VR和NIRS（近红外）相结合的文献，感兴趣的同学可以去查看。同时，里面还收录了很多近红外的方法及应用的文章。
杂志链接：
- Frontiers in Neuroscience
https://www.frontiersin.org/journals/neuroscience
- Frontiers in Human Neuroscience
https://www.frontiersin.org/journals/human-neuroscience
图1 近红外特刊
1.近红外成像的基本原理
我们可以看到，水这个物质没有散射。但是，水里面掺杂一些牛奶，很多光不是直线了，往各个方向，这是因为牛奶是高散射的介质。同样的道理，手指头也全亮了。
人体也是一个高散射的或者强散射的介质。因此，用近红外并不像X光那么容易，这是因为人体是散射的，散射引起了很多问题。
图2 什么是近红外成像
光进来主要和人体有两个作用：第一，光被吸收掉；第二，把光散射掉。
2.近红外脑成像的开始
很多年前人们并不知道光怎么能进到人的头脑里面呢？
很明显光会被散射掉或者反射了，然后就看不见了。那我们是怎么知道光是可以进入人脑的，谁第一个发现这个现象的？
Dr.jobsis于1977年在Science上发表了一篇文章，这是第一篇说明近红外的光可以做头部和肌肉的成像，是近红外头部成像的开始。
图3 近红外脑成像的开始
近红外如何成像的呢？
目前，主要有三种常见近红外成像技术，分别是：连续波（continous wave NIRI CWNIRI）、频域（frequency domain NIRI FD NIRI）、时域（time domain NIRI TD NIRI）。
最常用也是经常提到的是“连续波”，欧洲比较流行的是“频域”和“时域”。
那么这三种成像技术有什么区别呢？
其实“时域”和“频域”较“连续波”复杂，为什么大家还是要用呢？下面我详细讲解三种成像技术。
1.连续波
I0指入式光，打进来的光，是一个恒定的光源；中间这个黄色的是介质；I指出来的光。光线从介质出来以后的强度变弱，变弱是由于介质里面发生了光的吸收与散射。之后，通过一些算法我们可以推演出光的吸收情况。
2.频域
“频域”打出来的光不再是恒定光，而是调制波。通过介质出来以后，振幅减小并且相位发生了移动。
3.时域
“时域”打入的是一个非常窄的脉冲，经过介质出来以后，光被扩展成宽的脉冲，通过对宽的脉冲的研究可以得到介质里面光的吸收和散射情况。
图4 三种常见近红外成像技术
通过介绍我们发现“时域”和“频域”较“连续波”复杂，为什么大家还是要用呢？
这是因为“时域”和“频域”里面包含更多信息，使得它们依然在发展。但是现在大部分做脑成像的还是在用连续波。
“频域”近红外仪器目前唯一一家商用厂家是ISS Inc.(Champaign IL)。这个仪器其实在九十年代末就开始出产了，它可以做光谱仪（spectroscopy）、血氧测定仪（oximetry），也可以做成像（Imaging）。
该仪器采用时间复用光源（temporal multiplexing）和多通道外差探测（heterodyne detection）。
常用的“连续波”近红外技术处理方法：
该方法使用的背景：假设散射是恒定不变的；假设DPF值；它测量的是吸收的相对变化值。
如果用频域近红外技术来做的话，我们不需要上面的两个假设，因为频域近红外可以同时测量到吸收和散射的绝对值。
常用的频域近红外信号表达：
由三个参数组成。第一部分是DC，跟连续波是一样的，也就是AC振幅的平均值；AC是振幅；另一个是它的相位。
图5 频域近红外信号表达式
同时使用振幅和相位信息的优点：
1.可以同时得到吸收和散射系数，这样得到值比连续波的更准。连续波不得不假设散射是均匀的，而且只能看吸收的变化值；其实散射会变化，散射的变化和神经元相关。现在认为“快信号”可以测到神经元的活动，而“慢信号”（连续波）只能测到血流的活动。
2.可以得到血红蛋白浓度的绝对值，而不是变化值。
1. 频域近红外成像在医疗上的应用
- 脑室内出血新生儿的脑氧代谢（Lin et al. Sci Reports6 25903 2016）
- 多发性硬化（Yan & Dunn 2015）
- 缺氧（Davies et al. 2017）
- 麻醉（Meng et al. 2012）
2.使用DC的应用举例
- 与EEG结合（Tong et al. 2005）
- 与fMRI结合（sassaroli et al. 2006）
- 多任务（solovey et al. 2011）
- 睡眠（pierro et al. 2012）
- 自行车（Lin et al. 2013b）
- 颅内压（Ruesch et al. 2019）
3.使用AC振幅和使用DC的区别
早期：二者有区别。
AC属于高频调制波，目前商用的调制频率一般在110MHz。调制的好处是探测时可以将调制的光和自然光区分开来。早期时，连续波光源还是用的恒定光源，所以大家发现虽然用AC振幅和DC得到的东西差不多，但是AC振幅的干扰、噪音更小，不会有自然光进来，所以很多人习惯用AC振幅。
现在：区别不大。
使用DC同样可以区分出调制的光和自然光。
4. 使用AC振幅的应用举例
用下面的例子，我想说明用AC振幅来做的结果和CW连续波做出来的结果没有太大区别。
这个实验中，把探测刺激放在左右的视觉神经上面，测量神经元活动引起的血流变化；任务是先看10s的棋盘，然后用2Hz的频率进行棋盘翻转20s，然后再有一个30s的间隙，该试次重复20次；实验前后各有2分钟的基线期。
图6 使用AC的应用举例
结果表明：
蓝色的这块就是我们做任务的30s，前10s看棋盘，后面20s棋盘反转闪烁。
红色线条（O2Hb）是氧合血红蛋白，蓝色线条（HHb）是脱氧血红蛋白；刺激来了以后O2Hb迅速上升，达到峰值以后基本保持持平，在刺激消失后慢慢地下降并回到基线水平。HHb则是在刺激来了以后开始下降，但是变化幅度比较小，最后保持平稳，待刺激消失以后回到基线水平。这个是比较常见的连续波的血流响应。
图7 使用AC的应用举例结果1
同样的实验，研究者还做了运动神经数据的收集。
实验任务是被试以1.5Hz的频率用右手捏拳头，一共捏20s，捏完以后休息20s，一共重复10次。同样任务前后都有2分钟的基线期。这个血流响应就跟刚刚的视觉神经不一样了。刺激来了以后O2Hb有两个峰值，HHb则一直在下降，而且下降得很多，直到刺激完了以后才慢慢恢复到基线水平。
图8 使用AC的应用举例结果2
通过上面的两个结果的介绍，我想说明不同脑区的血流响应其实也是不一样的。
今天的分享就到这里了！更多详细的内容可以在后台获取视频链接哦！
直播活动主题：心仪科技“认知与脑调控”直播周
直播主讲题目：频域近红外脑成像技术基本原理简介及应用
主播主讲人：刘宁博士，斯坦福大学脑影像研究员。从事近红外成像技术的开发和应用多年，发表学术论文数十篇，并担任数个学术期刊的评审编辑和国际会议的评审委员。
直播主办方：上海心仪电子科技有限公司
本期主要讲解了近红外特刊、什么是近红外成像、三种常见的近红外技术（连续波、频域、时域）以及近红外技术的应用举例，希望能对大家有所帮助！在这里也十分感谢“心仪科技”的支持以及刘宁博士的讲授。
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整理：upmer
排版：青柚
校对：喵君姐姐
fNIRS|近红外功能成像技术基本原理、实验设计和数据采集
