近红外成像仪的应用范围

1、一、 近红外成像仪的应用范围及举例（一）fNIRS在心理学研究中的运用1. fNIRS在基础心理学中的运用由于fNIRS作为一种便携，无创伤的脑成像技术，有较好的时间分辨率和空间分辨率，因此该技术已经被广泛的应用于心理学研究中。其中主要包括对视觉、情绪、注意、记忆，执行功能等的神经机制的探索。值得一提的是，近二十年来fNIRS在婴儿和成人的言语成像研究中取得了广泛的应用，有60余篇公开发表的研究成果，这些研究分别与脑部经典言语区相关。fNIRS的无创伤性、较高的时间分辨率和空间分辨率以及对被试动作的高容忍度，使其成为了言语成像领域的优势技术 Quaresima, V., Bisconti, S

2、., & Ferrari, M. (2012). A brief review on the use of functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) for language imaging studies in human newborns and adults. Brain and language, 121(2), 79-89.。1998年第一次用商用fNIRS系统证实了布洛卡区在言语过程中的活动 (Watanabe et al., 1998)。后来研究中用不同的近红外设备均能观察到小孩、成人以及婴儿的大脑经典

3、言语区的皮层激活。用一系列声音（如，人造声音、音乐以及说话声）作为对婴幼儿的听觉刺激，证实了一些重要的争论，如多通道感知觉的发展，听说模式形成的潜在机制，语言习得的大脑机制，以及说话和音乐反应的大脑单侧化优势发展。2. fNIRS在发展心理学研究中的运用fNIRS具有无创性、便携性的特点，因此fNIRS首先被广泛运用于儿科临床中, 以监测高危早产儿童的脑部血氧状况, 监测新生儿的发展状况。由于儿童特别是婴幼儿的自我控制能力较差,因此对儿童进行脑功能成像的研究往往较为困难，导致以儿童尤其是婴幼儿为对象的认知神经科学研究较少近年来, 随着fNIRS在幼儿神经机制研究中的应用。人们将对神经系统发育生

4、长最快的时期婴幼儿阶段的人类大脑发展机制有更为深入地了解。此外，fNIRS还广泛用于不同年龄段人群认知功能的比较以及认知老化的脑功能研究。例如一项发展性阅读障碍的研究。发展性阅读障碍是指儿童智力正常，并且享有均等的教育机会，但是阅读成绩显著落后于其年龄所应达到水平的一种学习障碍现象。针对其它功能监测技术对阅读障碍患者大脑功能进行监测所得到的不同结果，设计了合适的实验范式对汉语儿童阅读障碍患者在进行汉字语音和语义加工时的大脑皮层活动进行研究，结果显示汉语儿童阅读障碍患者左前额叶大脑皮层活动异常，为阅读障碍的神经生理学研究提供了实验证据。3. fNIRS在脑科学中的运用近年来，fNIRS也被很好的

5、运用于新兴热门认知神经科学研究中，如静息状态下的脑功能连接。静息状态是指被试者保持清醒、不接收任何外部刺激或执行任何高级功能的状态.近年来,人们越来越重视静息态下的脑功能研究。静息状态下的脑功能连接是指检测休息状态下的自发性脑血液动力学波动，这能反应神经元的活动。最近的一项fNIRS研究探索了在静息状态下全脑的血液动力学信号的时空关联，结果发现在被试大脑中存在一致的区域之间的互动。尤其是感觉运动皮层和视觉皮层展现了很强的半球内相关。同时前额叶的活动情况呈现很强的多样化。另一项研究则证明了在感觉运动区域基于fNIRS的静息状态下脑功能连接的重测稳定性 Cutini, S., Moro, S. B

6、., & Bisconti, S. (2012). Review: Functional near infrared optical imaging in cognitive neuroscience: an introductory review.Journal of Near Infrared Spectroscopy, 20(1), 75-92.。4. fNIRS在自然情景认知神经科学中的运用因为成像技术本身的特点,大部分都是在实验室条件下进行的,对实验设计有较高的要求,而且对被试的头部运动有较为严格的限定。加之所使用的仪器较为庞大, 因此很难在自然情境下研究高级认知过

