功能性近红外光谱技术（fNIRS）

fNIRS是一种非侵入式脑功能成像技术，它进行脑功能成像的原理与功能性磁共振成像（fMRI）相似，即大脑神经活动会导致局部的血液动力学变化。区别在于，功能性磁共振成像（fMRI）不适用于以儿童（尤其是婴幼儿）、老年人以及特殊人群为对象的脑功能成像研究，亦不适用于日常生活、工作等自然情境下的认知神经科学研究。功能性近红外光谱技术（fNIRS）被认为是一种能满足以上要求的脑功能成像技术。

目前国内外运用多通道的功能性近红外光谱技术(fNIRS) 在高级认知神经科学、发展认知神经科学和精神病学等领域进行了大量的研究，并取得了大量成效。21 世纪是脑科学和认知科学发展的世纪，fNIRS 对于脑科学的发展具有重要的意义。

近红外脑功能成像系统

如何实现对大脑进行监测？

对人体来说，体内95%的能量来自于不同的氧化反应，氧是一切生命活动的基础。组织中的氧运输其主要载体是血红蛋白，它由氧合血红蛋白（HbO2）和脱氧血红蛋白（Hb）组成。随着人体组织的有氧代谢，氧合血红蛋白和去氧血红蛋白的含量会不断发生变化，因而组织中的血氧含量的变化能够反映出人体生理状态、细胞的活动变化以及各组织结构的功能情况。所以通过实时、连续监测人体组织中氧的代谢及运输过程，对人类的健康状况以及生命科学的研究有着重要意义和应用前景。

本系统主要检测的信号为人脑近红外光神经信号。自1977年，Jobsis采用近红外光谱技术在完整猫头中成功检测到皮层组织的氧合状态，开启了近红外无创检测方法的应用。近红外光可以穿过颅骨实现非侵入性光学测量的根本原因在于，在600-900nm的近红外光区，生物组织相对透明，因为该波长区的水和血红蛋白的吸收非常小，因此该光区也被称为“光学窗”。

采用fNIRS检测脑活动过程中血液动力学的变化，依据的是氧合与脱氧血红蛋白在近红外波段具有不同的吸收谱。HbO2与HHb在800nm左右是等吸收的，但等吸收点两边的波长对于这两种血红蛋白的敏感性存在差异，具体表现为短波长对脱氧状态的血红蛋白更敏感，而长波长则对氧合状态的血红蛋白更敏感。基于这种差异，可通过近红外光多波长（至少2个）的测量获得脑活动相关的氧合与脱氧血红蛋白浓度变化。因此，fNIRS同步采集并实时显示受试者人脑在不同任务态下的不同血红蛋白相对浓度变化信息，临床可用于监护病人脑部血液动力学指标、辅助精神疾病诊断、辅助评价治疗效果以及辅助判断预后。

fNIRS的优势特色

功能性近红外光谱技术（fNIRS）在很多方面都有其它脑功能成像设备不可比拟的优势，具体如下：

1、无创式检测：fNIRS为非侵入性检查，可以重复多次测试，对被试者无创伤； 相比于开颅光学成技术，NIRS 技术的非侵入性使得该技术不仅更容易为被试所接受, 也能够提供长时间的脑活动监测。

2、准确度高： 具有良好的时间分辨率( 毫秒级) ，fMRI 通常在0.3~0.6 Hz 左右。fNIRS可以长时间连续检测，测量信号中还可包含心率、呼吸、血压以及关于神经血管耦合的低频成分等有用信息。fNIRS可以检测皮质下血流动力学改变，同时测量 oxy-Hb 和 deoxy-Hb 浓度变化(与之相比，功能性磁共振成像仅能测量 deoxy-Hb 的浓度变化) 。

3、实现多手段联合应用：fNIRS可以与其他的脑部检查方法联合使用，实现同步数据采集。如功能性磁共振成像、正电子发射断层成像术等目前先进的脑成像技术都可实现与 fNIRS的同步；无论是在婴儿发育和社会经济决策的单脑研究中， 还是在人际互动的多脑研究中，它都有广泛应用。未来近红外光学成像的应用可以向多脑神经反馈、脑机接口技术、设备无线化和多模态成像做进一步探索。fNIRS 可以同时与 EEG、TMS、TRS 等多种技术手段同时测量， 在数据上相互补充和相互印证。

4、 受试范围广：可以对运动中或处于社会活动中的个体实施实时检测，对儿童、多动症患者等人群具有很大优势。fMRI、MEG 和 EEG 技术都需要被试严格的保持身体静止, 而 fNIRS 技术对被试的头动不敏感，这使得它的数据信噪比较高, 对被试身体移动的容忍度更高。同时, 该特点使得 fNIRS 在多人同时交互和自然情境中的研究应用前景广泛。例如，有研究者采用fNIRS研究伦敦塔任务、睡眠和弹钢琴等自然情境下大脑前额叶的变化，取得了一系列的发现。同时该技术还开始运用于电子游戏情境、模拟驾驶情境、教育情境、咨询情境中大脑认知的神经机制研究。

5、方便快捷： fNIRS简单易用，造价较低，便于携带，较少有禁忌症。fMRI 和脑磁图(Magnetoencephalography， MEG)的设备昂贵, 维护成本高; EEG 的使用需要持续购买脑电膏；相比之下, fNIRS 设备价格较低且维护成本低。fNIRS 仪器小巧且作操作简单，允许受试者在开放的空间坐着接受监测，对受试者测量配合程度的要求明显低于 fMRI、PET 这种大型仪器。因为让精神分裂症患者或者焦虑症患者在狭小的空间里完全安静地卧位接受一个小时左右的fMRI 的监测是非常困难的。

fNIRS的应用领域

fNIRS作为非侵入性检查，具有无痛、无创、适用人群广，在任何时间、任何地点进行长时间不间断测量的优势，这使得它在脑科学领域应用广泛。