光成像简介

近年来,脑成像技术成为认知神经科学方面研究的新宠，而认知神经科学为心理学的蓬勃发展作出了重要的贡献。目前已有几种脑成像技术被引用，如功能磁共振成像、正电子发射计算机断层显像、单光子发射计算机断层显像和光成像。

光学成像技术的发展, 为认知活动脑机制研究提供了新的重要研究手段. 光学成像技术可在不同层次揭示神经系统的结构和功能信息, 从新的角度为解释认知活动提供重要实验依据。光成像(Optical Imaging)的依据是,神经元活动会引起某些有关物质(如水、离子)的改变,导致其光学特性发生变化,在与外加的某些特定波长的光量子相互作用后就得到了相应的光信号。通过成像仪器系统探测到此光信号的某一时间间隔内的空间分布,形成影像。光学成像具有比fMRI更高的空间和时间分辨力,可以更小的体素来测量总脱氧血红蛋、总血红蛋和血容量的改变。光学成像有多种,其中以近红外谱技术(near infrared spectroscopy, NIRS)和光学相干断层成像技术(optical coherence tomograph, OCT)发展迅速,它们均能提供观察脑皮质功能柱的高分辨图像。NIRS可穿过颅骨,已用于动物和儿童的无创性脑功能研究。

fNIRI的应用意义

功能型近红外光学监测技术对现有的 fMRI，PET 技术是一个非常有益的补充，它以组织中的血容和血氧为信息载体，通过测量大脑皮层中血容、血氧的分布和变化情况来了解大脑的活动。功能型近红外光学监测技术能够进行实时的非侵入式测量，具有时间精度高，灵活，易用，低成本等优点。与 fMRI 相比，尽管其空间分辨率达不到 fMRI 的水平，但在价格、便携性、易于使用以及对被试几乎无干扰（由于测量方式上的原因，fMRI 容易引起被试的“幽闭恐惧”，不利于大脑活动的检测研究）等方面则远远胜过了 fMRI。与 PET 相比，功能型近红外光学监测技术不需要像 PET 所必需的回旋加速器这样的附加设备和把放射线中核注入人体这样的操作，在安全性方面对人体更为有利，可对被试进行多次较长时间的测量。并且，fMRI 和 PET 技术要求受试者在实验过程中不能动作，故难以对儿童进行研究。而功能型近红外光学监测技术则没有这一限制。这些使得功能型近红外光学监测技术在大脑活动的大空间尺度研究上具备了很大的优越性，引起了国际神经生物学界的广泛关注。

fNIRI系统构成与工作原理

近红外脑功能成像技术(fNIRI)能提供脑功能活动过程中的脑皮层血氧代谢信息—含氧血红蛋白浓度变化(△[oxy-Hb])、脱氧血红蛋白浓度变化(△[deoxy-Hb])和血容(△[tot-Hb])，是近年来发展起来的新技术，具有价格低廉、可便携、实时非侵人测量等特性，已经在脑研究和临床检测中得到越来越广泛的好评。在国内，华中科技大学生物医学光子学教育部重点实验室已经研制出基于连续光的便携式近红外脑功能成像器，可对脑的高级功能区—前额叶激活血液变化信息进行灵敏检测，并在应用于语言研究中取得一些有意义的结果。

近红外光谱术是生物医学光子学领域中的一个重要内容，它以活体组织中各主要生色团（氧合和还原血红蛋白、细胞色素氧化酶等）的吸收光谱为基础，结合光在组织中的传播规律，利用近红外光对组织良好的穿透能力，研究光在组织中历经一系列吸收、散射后出射光携带的与吸收谱相关的组织生化信息，其主要目的在于研究组织中这些吸收色团浓度的定量测量方法，是组织血流动力学、组织光学监测、功能监测等研究的基础。大脑皮层某一区域活动时，其局部血容将增加，增加量反应了激活的程度，因此皮层中血容变化量可作为脑功能活动的指标。基于近红外光谱术的大脑功能监测系统能够实时，非侵入地测量大脑皮层中某个区域的氧合血红蛋白和还原血红蛋白的浓度变化，从而可以推算出该区域的血氧和血容的变化量，对大脑皮层的功能活动进行监测。

氧是一切生命活动的基础. 对于人脑组织也是一样, 大脑活动伴随着复杂的氧代谢过程. 对脑组织中血液溶氧浓度的实时监测, 可以实现对脑活动功能的窥测, 从而获得大脑活动的真实信息. 研究表明, 脑激活期间, 神经活动的兴奋性水平增强, 局部脑组织血流、血容积以及血氧消耗量均增加, 但增加的比例不同, 脑血流量增加超出血流容积 2~4 倍, 而耗氧量仅轻微增加, 血流量增加超出了氧耗量的增加. 这种差异导致脑激活功能区的静脉血氧浓度升高, 去氧血红蛋白相对减少. 利用近红外光谱(NIRS)可实现对浅表组织中各主要色团如含氧血红蛋白(HbO2)、去氧血红蛋白(Hb)、细胞色素氧化酶(CytOx)相对浓度变化及血液浓度等参数的实时无损伤在体测量, 通过一定的图像恢复重建可进一步得到脑活动的近红外光学图像.近红外光学成像(fNIRI)是20世纪90年代才出现的新型脑功能成像技术. fNIRI 采用近红外光谱方法记录大脑不同位置处的血氧与血容量参数变化, 从而获得脑功能图像.     