7、程的神经机制, 实验室的认知神经科学研究结果具有较高的内部效度，但是缺乏较高的生态效度，用以推论和解释人们日常生活中的行为有困难。而在fNIRS的研究中，因为颅骨对光的散射系数被认为是恒定的, 因此fNIRS 对被试实验过程中的动作不是特别敏感，故而适合需要动作的认知过程的神经机制研究。近年来,研究者采用 fNIRS 研究伦敦塔任务、睡眠和弹钢琴等自然情境下大脑前额叶的变化 Hashimoto, K., Tategami, S., Okamoto, T., Seta, H., Abo, M., & Ohashi, M. (2006). Examination by near-infra

8、red spectroscopy for evaluation of piano performance as a frontal lobe activation task. European neurology, 55(1), 16-21., 取得了一系列的发现， rest exercise recovery此外由于fNIRS的这些优良特性，该技术也越来越被广泛地应用在运动神经科学中，研究相对集中于抗阻训练、运动疲劳和运动认知研究三个主要方面。考察运动中大脑皮层的血液动力学特征，有助于揭示运动中大脑皮层的功能性激活与运动的关系及其机制，为运动人群脑功能的检测、评价和调控提

9、供客观性指标，为科学地制定锻炼或训练计划、合理安排锻炼强度和提高锻炼效果提供实证依据蒋长好(2011).近红外光谱技术在运动脑功能研究中的应用.生物物理学报.26(11).。一项力竭研究发现，随着运动负荷的增加，大脑含氧量增加，而肌肉氧化却逐渐降低，二者形成了鲜明对比。高运动强度引发高强度的局部脑区神经激活，此时能量需求超过能量供给。因此在力竭运动中，被激活的脑区会发生能量供求之间的不平衡 Pereira MIR, Gomes PSC, Bhambhani YN. A brief review of the use of near infrared spectroscopy with part

10、icular interest in resistance exercise. , 2007, 7(7):615624。另外，随着学者对于社会认知研究的注重，以往探索社会互动中单个个体的大脑活动的研究并不能反映社会互动的表现机制，人们开始注重对于社会互动双方大脑活动的同时扫描，也就是新兴的超扫描技术。尽管以往研究使用过fMRI和EEG技术来进行超扫描，由于它们本身对环境的要求非常严格，被试有很强的受束缚感，且互动个体间不能直接交流，所以研究结果并不一定能反应真实情景，随着fNIRS技术的成熟，很多研究者开始使用该技术研究真实情境下社会互动中个体间的大脑活动情况。Cui, Bryant &

11、; Reiss (2012)使用NIRS对同时完成合作和竞争任务的两名被试的大脑活动进行扫描，并用小波相干分析，结果发现在合作过程中用NIRS进行超扫描显示在额上回人际相干增加图3-2. A、B描述了被试一起做电脑任务，并同时戴测量帽接受超扫描。C图表示两名被试在做合作任务时第17通道（额上回）上的脑波相关状况。（二）生物医学工程脑机接口研究脑机接口（BCI）研究将是未来最受益于近红外成像技术的一个研究领域。BCI可以建立起大脑和外部设备之间的直接连接。BCI的主要目的是协助或代替人类的认知或运动功能。这意味着BCI将是残疾人（肌萎缩侧索硬化症、脑中风，脊髓损伤患者等）与外部环境交流互动的有效

12、方式。Coyle在2004年首次把NIRS应用在视觉脑机接口中。随后很多研究者也开始探索近红外在脑机接口中的应用，有的是用近红外技术检测运动想象产生的信号，有的是直接对近红外信号进行分类 Coyle, S., Ward, T., Markham, C., McDarby, G., 2004. On the suitability of near-infrared (NIR) systems for next-generation brain-computer interfaces. Physiol. Meas. 25,815822.。最近的一项研究则把NIRS作为“大脑转换器”并结合以脑电为基

