连续波fNIRS

（CW fNIRS）

功能近红外光谱（fNIRS）利用光与生物分子的特定相互作用，无创地测量大脑皮层区域血红蛋白的相对浓度变化。虽然fNIRS是一种相对较新使用的神经成像技术，但它在20世纪70年代末首次由Jobsis证明[Jobsis，1977]。尽管它已经存在了将近半个世纪，但直到最近十年左右，fNIRS才有了自己的发展。

此后，该技术经历了巨大的技术进步，并设计了不同的技术，以允许以高信号质量提取大量光谱信息。fNIRS最常用于三种光谱方法中的一种，这将在以下章节中解释。

光谱技术

所有技术的共同点是，使用具有定义的时间和光谱特性的光源对组织进行透射照明，并检测透射强度水平及其变化的基本原理。对于神经成像应用，目前最常见的是使用两个离散波长进行照射，这是独立评估血红蛋白分子两种氧合状态的相对变化的最低要求。

连续波

连续波（CW）方法依赖于组织的稳定照明和透射光强度的检测。这种概念上和技术上最简单的组织光谱学形式评估了组织内部的整体光衰减，无法区分散射和吸收的影响。

cwNIRS.PNG

如果人们试图获得血容量和氧合的相对变化，这仍然允许提取有价值的信息，如功能性神经成像中的情况。血红蛋白分子是目前最强的吸收剂，只有它们的光谱特征在感兴趣的时间尺度（~秒）上显示出显著的时间变化。因此，可以以高可靠性和对比度从背景中提取它们的相对浓度变化。

这是目前使用最广泛的fNIRS方法。

频域

fdNIRS.PNG公司

在该技术中，光源在无线电（通常为100MHz）频率范围内进行强度调制。在此速率下，连续强度峰值之间的持续时间变得与组织光谱中遇到的光学性质和空间维度的光学扩散过程中要考虑的时间常数相当。具体而言，多重散射用于有效地将给定距离上光子的传播速度降低到光速的一小部分（另见下文TD），从而通过入射光调制产生交替的高光子和低光子的传播区域。这可以描述为“光子密度波”通过介质的传播。然后，这些透射波由响应时间足够快的检测器拾取，然后与撞击强度波形进行比较。除了强度衰减，如CW，这允许提取两个独立的量；相移（φ）和调制深度的衰减（AC与DC分量的比率）。这些量受到组织的吸收和散射的不同影响，可以区分这些参数（即μa，μs）。对散射变化的明确敏感性导致FD能够拾取由暂时性神经肿胀和相关的折射率/散射系数变化引起的快速光学信号（又名EROS）。

时域

tdNIRS.PNG

时域测量利用极短持续时间的光子脉冲（典型值为100ps或更小）照射组织，并利用快速响应检测器记录光脉冲离开组织时的形状。每个光子与不同数量的散射事件的统计相遇，以及它们随机分布长度的不同传播路径，导致最初紧密集中的脉冲随时间的推移而消失。接收光子分布的特性，如曲线下面积、最大时间和宽度，允许评估组织吸收和散射特性。

原则上，快速调制技术FD和TD都允许获得绝对发色团浓度量。

技术比较

当考虑用于fNIRS应用的不同技术时，需要权衡它们各自的优势和劣势。

考虑FD或TD技术的主要论点是它们能够提供（至少在原则上）更大的信号信息内容。然而，这是以仪器和分析的复杂性大大增加为代价的。实际上，这意味着TD/FD仪器不如CW设置实际上，这意味着在比较成本、尺寸/紧凑性、信道计数、鲁棒性和可用性时，TD/FD仪器在一个或多个方面不如CW设置。因此，使用可用的快速光调制的商业系统的数量极低。

另一方面，我们应该考虑获得绝对组织值的前景是否真的值得。虽然这可能是在危急情况下测量组织氧合水平的情况，但大多数功能性神经成像应用并不依赖于浓度变化的绝对定量。然而，CW方法的优点，如鲁棒性、紧凑性、高信道计数/集成/头覆盖率以及相对成本效益，是该方法的有力论据。这就是为什么目前市场上几乎所有的商业fNIRS系统都依赖CW测量。

与确定绝对系数相比，与fNIRS测量更相关的是处理其他有害影响和限制，如运动伪影、全身/表面血流动力学和基本仪器灵敏度/稳定性/动态范围。我们NIRx致力于从以用户为中心的方式为这些问题提供创新解决方案。

模式在许多方面有所不同。其中最明显的是成本。作为最简单的测量，CW仪器往往是上述每种类型中最实惠的。此外，不同的系统类型在测量可靠性、一致性和用户友好性方面也有所不同。

在考虑最具商业可行性的系统时，NIRx考虑了以下因素。什么能为用户提供最准确和可发布的数据？NIRx能够合理支持什么？什么是最广泛使用和最实惠的系统类型？

为什么选择连续波？

在回答这些问题时，NIRx将CW作为主要选项。由于其他两种模式的测量结果往往不太可靠，并且包含了更复杂的分析，因此选择CW fNIRS作为我们fNIRS系统的基础。

通过在我们的系统中实施CW fNIRS，NIRx能够为最终用户提供：

高质量和可靠的数据收集

CW fNIRS出版物中的大量参考文献

应用和分析方面的高质量支持

人们决定，FD和TD fNIRS都是非常好的机制，可以提供非常有趣的数据，但核心机制更具理论性，因此更难支持，而且系统的成本远高于我们选择的CW fNIRS。

引文

科学1977年12月23日；198(4323):1264-7

法拉利，马可；瓦伦蒂娜，夸雷西玛。神经影像学；阿姆斯特丹第63卷，Iss。2，（2012年11月1日）：921-935。

图片取自Scholkmann等人（2014）。连续波功能近红外光谱和成像仪器及方法综述。神经影像学，85（1），6-27

使用的缩写和符号：

fNIRS功能近红外光谱

CW连续波

FD频域

TD时域

μa吸收系数

μs散射系数

Io，I（t），I照明强度，透射强度（时间的函数），透射

强度（时间常数）

d组织厚度或源探测器距离