近红外光谱学综述.doc

连续波功能近红外光谱和成像设备与算法回顾 简介 这一年是功能近红外光谱和功能近红外成像(fNIRS/fNIRI)的20周年。由于现在大多数商业设备是基于连续波技术发展的，这次发表的目的在于回顾连续波FNIR设备和技术的现状。为了这个目的我们列举了可用的商业设备并着重设备的方面，比如光源、检测器和传感器管理。在数学方面，计算含氧血红蛋白与脱氧血红蛋白浓度的算法与数据分析方法也一并回顾了。 从早年的单位置检测，设备从最初的二维成像发展到三维成像。分析方法也发生了巨大的变化，从简单的MBLL（modified Lambert-Beer law）到现在用的复杂的图像重建和数据分析方法。由于这些进步，FNIRI已经成为在神经科学研究广泛应用的技术，很多设备制造商提供商用设备。在可以预见的未来，FNIRI可能发展成为一个临床工具，允许单项目诊断（单独诊断）。 关键词： 回顾，近红外光谱，NIRS，近红外成像，NIRI，功能近红外光谱（fNIRS），功能近红外成像（fNIRI），连续波，大脑活动，设备 1.简介 早在19世纪末，连续光曾被应用于非侵入的检测人体组织，比如胸部，头部和发射光穿透躯体（Bright 1831,Curling 1856,Cutler 1929）。更特别的，在1862年来自德国Hopper Seyler描述了含氧血红蛋白的光谱（Perutz 1995），在1864年来自英国的Stokes加上了脱氧血红蛋白的光谱和因此发现的血红蛋白对于氧气运输的重要性（Perutz 1995）。在1876年同样来自德国的von Vierord通过在血液循环被阻塞时检测穿过组织的光谱变化来分析组织。1894年，来自德国的Hüfner 光谱学决定的在试管中含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白绝对的和相对的量（Hüfner ，1894）。在这个领域没有重大发现的十年后，19世纪30年代，组织含氧量的光谱含量测定工作被多名研究者继续。例如Nicolai，来自德国，重复了von Vierord的工作（Nicolai，1932a，1932b），Matthes和Gross，德国，第一次论证了用两个波长光谱检测人自组织的含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白含量，一个在红光范围，一个在近红外光范围（Matthes and Gross 1938a，Matthes and Gross 1938b，1938c）。 为了量化，重要的第一步是Beer-Lambert 法则的发现，由来自法国的数学家Bouguer在1729年发现（Bouguer 1792）。这同样归功于Swiss Lambert，即使他在1760年引用了Bouguer的工作（Lambert 1760）。这个法则在1852年由德国的Beer扩展以量化浓度（Beer 1852）。由于Beer-Lambert 法则只是应用于非散射媒介，所以它不能应用与生物组织。相对较近的，因此优化的Beer-Lambert （MBLL）由英国的Delpy发展出来（Delpy et al. 1988），算入光的散射。MBLL也被应用于这篇回顾中描写的许多设备。进一步的重要步伐仍然是散射公社的分析方法（e.g. (Arridge et al. 1992, Patterson et al. 1989)）来量化描述光在组织中的传播。 基于组织包括头骨，在近红外范围的相对透明度，来自美国的J?bsis在1977年第一次论述了连续的、非侵入的监测大脑含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度的可能性（ J?bsis 1977）。因此他被认为是近红外光谱学（NIRS）的创始人。他的发现引领了多项NIRS设备的设计和制造（Ferrari and Quaresima 2012）。所有的这些设备都是连续波（CW）设备。连续波的意思是设备是单独基于光强检测，例如，近红外光被发送进组织，重新出现的光强将会被检测。这与时分技术是相反的，比如时间和频率领域技术，附加于光强检测，同时也检测光穿过组织所需要的时间。 形象的展现三种不同的技术请参考图1 图1 三种不同FNIRI技术的图示。连续波技术发射强度恒定的光然后只检测穿过组织的光强变化。频域技术调制光的强度然后检测检测到光的强度和频率偏移，这与光穿过组织的时间相关。时域技术发射一个极短的光脉冲到组织中，然后检测穿过组织的光子到达的时间。这种技术包含最多的信息，但也是最复杂的技术。I0：入射光信号，I：透射光信号，d：媒介厚度，ua：吸收参数，us：散射系数，φ：幅度延迟，I(t): 透射光信号的时间点分散公式。 CW系统的缺点是不能完全决定组织的光学特性，因此O2Hb和HHb不能被完全计算。因此，在开始的几年，NIRS设备只是大致趋势检测器，用于多种生理环境研究和临床干预。不论为了生理策略还是为了提高设备，许多研究都以获得