近紅外腦功能超掃描（FunctionalNear-InfraredImaging,fNIRI）系統(tǒng)是一種新興的腦成像技術(shù)，利用近紅外光譜（NIRS）技術(shù)來實時監(jiān)測大腦活動。該技術(shù)通過測量腦組織中的血氧變化，來推測腦部的功能活動。近年來，fNIRI在神經(jīng)科學(xué)、醫(yī)學(xué)、心理學(xué)和人機(jī)交互等領(lǐng)域的應(yīng)用研究中取得了顯著進(jìn)展。
一、近紅外腦功能超掃描系統(tǒng)的工作原理
1.近紅外光譜原理（NIRS）
光的穿透性：近紅外光能夠穿透生物組織，尤其是腦部，因為其波長范圍通常為700到1000納米。這個波長范圍的光在腦組織中有較低的吸收率，允許光束穿透一定深度。
光吸收變化：當(dāng)大腦活動時，局部神經(jīng)元的代謝需求增加，導(dǎo)致局部血流量增加，進(jìn)而改變腦血流中的血紅蛋白的氧合狀態(tài)。氧合血紅蛋白（HbO）與去氧血紅蛋白（Hb）對近紅外光的吸收有所不同，通過檢測這些變化，fNIRI能夠推測大腦區(qū)域的活動。
2.信號測量原理
fNIRI利用發(fā)射和接收光學(xué)傳感器來測量通過腦組織的近紅外光的變化。通常，儀器將光源和探測器固定在頭皮上，光源通過皮膚和顱骨發(fā)射光線，探測器接收通過腦組織后的光信號。
通過分析血紅蛋白的吸收特性，可以計算出氧合血紅蛋白（HbO）與去氧血紅蛋白（Hb）濃度的變化，從而反映大腦某一特定區(qū)域的功能活動。
3.數(shù)據(jù)處理
采用多通道傳感器陣列進(jìn)行光信號的同時采集，配合先進(jìn)的信號處理算法（如去噪、濾波等），從復(fù)雜的腦電圖或生理噪聲中提取有價值的功能信息。
常用的數(shù)據(jù)分析方法包括時間域分析、頻域分析和波形分析等，能夠反映出大腦的動態(tài)活動。
二、近紅外腦功能超掃描系統(tǒng)的特點(diǎn)
1.無創(chuàng)與實時
fNIRI系統(tǒng)是無創(chuàng)的，光源與探測器僅與皮膚接觸，無需侵入式操作，減少了對人體的負(fù)擔(dān)。
能夠提供實時的大腦功能活動圖譜，這對于實時腦功能監(jiān)測尤其重要。
2.高空間和時間分辨率
盡管fNIRI的空間分辨率低于其他腦成像技術(shù)（如功能磁共振成像fMRI），但它仍然能夠捕捉到局部腦區(qū)域的活動，并且具有較高的時間分辨率，適合用于動態(tài)監(jiān)測大腦的短時事件（如注意力變化、情緒反應(yīng)等）。
3.適用性廣泛
可以用于各種實驗環(huán)境，包括移動環(huán)境下和臨床應(yīng)用。
對不同人群（如老年人、兒童等）具有較好的適應(yīng)性，特別適合那些無法使用磁共振或電極的方法的個體。
三、近紅外腦功能超掃描系統(tǒng)的應(yīng)用研究
1.神經(jīng)科學(xué)研究
通過fNIRI，研究人員可以探索大腦不同區(qū)域的功能活動，如感知、決策、語言處理、情緒調(diào)節(jié)等。
該技術(shù)被用于研究大腦如何處理視覺、聽覺、觸覺等感官信息，以及如何響應(yīng)不同的認(rèn)知負(fù)荷。
2.臨床應(yīng)用
腦卒中監(jiān)測：fNIRI可以用于腦卒中患者的康復(fù)監(jiān)測，評估大腦功能恢復(fù)的情況。
癲癇研究：通過實時監(jiān)測癲癇發(fā)作時大腦的氧合變化，可以幫助醫(yī)生更好地理解癲癇發(fā)作機(jī)制。
精神障礙研究：在抑郁癥、焦慮癥、阿爾茨海默病等精神疾病的研究中，fNIRI為患者提供無創(chuàng)、便捷的腦功能監(jiān)測方法。
3.腦-機(jī)接口（BCI）
fNIRI廣泛應(yīng)用于腦-機(jī)接口技術(shù)中，研究人員通過監(jiān)測大腦的活動變化，幫助患者恢復(fù)一些失去的功能。例如，在肢體運(yùn)動障礙患者的腦電信號分析中，fNIRI可以為控制外骨骼或假肢提供實時反饋。
4.情緒與認(rèn)知研究
fNIRI能夠幫助研究人員了解情緒與認(rèn)知任務(wù)對大腦活動的影響。通過分析個體在執(zhí)行任務(wù)時的大腦氧合血紅蛋白變化，能夠揭示不同認(rèn)知負(fù)荷對大腦不同區(qū)域的影響。
在心理學(xué)和行為學(xué)的研究中，fNIRI也被用于評估情緒反應(yīng)和決策行為的神經(jīng)機(jī)制。
5.教育和兒童研究
fNIRI已被用于兒童認(rèn)知發(fā)展研究，幫助探索兒童在學(xué)習(xí)、注意力分配、情感控制等方面的大腦活動特點(diǎn)。
它也被用來評估教育干預(yù)措施對兒童大腦功能的影響，例如針對學(xué)習(xí)障礙的干預(yù)效果。
四、近紅外腦功能超掃描系統(tǒng)的挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢
1.空間分辨率的限制
由于近紅外光的穿透深度有限，fNIRI主要能夠捕捉到大腦皮層的活動，難以深入探測腦深部結(jié)構(gòu)（如基底節(jié)、丘腦等）。
研究者正在開發(fā)多通道探測器和深度成像算法，以改善空間分辨率。
2.信號噪聲與偽影
fNIRI信號容易受到頭部運(yùn)動、肌肉活動、眼動等偽影的影響，降低了信號的準(zhǔn)確性和可靠性。
目前，研究者正在探索新的算法和技術(shù)，以減少這些噪聲并提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量。
3.臨床應(yīng)用的普及
盡管fNIRI在實驗室研究中取得了很大的進(jìn)展，但在臨床應(yīng)用中仍面臨諸如成本、設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化等問題。未來的研究可能會推動fNIRI在臨床診斷和治療中的應(yīng)用。
五、結(jié)論
近紅外腦功能超掃描系統(tǒng)作為一種新興的腦功能成像技術(shù)，具有無創(chuàng)、實時、高時間分辨率等優(yōu)勢，在神經(jīng)科學(xué)研究、臨床診斷、腦-機(jī)接口、情緒與認(rèn)知研究等領(lǐng)域展現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用前景。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，fNIRI系統(tǒng)的空間分辨率、信號質(zhì)量和臨床適應(yīng)性將得到進(jìn)一步提高，預(yù)計將在神經(jīng)科學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。
掃一掃，關(guān)注微信