13、础的稳态视觉诱发电位来操作矫正器 Pfurtscheller, G., Allison, B.Z., Brunner, C., Bauernfeind, G., Solis-Escalante, T., Scherer, R.,Zander, T.O., Mueller-Putz, G., Neuper, C., Birbaumer, N., 2010. The Hybrid BCI .Front. Neurosci. 4, 42.。脑电图（EEG）作为有潜力的非侵入式脑机接口已得到深入研究，这主要是因为该技术良好的时间分辨率、易用性、便携性和相对低廉的价格。但该技术的一个问题是它对噪声的敏感

14、，而NIRS则具有空间分辨率好，对噪声不敏感的特点，因此同时使用这两种技术就可以弥补各自的不足，发挥各自的优势（见图3-3）。 图3-3. 脑机接口研究中使用EEG帽子同时插上EEG电极和NIRS光极以及形成的NIRS通道尽管fNIRS在BCI中应用的主要困难时信号处理困难，但是值得高兴的是很多研究中都解决了这个问题。例如，一项研究提出了基于主观偏好的fNIRS-BCI范式。9名被试被要求主观评定两种可能的饮料并决定他们更喜欢哪种。在任务中用fNIRS监控前额叶的活动，把信号振幅作为输入特征并使用平均线性判别分析方法，结果发现根据单试次的大脑活动信号可以猜测出被试偏好饮料的正确率远超过机会水平

15、（80%左右）。（三）fNIRS在临床中的运用由于精神病、神经症患者等特殊人群在动作认知方面的控制能力也较差, 所以采用对被试动作有较高要求的脑功能成像技术(如fMRI)对这些特殊人群进行研究，诊断也同样存在许多困难。导致在特殊教育以及特殊人群的神经康复方面缺乏来自大脑的科学依据。而fNIRS具有对被试动作容忍度高的特点，因而被广泛用来对特殊人群进行诊断和研究。Andreas Fallgatter和Masato Fukuda是fNIRS应用于精神疾病的推动者。Fallgatter 在1997年首次发表了fNIRS临床应用的研究结果，证明患有阿尔兹海默症痴呆患者的大脑半球功能性对称性缺失 Fal

16、lgatter, A.J., Roesler, M., Sitzmann, L., Heidrich, A., Mueller, T.J., Strik, W.K., 1997. Loss of functional hemispheric asymmetry in Alzheimer's dementia assessed with nearinfrared spectroscopy. Brain Res. Cogn. Brain Res. 6, 6772.，之后他又发表一系列这方面的文章。2000年Fukuda和同事使用单通道便携设备发表了研究证明年长抑郁患者的抑郁状况并不是由血管

17、扩张导致的 Matsuo, K., Kato, T., Fukuda, M., Kato, N., 2000. Alteration of hemoglobin oxygenation in the frontal region in elderly depressed patients as measured by near-infrared spectroscopy. J. Neuropsychiatry Clin. Neurosci. 12, 465471.。他们的研究奠定了fNIRS诊断抑郁症的主要实验基础。随着fNIRS技术和数据分析方法的发展，目前，fNIRS 已被广泛运用于精神分

18、裂症(Schizophrenia),心境障碍(Mood Disorder), 焦虑障碍(Anxiety disorders)、饮食紊乱（Eating disorders）、人格障碍（Personality disorders）的研究中， 而其中又以在对精神分裂症患者的脑功能成像研究中运用地更为普遍。另外，fNIRS也在颅脑损伤(tarumatic brain injury)、癫痈(Epilepsy)、多动症(ADHD)、阿尔茨海默症(Alzheimers disease)，帕金森症(Parkinsons disease)、抑郁症（Depression）、老年痴呆症、神经康复、中风康复等神经病学研究中得到广泛运用。同时不少特殊人群的症状的改善都表现为在脑功能方面的改善, 因此fNIRS 还作为术后恢复和康复治疗的大脑功能恢复的监测手段 Takeda, K., Gomi, Y., Imai, I., Shimoda, N., Hiwatari, M., & Kato, H. (2007). Shift of motor activation areas during recovery from hemiparesis after cerebral infarction: a longitudinal study with near-infrared spectroscopy