技术现状

在本章中，将回顾该技术的当前状态，从

NIRS历史概述。随后，对NIRS信号的当前理解

随后将概述组织询问的方法以及理论和数学模型。然后，关于NIRS的文献

将对技术进行审查，旨在提取新的和

下一级设计。最后，介绍了fNIRS仪器在研究中的应用领域

将简要讨论医学。

2.1历史概述

使用连续光通过身体的各个部分对人体组织进行非侵入性研究，这是一种已知至少一个世纪的方法。虽然

W、 今天，C·R·昂琴发现了电磁波的不可见光谱范围

1895年，其他科学家利用可见光透照技术来帮助诊断乳腺肿瘤[22]或疾病

睾丸[23]。

随着对透照技术的研究

光谱学和血氧测定领域奠定了现代生理诊断的基础：

1760年Lambert（瑞士）对探测器中光吸收的数学研究

1852年，Beer（德国）将其延伸至Beer Lambert Law[24]

描述均匀介质中光的吸收。进一步研究集中在

对血液，特别是组织中血红蛋白的物理和化学信息的光谱检索。氧血红蛋白光谱的工作（Hoppe Seyler 1862），

血红蛋白作为血液中的氧载体（斯托克斯1864），光穿透的光谱变化

组织（Vierordt 1876）和其他技术导致了医学血氧测定领域：一种用于有创和无创测量血氧的光学技术。1894年，赫夫纳

是第一个在体外进行光谱测定的绝对值和相对值

氧血红蛋白（HbO）和脱氧血红蛋白（HbR）的量。1938年，马修斯和

格罗斯进行了第一次无创临床吸收光谱测量

测定耳朵中的HbO和HbR浓度[25-27]。进一步研究，例如

HbO和HbR的光吸收光谱以及Beer-Lambert的应用

1943年，Horecker的法律导致了第一台商用血氧计。1970年，惠普

介绍了第一种使用8个波长进行临床氧饱和度测定的装置

在耳朵里[28]。不久之后，在1974年，Aoyagi提出了脉搏血氧测定的新方法，

目前广泛使用[29]。

4第2章。技术现状

而非侵入性临床（脉搏）血氧饱和度侧重于

J¨obsis开创了用耳朵或指尖测量人体动脉血的方法

1977年非侵入性光学方法领域，不再考虑颅骨和

一般来说，骨骼是光线的自然边界。通过使用近红外光，他证明了

皮层组织氧合无创局部光谱学的可行性

完整的头骨[1]，因此被认为是现代功能

近红外光谱（fNIRS）。

继他的出版物之后，20世纪80年代末和90年代的研究主要旨在

增强对信号生理学、NIRS仪器和

数学概念。伴随着发展的总体增长

越来越多的理解推动了光学仪器在生物医学应用中的应用

应用于生物材料的基本光学过程和新的

光学技术[30]。1988年，德尔比对比尔-兰伯特定律进行了修改

（BLL），通过考虑光散射[2]。这个所谓的“改良啤酒兰伯特”

定律“”（MBLL）允许根据测量值计算相对氧合水平

NIRS信号。然后构建了几个fNIRS仪器，目的是增强仪器并找到获得绝对值的方法[3-6]。1993年，四个研究小组

独立证明了非侵入性脑活动研究的可行性

使用fNIRS[7-10]，随后使用NIRS技术的出版物增加

大脑活动研究。从2000年代到今天，下一个主要步骤是增加

光电二极管的数量和大脑活动成像仪器的设计

根据地形信息绘制：功能性近红外成像（fNIRI）。今天，引入了结合fNIRS和EEG的仪器[15]。

2.2近红外光谱原理和信号

功能近红外光谱是一种用于测量的漫射光学方法

局部氧依赖性代谢。fNIRS、漫反射光学层析成像（DOT）和

近红外成像（NIRI）都基于相同的概念[13]：

近红外（NIR）光发射到近红外（NIR）光在一个特定位置发射到头部

组织中的随机散射和吸收过程使其衰减7-9个数量级

巨大一部分通过香蕉形状的路径传播到

然后由NIR敏感光电检测器检测的表面（见图2.1）。

图2.1：近红外光谱原理，图取自[14]。

2.2.NIRS原理和信号5

由于组织的大部分，大部分是水，在近红外光谱中对光相对透明

发射的光可以穿透颅骨并到达足够的深度[31]。这

在文献中，组织对光相对透明的大约600−900 nm的特征光学范围通常被称为光学窗口（参见图2.2）。尽管组织成分（如胶原蛋白、蛋白质、脂肪…）的吸收和散射仍然存在