fNIRI系统组成与原理如图1. 它主要由柔性探头、测控模块和计算机3个部分组成. 测

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 控模块包括光源恒流驱动单元、后级放大滤波单元和数据采集部分. 在计算机设定的时钟频率控制下, 光源驱动单元采取时分复用技术依次点亮探头上的 4 个光源. 光源发射出特定波长的近红外光照射待测组织, 然后由探测器负责接收经过组织衰减后的光信号, 并完成光电转换和信号的前置放大. 前端模拟信号经过进一步的放大和滤波处理并在数据采集卡内完成模/数转换, 最后经 USB 接口输入到计算机当中. 计算机在利用系统软件控制电路工作状态的同时,对所采集的多通道数据进行实时运算, 并在界面上显示出血氧/血容浓度变化, 以反映各个通道所对应脑区的功能活动强弱.

fNIRI的优缺点

fNIRI 系统的优点是灵活, 易用, 低成本, 实时和非侵入性. 尽管在空间分辨率不如功能核磁共振成像(fMRI)和正电子发射断层成像(PET)等, 但其特点是能在认知活动的自然情景下进行实时功能成像, 并可与 fMRI, PET, EEG 等其他脑功能研究手段互不干扰地同时进行测量, 另外还易于对大量被试进行反复实验. fNIRI 已成为 20 世纪 90 年代国际神经生物学界最热门的研究课题之一. Luo 和 Chance 等人在国际上率先成功研制了一种基于近红外光谱术的脑功能光学成像器, 并在正常人脑皮层运动区获得了与 fMRI 一致的实验结果. Science 和 Trends in Neuroscience 对有关成果曾进行过报道和评论。

与传统的功能磁共振成像、正电子发射层析成像、脑电磁检测等技术相比，该技术不仅可以提供完全无损的脑功能检测，而且具备非常高的时间分辨率和理想的空间分辨率。近红外光谱系统具有体积小、重量轻、可便携以及成本低廉等优势，在认知神经科学研究者们的广泛关注脑功能研究领域具有巨大的应用价值。

fNIRI在心理学中的应用举例

目前近红外光谱术已被广泛应用于大脑功能活动的监测上。随着光电技术和信息技术的进步，近红外光学监测得到了进一步的发展。这一领域在对婴儿大脑的研究方面取得突破，因为婴儿大脑的体积小、几何结构简单，光学特性参数也较有规律。Lsobed 等使用近红外光谱术研究新生儿感觉运动皮层的功能活动。在认知神经科学领域，近红外大脑功能监测技术也得到广泛的应用。Sato 等使用近红外光谱术研究语音识别时的皮层活动。

如前所述，华中科技大学生物医学光子学教育部重点实验室已经研制出基于连续光的便携式近红外脑功能成像器，并展开了关于各种脑功能的研究。如为检测大脑前额叶活动, 他们开展了基于 n-back 作业范式的工作记忆研究。工作记忆中央执行系统的信息执行控制过程比较复杂, 其具体内容涉及注意与抑制、任务管理、计划、监督管理以及信息编码等不同认知成分。在大脑功能的影像学研究中很难将这些不同功能严格区别开, 该研究采用言语性 n-back 作业范式, 主要目的是利用 fNIRI 系统对被试在执行言语性n-back任务情况下前额叶皮层的激活状况进行监测, 并分析被试脑激活数据及行为表现数据研制了一种实用性强的三波长近红外脑功能光学成像系统, 并介绍了其工作原理. 开展了基于言语性 n-back 作业范式的工作记忆研究, 监测了前额叶(PFC)的激活状况, 分析了被试行为表现数据(响应时间和正确率), 考察了被试行为表现及PFC激活脑区的工作记忆负荷效应, 探讨了较高记忆负荷条件下被试PFC激活量与行为参数之间的关系. 研究结果表明, 通过测量血氧参数的变化,运用近红外光学成像方法可以实时监测脑皮层的活动。

另一研究关于发展性阅读障碍。发展性阅读障碍是指儿童智力正常，并且享有均等的教育机会，但是阅读成绩显著落后于其年龄所应达到水平的一种学习障碍现象。针对其它功能监测技术对阅读障碍患者大脑功能进行监测所得到的不同结果，设计了合适的实验范式对汉语儿童阅读障碍患者在进行汉字语音和语义加工时的大脑皮层活动进行研究，结果显示汉语儿童阅读障碍患者左前额叶大脑皮层活动异常，为阅读障碍的神经生理学研究提供了实验证据。