近红外光谱学综述

连续波功能近红外光谱和成像设备与算法回顾

简介

这一年是功能近红外光谱和功能近红外成像(fNIRS/fNIRI)的20周年。由于现在大多数商业设备是基于连续波技术发展的，这次发表的目的在于回顾连续波FNIR设备和技术的现状。为了这个目的我们列举了可用的商业设备并着重设备的方面，比如光源、检测器和传感器管理。在数学方面，计算含氧血红蛋白与脱氧血红蛋白浓度的算法与数据分析方法也一并回顾了。

从早年的单位置检测，设备从最初的二维成像发展到三维成像。分析方法也发生了巨大的变化，从简单的MBLL（modified Lambert-Beer law）到现在用的复杂的图像重建和数据分析方法。由于这些进步，FNIRI已经成为在神经科学研究广泛应用的技术，很多设备制造商提供商用设备。在可以预见的未来，FNIRI可能发展成为一个临床工具，允许单项目诊断（单独诊断）。

关键词：

回顾，近红外光谱，NIRS，近红外成像，NIRI，功能近红外光谱（fNIRS），功能近红外成像（fNIRI），连续波，大脑活动，设备

1.简介

早在19世纪末，连续光曾被应用于非侵入的检测人体组织，比如胸部，头部和发射光穿透躯体（Bright 1831,Curling 1856,Cutler 1929）。更特别的，在1862年来自德国Hopper Seyler描述了含氧血红蛋白的光谱（Perutz 1995），在1864年来自英国的Stokes加上了脱氧血红蛋白的光谱和因此发现的血红蛋白对于氧气运输的重要性（Perutz 1995）。在1876年同样来自德国的von Vierord通过在血液循环被阻塞时检测穿过组织的光谱变化来分析组织。1894年，来自德国的Hüfner 光谱学决定的在试管中含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白绝对的和相对的量（Hüfner ，1894）。在这个领域没有重大发现的十年后，19世纪30年代，组织含氧量的光谱含量测定工作被多名研究者继续。例如Nicolai，来自德国，重复了von Vierord的工作（Nicolai，1932a，1932b），Matthes和Gross，德国，第一次论证了用两个波长光谱检测人自组织的含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白含量，一个在红光范围，一个在近红外光范围（Matthes and Gross 1938a，Matthes and Gross 1938b，1938c）。

为了量化，重要的第一步是Beer-Lambert 法则的发现，由来自法国的数学家Bouguer在1729年发现（Bouguer 1792）。这同样归功于Swiss Lambert，即使他在1760年引用了Bouguer的工作（Lambert 1760）。这个法则在1852年由德国的Beer扩展以量化浓度（Beer 1852）。由于Beer-Lambert 法则只是应用于非散射媒介，所以它不能应用与生物组织。相对较近的，因此优化的Beer-Lambert （MBLL）由英国的Delpy发展出来（Delpy et al. 1988），算入光的散射。MBLL 也被应用于这篇回顾中描写的许多设备。进一步的重要步伐仍然是散射公社的分析方法（e.g. (Arridge et al. 1992, Patterson et al. 1989)）来量化描述光在组织中的传播。

基于组织包括头骨，在近红外范围的相对透明度，来自美国的Jöbsis在1977年第一次论述了连续的、非侵入的监测大脑含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度的可能性（Jöbsis 1977）。因此他被认为是近红外光谱学（NIRS）的创始人。他的发现引领了多项NIRS设备的设计和制造（Ferrari and Quaresima 2012）。所有的这些设备都是连续波（CW）设备。连续波的意思是设备是单独基于光强检测，例如，近红外光被发送进组织，重新出现的光强将会被检测。这与时分技术是相反的，比如时间和频率领域技术，附加于光强检测，同时也检测光穿过组织所需要的时间。

形象的展现三种不同的技术请参考图1

图1 三种不同FNIRI技术的图示。连续波技术发射强度恒定的光然后只检测穿过组织的光强变化。频域技术调制光的强度然后检测检测到光的强度和频率偏移，这与光穿过组织的时间相关。时域技术发射一个极短的光脉冲到组织中，然后检测穿过组织的光子到达的时间。这种技术包含最多的信息，但也是最复杂的技术。I0：入射光信号，I：透射光信号，d：媒介厚度，ua：吸收参数，us：散

