fNIRS 近紅外腦功能成像基礎知識

功能近紅外光譜成像技術（functional Near-Infrared Spectroscopy，fNIRS）主要利用多個波長的近紅外光與腦組織中生色團物質之間的吸收和散射關系，考察特定狀態下腦組織中氧合血紅蛋白、脫氧血紅蛋白以及總血紅蛋白的濃度變化，進而間接考察神經元的活動、細胞能量代謝以及血液動力學相關的功能，反映大腦的狀態與加工的過程。 

fNIRS 是一種無創性、可實時在體監測、能在動態運動條件下應用的光學腦功能檢測技術，它為運動過程中腦功能活動的研究開辟了一條新路。 

1.1 fNIRS 生理學基礎 

fNIRS 生理學基礎是神經血管耦合機制，Roy 和 Sherrington 早在 1890 年就曾提出了一個非常著名的假說，“大腦的血流供應會隨其功能活動的局部變化而進行局部響應”。1 

通常情況下，由于腦血管存在自身調節機制，局部腦血流的供應和局部氧代謝率處于一種平穩狀態，使得氧合血紅蛋白（Oxy-Hemoglobin）和脫氧血紅蛋白（Deoxy- Hemoglobin）濃度基本保持不變。

在大腦處于激活狀態時，這種平穩狀態被打破，腦血流量和氧代謝率會顯著增加，氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白濃度發生相應的改變，通過 HbO2、Hb以及總血紅蛋白的測量，可間接評定大腦功能狀態。 

圖 1-1 激活(a)與靜息(b)兩種生理狀態下局部腦血流及血氧水平的變化 

1.2 fNIRS 的物理學基礎 

生理組織對光有兩種反應, 一是吸收, 二是散射。血液的主要成分(水, 氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白)對 600-900 nm 的近紅外光的吸收非常小（水的吸收最小，血紅蛋白的吸收占主導），具有良好的散射性,光子可以從人體頭部表面出發穿越頭骨到達大腦皮層，因此 600-900 nm 的近紅外光也被稱為光譜窗(見圖1-2 )。在這個光譜窗內, 脫氧血紅蛋白的吸收峰值在 760 nm 處，氧合血紅蛋白的吸收峰值在 850 nm 處（見圖 1-3）。兩種血紅蛋白在 805nm 附近有一個等吸收點，在 805nm 兩側兩種血紅蛋白分別表現出各自的相對優勢吸收特性，故而在等吸收點的左右兩邊分別（至少）選擇一個波長光以保證組織血氧發生變化時 HbO2 和 Hb 對光吸收的差動效應。² 

圖 1-2 水和血紅蛋白在近紅外波長范圍的吸收率 

圖 1-3 氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白對不同波長光的吸收率

使用近紅外腦成像設備時，將光源置于頭部相應部位，由于光源發出的復合 光線在不同組織層的散射作用，NIR 通過皮膚組織的光路長度（光學路徑長）長于源頭和探測器之間的物理距離。NIR 光線通過不同組織層的空間分布構成一種香蕉形狀的范圍（見圖 1-4）。充足的 NIR 光線穿透深度可以在嬰兒和成人頭上放置一個探測器來實現，分別是 2-3cm 和 4-5cm。光源發射的光進入組織或細胞，在歷經一系列吸收、散射事件后，仍會有一部分光子到達皮層表面，探測器可以接收到這些光信號。 

Beer-Lambert 定律為近紅外光譜技術提供了物理基礎。依據修正的Beer-Lambert 定律可以得出光的衰減量。由于出射光中攜帶著與吸收和散射相關的組織生化信息，通過對光學參數的檢測，可以推知大腦活動時氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的變化量，進而得知腦功能的改變，通過一定的圖像恢復重建可進一步得到腦活動的近紅外光學圖像。3 

圖 1-4 近紅外腦成像原理示意圖

參考文獻：

1 C S Roy, et al. On the Regulation of the Blood-supply of the Brain[J]. J Physiol, 1890, 11(1-2):85-158.17. IF=5.182

2 S Wray, et al. Characterization of the near infrared absorption spectra of cytochrome aa3 and haemoglobin for the non-invasive monitoring of cerebral oxygenation[J]. Biochim Biophys Acta, 1988, 933(1):184-92.

3 F F J?bsis. Noninvasive, infrared monitoring of cerebral and myocardial oxygen sufficiency and circulatory parameters[J]. Science, 1977, 198(4323):1264-7. IF=47.720