一．功能近红外光谱成像技术原理

人体组织对不同波段的光具有不同的吸收率。研究发现，人体组织中携氧血红蛋白(HbO)和脱氧血红蛋白(Hb)对波段在800~2500nm的红外光的吸收率吸引率显著不同并且有交叉，这样就可以通过数学方法间接求出各自的浓度。

功能近红外光谱成像技术(functional Near-infrared spectroscopy, fNIRS)就是应用近红外光波段，通过对一处或多处的组织进行光学照射，然后在照射的对面或同面的一处或多处组织收集反射回来的光，通过研究光在人体组织中的传播特性，基于最新断层成像算法，就可以重建图像，从而间接检测出人体组织内氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白和全血红蛋白的浓度变化。

fNIRS的优点：1)理想的空间定位能力：由于受到容积导体效应的影响，EEG/MEG无法准确的溯源。与EEG/MEG不同，该fNIRS所测量的血红蛋白浓度恰好反映了测量点所在位置的局部脑活动，从而为建立脑活动与解剖位置的对应关系提供了可能。2)理想的空间分辨能力：如果有多个脑内源，EEG/MEG无法分辨不同的源。fNIRS可以较为准确的区分来自不同脑结构的信号，其空间分辨率可以达到1-2厘米。3)更高的采样率：fNIRS的采样率可以达到0.1秒，远远高于功能磁共振成像。由于血氧动力学信号中混杂各种生理噪声，比如呼吸、心跳等。由于fMRI的时间采样率较低，所以无法排除这些生理噪声的影响。而fNIRS的时间采样率较高，可以测到完整的生理信号，比如心率(~1hz)，血管和代谢过程的低频噪音(~0.1hz)，从而可以滤掉这些生理噪音。4)更多的测量指标：除了脱氧血红蛋白以外，实现fNIRS还可以提供氧合血红蛋白和总的血红蛋白浓度变化，而fMRI只能提供脱氧血红蛋白的信息。5)更强的实用性：从实际应用的角度来说，该成像方法具有无可比拟的优势。它具有可移动性，安静无噪声，使用成本低，容易操作和维护，对被试的限制少，兼容磁性金属物品，允许长时间连续测量和短时间内反复多次测量等特点。因此，该成像方法可以用于几乎所有的人类个体，特别是新生儿、婴幼儿和卧病在床的病人。而功能磁共振成像是无法做到这些的。与EEG/ERP相比，fNIRS不需要电极膏，不要去严格的屏蔽电磁干扰，所以对环境的要求非常宽松。缺点: 1) fNIRS在时间分辨率方面与EEG/ERP不具有可比性。EEG/ERP测量的是神经元的电活动(毫秒级)，所以可以准确的记录神经元活动的时间进程。fNIRS测量的是血氧代谢活动，血氧代谢活动的变化是比较缓慢的，而且还有延迟。2) fNIRS的测量深度有限，只有1-2cm深，可以到达大脑外皮层。同时，目前fNIRS还没有办法覆盖全脑。

二．fNIRS产品应用

婴幼儿发展：fNIRS最重要的一个应用领域就是发育认知神经科学。这方面的论文主要有：婴幼儿空间特征和空间认知能力调查(Wilcox, 2010, NeuroImage)；发现前语言婴幼儿对数字具有右半球优势 (Hyde, 2010, NeuroImage)。对婴幼儿对语言的反应的调查(Bortfeld, 2007, NeuroImage)；对婴儿的客体永存认知能力进行研究(Wilcox, 2005)；婴幼儿对特征和时空信息加工的血氧反应 (Wilcox, 2009); 婴幼儿对语言加工存在大脑半球偏侧化 (Bortfeld, 2009)。婴幼儿对特征变化的枕叶和颞叶血氧变化(Wilcox, 2008)。

运动：fNIRS另一个重要的应用领域是感知和运动的研究。因为受到肌电和头动伪迹的影响，EEG/ERP和fMRI在研究感知运动方面受到很多限制。对运动方面进行研究的论文：成年人对运动刺激的血氧反应：BOLD，ASL和fNIRS结果比较(Huppert, 2006, NeuroImage)。尤其值得注意的是关于步态, 汽车驾驶和宇航员失重的研究(Harada, 2007; Kurihara, 2007; Miyai, 2001)。

临床：fNIRS广泛应用于癫痫、抑郁、阿尔茨海默氏症等疾病的研究和临床治疗中。论文有：EEG和fNIRS联合调查癫痫患者癫痫发作时的血氧、电反应(Machado, 2011，Neuroimage)。乳腺疾病成像：健康乳房在正常和挤压状态下的光学信号和乳腺X光摄影检查术结果对比(Fang, 2009)；乳房组织对挤压的机械和功能反应的实时变化(Carp, 2008)。疼痛状态下的血氧变化(Becerra, 2009)。

视觉加工：研究表明，视觉刺激会引起HbO的上升和HbR的下降(Meek, 1995)。Plichta等人(Plichta, 2007，Neuroimage)发现随着光栅对比度的增加，HbO和HbR都出现了梯级变化，并且集中在视觉皮层。

其他认知加工领域：Stroop范式(Schroeter, 2002)，测谎(Izzetoglu, 2002)，军事训练中的模拟着陆(Takeuchi, 2000)；模拟空战的脑活动(Izzetoglu, 2007)，情绪反应(Yang, 2007)；人机交互等(Sitaram, 2007, Neuroimage)。

摘自 心灵方舟