相当稳定，一些发色团，如氧血红蛋白（HbO）、脱氧血红蛋白

（HbR）和细胞色素氧化酶是NIR光的强吸收剂，其浓度随新陈代谢和血流而变化。

图2.2：NIR光的光学窗口，图取自[11]。

如果选择两种不同的波长，使HbR和HbO的吸收达到最大，则两个发色团浓度的变化会导致可测量的衰减

可以量化的变化，例如使用修改的比尔-朗伯定律（见下一节）。这种依赖氧的光学吸收也是（脉搏）血氧测定的关键。然而

这两种方法之间存在一定的差异：

•脉搏血氧饱和度仅监测脉搏期间组织光密度的变化

间隔，计算动脉血红蛋白氧饱和度

•fNIRS通过以下方式测量组织氧合和局部血红蛋白氧饱和度

组织体积的横截面，包括毛细血管、小动脉和小静脉

称为下一代组织氧合监测器[32]。

一些研究还使用细胞色素氧化酶（细胞色素aa3）作为发色团来指示细胞内氧化过程，细胞色素aa2是末端酶

细胞内呼吸链[30]。由于这种方法很少使用，因此不会

在这项工作中应进一步考虑。

fNIRS测量的局部氧合变化与大脑电活动之间的相互作用仍有待研究。然而，局部血液之间的相关性

氧合和神经元激活（血流动力学反应）存在。三个主要因素

6第2章。技术现状

Wolf等人确定了影响大脑中局部HbR和HbO浓度的因素。

[33]:

•局部脑氧代谢率（CMRO2），

•局部脑血流（rCBF）和

•脑血容量（CBV）。

这些因素通常在神经元激活过程中同时发生，并概括为神经血管耦合。在局部脑激活期间，rCBF增加

与氧代谢的增加不成比例，导致局灶性氧过度

[34]. 这反映在HbR浓度降低

HbO浓度通常为2-3倍，因此导致总血红蛋白浓度增加

血红蛋白[35]。

这种血流动力学信号通常可以在大约5-8秒的潜伏期内观察到

刺激/任务开始后[18]，称为慢反应（见图2.3）。因此，HbO的局灶性降低以及HbR的增加被解释为失活。

图2.3：典型NIRS响应。HbO：氧合血红蛋白，HbR：脱氧血红蛋白，tHB：总

血红蛋白，图取自[11]。

由于在慢反应中氧合血红蛋白的变化通常较大

脱氧血红蛋白的变化作为大脑活动变化的单一指标。Obrig等人批评

这表明脱氧血红蛋白的降低作为参数更为有效，因为它的高

与fMRI BOLD信号呈负相关[35]。研究了这种相关性

通过几个工作组，确认了关于BOLD性质的理论观点

响应（[36]，更多参考见[12]），但发现在

受试者[36]。

记录了另一个快速响应信号（毫秒量级的延迟）

命名为事件相关光信号（EROS）[33，37]。它被认为是由于

放电过程中神经元膜散射特性的变化。几个研究小组认为EROS可能与诱发电位相关

用于EEG[18，20]。

而在光学NIRS信号中，慢响应表现为约1-2%的变化

在信号的DC幅度[20，38]中，快速响应小得多

光强度只有0.05%的变化，需要使用几种平均技术

一百到一千次试验[18]。

2.2.NIRS原理和信号7

基于HbO和HbR浓度变化的非稳态fNIRS信号是几种成分的组合