光学近红外脑功能成像系统原理介绍

神经活化
oxy-Hb deoxy-Hb
2 1 0 -1 0 2 4 6
代谢需求 血流增加 氧合血红蛋白增加 脱氧血红蛋白洗出
↓
↓
↓
↓
8 10 12 14 16
time in [s]
Kohl M ,.. , Dirnagl U. Phys. Med. Bio. 2000
B、成像的物理学基础
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探测的主要生理参数：组织中吸收色团（如 HbO2、Hb、totalHb等）浓度变化。
A、成像机制——神经血管耦合假说
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针对神经-血管间的耦合关系，Roy和Sherrington 早在1890年就曾提出了一个非常著名的假说，“大 脑的血流供应会随其功能活动的局部变化而进行 局部响应”。
光学近红外脑功能成像系统
目录
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一、光学近红外脑功能成像技术介绍
1.1、近红外脑功能成像技术概述
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Βιβλιοθήκη Baidu
NIRS = functional Near InfraRed Spectroscopy
近红外光谱 (NIRS) 技术以生物组织光学特性 为基础，结合光在组织中的传播规律，研究光在 组织中历经一系列吸收、散射后出射光携带的与 组织光学特性相关的生化信息。
局限：
• 1）定位能力较差 • 2）探测深度有限，可基本覆盖大脑皮层外表面。
1.3、光学近红外脑功能的应用领域
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认知心理学 运动感觉功能研究 自闭症 学习/注意力障碍 情感 觉醒 决策 社会认知 体育科研 运动医学 BCI脑机接口 人因功效研究 军事训练
心理研究
医疗
脑功能障碍 精神疾病 癫痫 创伤性脑损伤（TBI） 老年性痴呆症 帕金森氏症 新生儿研究
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Hemodynamic response function (HRF)
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stimuli
Hemodynamic response
Canonical HRF
undershoot
0
8
16
24
32 s
典型的血氧响应函数（HRF）
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刺激周期
-3
x10
D concentration [mM]
强大的销售团队
深圳瀚翔公司总部位于深圳，在北京设
有分公司，在南京、成都、西安、武汉、
广州、长春分别设有办事处。公司拥有 强大的销售团队，覆盖全国各地。欢迎 客户、经销商、渠道来电咨询，包括公 司发展近况、产品介绍、宣讲服务等。
健全的培训制度
具有完善的服务保障体系，配备有足 够的、有相应资质的工程技术人员。 培训项目包括：硬件使用维护、一般 故障检修、软件系统的安装与使用等。 .
激活(b)与静息(a)两种生理状态下局部脑血流及血氧水平的变化 Roy C. W., Sherrington C. S..On the regulation of the blood supply of the brain. Journal of Physiology, 1890, 11: 85-108
Beer-Lambert定律
介质透明度, T = I/Io 吸收系数, A = -log(I/Io)
Beer-Lambert Law: A = [X] d
这里: d = I0 和 I之间的距离
=介质的吸收系数 (M-1 cm-1)
[X] = 生色团吸收浓度 (M)
D、穿透组织示意图
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两种血红蛋白在805nm 附近有一个等吸收点， 在805nm两侧两种血红 蛋白分别表现出各自的 相对优势吸收特性，故 而在等吸收点的左右两 边分别（至少）选择一 个波长光以保证组织血 氧发生变化时HbO2和 Hb对光吸收的差动效应。
C、定量分析的计算原理
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与其他技
其他领域
术的结合 应用
与EEG结合 与PET结合 与MEG结合 与TMS结合 与fMRI结合
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用户跟踪体系
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D、穿透组织示意图
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Source
d
Detector
Detector
表层
深层
Fat
Muscle
S-D间距对探测深度的影响
成年人头前额部位各组织结构厚度
z max zd 2 2d 4
1.2、当代脑功能成像技术
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清晰介质
屏幕 / 探测器 光源
散射介质
屏幕 / 探测器
光源
B、成像的物理学基础
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可见光：400-700nm 吸光物质：
血红蛋白 水 脂肪
650-900 nm范围内：
水的吸收最小 血红蛋白的吸收占主导 具有很强的散射性
B、成像的物理学基础
Hb]、HbO、HbTot浓度 对测试环境要求比较低， 对被试亦无过高要求
测试环境
1.2、当代脑功能成像技术
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与其他技术对比
与EEG相比，它的空间定位能力更好。 与fMRI相比，它的时间采样率更好。
优势
• 可以实时观测 • 可以测到完整的生理信号，便于除噪。 • 应用范围广，方便可移动
1.2、当代脑功能成像技术
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近红外光学 成像技术
1.2、当代脑功能成像技术
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fMRI vs fNIR
fMRI 空间分辨率 时间分辨率 测量参数
8-27 mm3 慢 (1-2 sec)
fNIR “Blobs” 1-10 cm3
快(10 Hz左右)
血容量和O2消耗，BOLD信号 1）狭小的空间，且噪音太大。 2）孩子、ADHD等不能做被试