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1、連續(xù)波功能近紅外光譜和成像設(shè)備與算法回顧簡介這一年是功能近紅外光譜和功能近紅外成像(fNIRS/fNIRI)的20周年。由于現(xiàn)在大多數(shù)商業(yè)設(shè)備是基于連續(xù)波技術(shù)發(fā)展的，這次發(fā)表的目的在于回顧連續(xù)波FNIR設(shè)備和技術(shù)的現(xiàn)狀。為了這個目的我們列舉了可用的商業(yè)設(shè)備并著重設(shè)備的方面，比如光源、檢測器和傳感器管理。在數(shù)學(xué)方面，計算含氧血紅蛋白與脫氧血紅蛋白濃度的算法與數(shù)據(jù)分析方法也一并回顧了。從早年的單位置檢測，設(shè)備從最初的二維成像發(fā)展到三維成像。分析方法也發(fā)生了巨大的變化，從簡單的MBLL（modifie
2、dLambert-Beerlaw）到現(xiàn)在用的復(fù)雜的圖像重建和數(shù)據(jù)分析方法。由于這些進(jìn)步，F(xiàn)NIRI已經(jīng)成為在神經(jīng)科學(xué)研究廣泛應(yīng)用的技術(shù)，很多設(shè)備制造商提供商用設(shè)備。在可以預(yù)見的未來，F(xiàn)NIRI可能發(fā)展成為一個臨床工具，允許單項目診斷（單獨診斷）。關(guān)鍵詞：回顧，近紅外光譜，NIRS，近紅外成像，NIRI，功能近紅外光譜（fNIRS），功能近紅外成像（fNIRI），連續(xù)波，大腦活動，設(shè)備1.簡介早在19世紀(jì)末，連續(xù)光曾被應(yīng)用于非侵入的檢測人體組織，比如胸部，頭部和發(fā)射光穿透軀體（Bright1831
3、,Curling1856,Cutler1929）。更特別的，在1862年來自德國HopperSeyler描述了含氧血紅蛋白的光譜（Perutz1995），在1864年來自英國的Stokes加上了脫氧血紅蛋白的光譜和因此發(fā)現(xiàn)的血紅蛋白對于氧氣運輸?shù)闹匾裕≒erutz1995）。在1876年同樣來自德國的vonVierord通過在血液循環(huán)被阻塞時檢測穿過組織的光譜變化來分析組織。1894年，來自德國的Hüfner光譜學(xué)決定的在試管中含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白絕對的和相對的量（Hüfner，1894
4、）。在這個領(lǐng)域沒有重大發(fā)現(xiàn)的十年后，19世紀(jì)30年代，組織含氧量的光譜含量測定工作被多名研究者繼續(xù)。例如Nicolai，來自德國，重復(fù)了vonVierord的工作（Nicolai，1932a，1932b），Matthes和Gross，德國，第一次論證了用兩個波長光譜檢測人自組織的含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白含量，一個在紅光范圍，一個在近紅外光范圍（MatthesandGross1938a，MatthesandGross1938b，1938c）。為了量化，重要的第一步是Beer-Lambert法則的
5、發(fā)現(xiàn)，由來自法國的數(shù)學(xué)家Bouguer在1729年發(fā)現(xiàn)（Bouguer1792）。這同樣歸功于SwissLambert，即使他在1760年引用了Bouguer的工作（Lambert1760）。這個法則在1852年由德國的Beer擴(kuò)展以量化濃度（Beer1852）。由于Beer-Lambert法則只是應(yīng)用于非散射媒介，所以它不能應(yīng)用與生物組織。相對較近的，因此優(yōu)化的Beer-Lambert（MBLL）由英國的Delpy發(fā)展出來（Delpyetal.1988），算入光的散射。MBLL也被應(yīng)用于這篇回
6、顧中描寫的許多設(shè)備。進(jìn)一步的重要步伐仍然是散射公社的分析方法（e.g.(Arridgeetal.1992,Pattersonetal.1989)）來量化描述光在組織中的傳播。基于組織包括頭骨，在近紅外范圍的相對透明度，來自美國的J?bsis在1977年第一次論述了連續(xù)的、非侵入的監(jiān)測大腦含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的濃度的可能性（J?bsis1977）。因此他被認(rèn)為是近紅外光譜學(xué)（NIRS）的創(chuàng)始人。他的發(fā)現(xiàn)引領(lǐng)了多項NIRS設(shè)備的設(shè)計和制造（FerrariandQuaresima2012）。所有
7、的這些設(shè)備都是連續(xù)波（CW）設(shè)備。連續(xù)波的意思是設(shè)備是單獨基于光強檢測，例如，近紅外光被發(fā)送進(jìn)組織，重新出現(xiàn)的光強將會被檢測。這與時分技術(shù)是相反的，比如時間和頻率領(lǐng)域技術(shù)，附加于光強檢測，同時也檢測光穿過組織所需要的時間。形象的展現(xiàn)三種不同的技術(shù)請參考圖1圖1三種不同F(xiàn)NIRI技術(shù)的圖示。連續(xù)波技術(shù)發(fā)射強度恒定的光然后只檢測穿過組織的光強變化。頻域技術(shù)調(diào)制光的強度然后檢測檢測到光的強度和頻率偏移，這與光穿過組織的時間相關(guān)。時域技術(shù)發(fā)射一個極短的光脈沖到組織中，然后檢測穿過組織的光子到達(dá)的時間。這
8、種技術(shù)包含最多的信息，但也是最復(fù)雜的技術(shù)。I0：入射光信號，I：透射光信號，d：媒介厚度，ua：吸收參數(shù)，us：散射系數(shù)，φ：幅度延遲，I(t):透射光信號的時間點分散公式。CW系統(tǒng)的缺點是不能完全決定組織的光學(xué)特性，因此O2Hb和HHb不能被完全計算。因此，在開始的幾年，NIRS設(shè)備只是大致趨勢檢測器，用于多種生理環(huán)境研究和臨床干預(yù)。不論為了生理策略還是為了提高設(shè)備，許多研究都以獲得絕對值為目標(biāo)。隨后時分技術(shù)發(fā)展起來和可行可以決定絕對值。這不會進(jìn)一步討論，因為這不在這篇回顧的范圍內(nèi)。1993年
