对近红外fNRS原理的一些学习

最新推荐文章于 2024-11-16 11:35:15 发布

小白加油搞科研

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今天学了挺多近红外的原理，竟然有点不知该从何写起的烦恼，那就随便写写吧，读者也随便当消遣看看吧。

一、近红外测的是什么数据？

在了解这个问题的答案之前。你首先得知道，大脑活动的时候，神经元会放电，（没错，就是我们高中生物学的神经细胞、轴突、胞体、树突、钠钾泵这些）。神经元放电会产生电位，EEG会在头皮上放一些电极，这些电极能够记录到神经元产生的电位，这也是EEG测量大脑活动的原理。

跟EEG不一样，近红外测的并不是电位，而是神经元放电引起的血液动力学变化，更具体地将，是血液中氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度的变化。在血液中，氧气是依附在血红蛋白这个载体上的，称为“氧合血红蛋白”（HbO2）。神经元放电的时候需要消耗氧气，使氧合血红蛋白中的氧气被消耗掉，变成脱氧血红蛋白（HbR），这造成血液中氧合血红蛋白浓度减小，脱氧血红蛋白浓度升高。但是，血液中的氧气被消耗掉，这会使更多的血液进入该脑区，进入该脑区的氧合血红蛋白数量远远高于由于神经活动被消耗的氧合血红蛋白数量，因此这就导致最终的结果是：氧合血红蛋白含量升高，脱氧血红蛋白含量降低。上述过程称作神经血管耦合过程（名字感觉有点高大上，实际上就是神经与血管发生相互联系），由于神经活动引发的血供系统的改变可以称作血液动力学响应（名字依然感觉有点高大上，但是实际上就是血液发生了改变的意思）。

由于氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白对近红外光的吸收系数上存在较大的差异，因此使用近红外光可以知道氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度变化情况，那是怎么知道的呢？请看下面：

二、近红外检测脑活动的原理

了解近红外检测脑活动的原理之前，我们还得知道一个事情：光的吸收。简而言之，光透过一定物质之后，光的能量会被吸收掉一部分，被吸收的多少与所透过物质的浓度、长度有关，浓度越高、长度越长，那么被吸收的能量就越多。这就是比尔-朗格定律：

OD= $\varepsilon \cdot C\cdot L$ ，其中OD指的是光衰减量，可以简单理解为被吸收的能量，C是物质的浓度，L是光穿过的长度， $\varepsilon$ 是消光系数，既和物质浓度有关，也和光的波长有关。

近红外光经过某一脑区之后，该脑区血液中的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白都会吸收光。我们可以发射两种或两种以上波长的近红外光，利用不同浓度的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白对近红外光吸收系数的不同，求得氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白含量的变化。

但是，实际上，光不止有吸收的特性，也有散射的特性，也就是说，光在经过一定的介质的时候，会散射开来，一部分光会散射掉，可以简单理解为逃走了，不会被检测器检测到，另外一部分光会散射到检测器那里，产生我们常听说的“香蕉形通路”

由于光的散射，光在介质中并不是以直线的形式传播，所以上述比尔-朗格定律中的L其实是不太严谨的。此外，实际上，血液中不止有氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白可以吸收光，血液中的其它物质也会吸收光，所以上述的比尔-朗格定律仅仅包括了氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白吸收光也不太严谨。因此，在比尔-朗格定律的基础上，研究者提出了修正的比尔-朗格定律：

$OD=\varepsilon \cdot C\cdot DPF\cdot L+G$ ，其中DPF是路径长度修正因子，代表由于光的散射引起的路径增加的倍数，DPF与L相乘表示实际上光经过的路径的长度。G代表血液中除了氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白之外的其它物质对近红外光的吸收，这个G值我们无法准确获得，因而我们无法求出实际的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的绝对含量，但是我们可以绕过G求得相对含量的变化。【本人数学比较菜，把计算过程贴在下面供各位研究】

那么问题又来了，fNIR长啥样，有什么样的参数，请看三：

三、fNIRS设备

那么fNIRS具体是如何工作的？下图可以形象地说明。

fNIRS里面有发射极，从发射极中发出近红外光，然后有接收极，接收近红外光。

见过近红外设备的都知道，近红外有一个帽子，帽子上有各种小疙瘩，那其实是光极，光极包括发射光极和接受光极。发射光极和接收光极的排布如上图所示，每一个发射光极和相邻的接收光极形成一个通道，这个通道的长度是有学问的。上面其实也提到了，从头皮发射光，然后光经过散射之后，有一部分通过“香蕉路径”又再次回到头皮，可以被检测器检测到。如果通道长度过长，也就是发射光极和吸收光极之间的距离太长，可能光的能量都被吸收的差不多了，接收光极就检测不到光了，如果通道长度过短，你想一下“香蕉路径”得多弯，显然也检测不到多少光的能量。常见的通道距离一般在3cm左右。由于发射光极和接收光极之间间隔3cm（假设哈），因此我们只能够计算出在这3cm内，氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的含量变化，而无法得到在这3cm内，具体是哪个地方的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的含量变化了以及变化了多少，这就是fNIRS空间分辨率不高的原因，并且fNIRS的空间分辨率是和通道长度（也就是发射光极和接受光极之间的距离）挂钩的。

另外，由于fNIRS测得是血液动力学过程引发的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白含量的变化，血液动力学的时间进程是要慢于神经元放电的，因此fNIRS的时间分辨率也不是很高。