射系数，φ：幅度延迟，I(t): 透射光信号的时间点分散公式。

CW系统的缺点是不能完全决定组织的光学特性，因此O2Hb和HHb不能被完全计算。因此，在开始的几年，NIRS设备只是大致趋势检测器，用于多种生理环境研究和临床干预。不论为了生理策略还是为了提高设备，许多研究都以获得绝对值为目标。随后时分技术发展起来和可行可以决定绝对值。这不会进一步讨论，因为这不在这篇回顾的范围内。1993年是大脑功能NIRS（fNIRS）发展的重要一年。同一年四个研究团队发表研究结果论述应用非侵入式大脑活动研究的可行性（Chance et al. 1993, Hoshi and Tamura PTE 1993, Kato et al. 1993, Villringer et al. 1993）。大脑活动导致氧消耗增加，伴随着由神经血管耦合产生的脑血流量的增加。这会导致局部O2Hb和HHb的改变，通过fNIRS非侵入式的检测到。第一次检测由简单的设备完成，智能检测一个或几个位置。由于回应一个刺激的大脑活动只在大脑特殊的位置出现，质检测一个点是难以找到头上正确的检测位置的。而且，检测大脑活动影响的大脑区域的空间图案带有科学兴趣。

发展的另一大步是覆盖更大区域而且可以绘制大脑功能图的成像装置的设计，实现地形测量信息(Ferrari and Quaresima 2012, Maki et al. 1995)。这有多种优点：他可以定位大脑活动而且传感器的精确位置不特别重要。这个技术成为功能近红外成像（fNIRI）。一方面，重要的是应用成像系统扩展审问范围。在另一方面，在神经科学中量化并不是那么重要，具有统计意义的检测到大脑活动变化比将其量化为绝对值更重要。由于这些原因现在大多成像系统是基于CW技术的。另外，时分系统具有较低的时间分辨率，更昂贵而且光穿过组织的时间是一个比光强噪声更大的参数，因此对于检测小功能活动无用。相反，CW系统相对便宜，可以是小型、无线系统，可以非强迫式的应用于日常生活中甚至是自由活动的动物上(Muehlemann et al. 2008)。

下一步，多个光源探头距离同步检测的传感器管理，也就是重叠检测，可应用于断层摄影研究，三维图像重构(Joseph et al. 2006)。

现在fNIRI已经作为一个研究工具进入神经科学。已经显示fNIRI用于研究多个项目是可依赖和可信任的，尽管单个项目的可依赖性还未确定(Kono et al. 2007, Plichta et al. 2006, Plichta, M. M. et al. 2007, Schecklmann et al. 2008)。因此，在神经科学领域关于fNIRI的发表数目在最近几年以指数方式上升。

下一步的目标之一就是fNIRI的临床应用。为了这个目的将会强制确保在单科目的高可再生性。然而，在单科目层次的充分可靠性还没有达到(Biallas et al. 2012a, Biallas et al. 2012b, Kono et al. 2007, Plichta et al. 2006, Plichta, M. M. et al. 2007, Schecklmann et al. 2008)。因此，一些研究正致力于提高可依赖性。缺乏可靠性的可能的原因之一是表层组织（光必须穿过几个组织层，例如皮肤和头骨，在他到达大脑之前）或者是系统物理变化，这可能污染大脑的信号和可能是设备缺陷例如空仪器层面，很重要的是选择合适的波长、光源、探测器和避免串扰与保证高信号比的几何管理；在数学层面，目的是降低表层组织影响和系统元件影响。这篇论文的目的是回顾CW fNIRI仪器和算法的现状。为了这个目的我们会提出商业可用仪器纵览并着重仪器的各个方面，例如光源、探测器和传感器管理。数学方面例如确定O2Hb和HHb的算法和数据分析方法也会回顾。

有多种短语曾用于NIRS。一般NIRS经常用作整个技术的总称，但是原则上他只表示用最多4个检测器检测一个位置的NIRS系统，不带有成像功能。成像系统，可以称作NIRI，有超过4个通道、产生二维或三维图像。在文献中，2D成像系统也被称为近红外制图，或是弥散光学成像。