fNIRS 成像在脑功能损伤研究中的应用综述

岳金明，许敏鹏，2，尤 佳，明 东，2*

（1.天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072；2.天津大学医学工程与转化医学研究院，天津 300072）

0 引言

大脑是中枢神经系统的重要组成部分，是全身活动的“指挥中心”。脑科学的研究能够帮助我们更好地认识脑、开发脑、使用脑[1]。随着神经成像技术和神经信息处理手段的不断发展，客观定量地观察、分析神经系统逐渐成为可能。现有的脑成像技术不仅可以直接显示大脑的解剖结构，还能反映其生理作用和功能机制。脑功能研究主要包括情绪[2]、认知[3]、运动[4]、语言、视听觉等功能的机制探索、模型构建以及应用转化，深入研究脑功能有助于解读心理状态[2]、提高认知水平[3]、改善运动功能[4]，同时也对脑功能损伤引起的脑部疾病的有效诊断[5]和治疗[6-7]具有重要的临床意义。

研究功能脑区的神经信号激活水平是解析脑功能的重要方法，可用的技术手段主要有头皮脑电图（electroencephalogram，EEG）、皮层脑电图（electrocorticogram，ECoG）、脑磁图（magnetoencephalography，MEG）、功能性近红外光谱（functional near-infrared spectroscopy，fNIRS）成像、功能性核磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）等。脑电和脑磁信号与神经元放电直接相关，在脑功能动态信息解析中有显著优势，但EEG 空间分辨力较差，ECoG开颅手术有安全风险，MEG 对设备和环境要求非常高。脑血氧变化和脑神经活跃度以及代谢水平相关，秒级的时间分辨力足以提供脑功能激活的动态信息。fMRI、fNIRS 成像可以实时检测脑皮层血氧代谢水平，尽管fMRI 成像具有很高的空间分辨力，但其设备体积庞大、价格昂贵，不易推广；与之相比，fNIRS成像设备便携、操作简单，同时能够满足脑功能研究的时空分辨力要求。近年来，fNIRS 成像的研究成果为精神类疾病的诊断和治疗[5-7]提供了理论依据，为应用于评估心理负荷、监测心理状态、诊断与治疗脑功能损伤等领域的脑-机接口（brain-computer interface，BCI）系统[3]的开发提供了技术基础。因此，fNIRS成像在脑功能损伤研究相关领域具有巨大的应用价值和广泛的应用前景。

鉴于fNIRS 成像在脑功能损伤研究中的重要价值，本文对fNIRS 成像原理和技术发展进行简要概述，对fNIRS 成像在情绪、认知和运动功能损伤研究中的应用成果进行重点论述，对其应用过程中出现的问题以及解决方案的研究进展进行讨论，并对fNIRS 成像超扫描技术和静息态脑功能研究方法在脑功能损伤研究中的应用进行展望，以期促进fNIRS 成像相关技术在脑功能损伤研究领域的快速发展和有效应用。

1 fNIRS 成像技术概述

自1997 年Jöbsis[8]首次证明了采用fNIRS 成像连续无创监测大脑氧合血红蛋白（HbO）、脱氧血红蛋白（Hb）和总血红蛋白（HbT）浓度的可行性，fNIRS成像技术在脑功能研究领域开始受到关注。1995 年之前，fNIRS 成像研究多使用单通道设备，为了充分挖掘和扩大fNIRS 成像的应用潜力，多通道设备应运而生。随着更复杂的多通道仪器和可穿戴设备的开发与应用，fNIRS 成像在脑功能机制探索、婴幼儿神经发育模型构建、脑功能状态监测和fNIRS-BCI 系统开发等方面取得了重要进展，在多种疾病的诊断和治疗中也作出了突出的贡献。

fNIRS 成像依赖于不同介质对光的吸收定律，光在介质中的吸收系数受光波长和介质类型的影响。光源发出的近红外光需要经过头皮、颅骨、脑脊髓液才能到达大脑皮层，大脑皮层毛细血管血液中的HbO 和Hb 对700～900 nm 范围内的红外光的吸收系数具有显著差异（如图1 所示[9]），且该范围内的近红外光穿透皮肤、组织和骨骼时几乎没有能量损失，因此通过检测穿过机体前后的红外光强变化，根据朗伯比尔定律可以计算出局部HbO 和Hb 浓度的变化。

图1 各波长下各类皮肤组织的光吸收系数[9]

fNIRS 成像的基础是神经血管耦合机制，即局部神经激活与脑血流变化之间的关系。当大脑功能性激活时，局部HbO 浓度略有降低，随后由于脑血流过补偿效应使得毛细血管舒张、新鲜血液涌入、HbO 浓度升高、Hb 浓度降低，该过程可通过血液动力学响应函数（hemodynamic response function，HRF）曲线表示，如图2 所示[10]。

图2 血流动力学响应函数曲线[10]

当大脑被特定任务诱导时相关脑区功能性激活，由于存在神经血管耦合机制，在此过程中脑区的血氧水平变化具有显著特征。在脑部的感兴趣区进行fNIRS 成像时，可以观察到激活的动态轮廓，提供丰富的空间信息。此外，借助NIRS-KIT 工具包将激活水平可视化，激活特征展现得更加直观。因此，fNIRS成像在脑功能损伤的诊断与治疗等相关研究领域深具潜力。

2 fNIRS 成像在脑功能损伤研究中的应用

大脑是神经系统最高级的部分，负责“指挥”全身活动，脑功能在大脑皮质上有定位关系，如额叶与情绪、认知等功能相关，运动区被运动执行和运动想象任务激活。fNIRS 成像在能够提供较高时空分辨力的前提下，具有更好的可操作性、鲁棒性和兼容性，因此，本文从情绪、认知和运动功能角度，对fNIRS成像在脑功能损伤研究中的实验范式、激活模式和应用潜力进行详细综述。

2.1 情绪功能损伤的fNIRS 成像研究

情绪是机体对外界事物与主体需求之间关系的反映，它与主观感受有关，同时反映在大脑的功能活动上。fNIRS 成像在人类情绪功能研究中发挥了重要作用，研究表明内侧前额叶皮层（prefrontal cortex，PFC）的激活与情感体验有关，其常用的范式是情绪诱导[11]，通常是使受试者接受不同情绪效价的视/听觉刺激，比如观看带有表情、情绪的图片/影片[12-13]。情绪诱导会使额区HbO 浓度显著升高，但不同效价的情绪在额区的血氧激活水平不同，相比于积极情绪，消极情绪在PFC 能够诱发更显著的激活[14]。基于此，Trambaiolli 等[2]通过对积极、消极和中性情绪诱导的fNIRS 信号进行分类，构建了情绪相关的fNIRS-BCI 系统，该系统对积极-中性和消极-中性的预测准确率高达90%左右，与王春晨等[15]采用最佳特征子集建立的情绪识别算法的分类准确率不相上下。基于情绪的BCI 系统通常具有较高的分类准确率，为情绪实时监测和脑控设备等产品的开发提供了基础理论和技术支持。

fNIRS 成像在精神疾病的诊断和治疗中具有较大的应用潜力。在精神疾病的诊断方面，由于该类患者在情绪诱导下的fNIRS 响应信号明显异于常人，可将fNIRS 响应信号作为疾病诊断的观察指标。研究发现，抑郁症患者在处理带有情绪的语句或进行认知加工时，额叶激活水平低于常人且激活偏侧化现象比常人更明显[16]；精神分裂症（schizophrenia，SC）患者在正性表情诱导下，其额叶的激活水平高于负性，这与常人完全相反[17]；双相情感障碍（bipolar disorder，BD）和重度抑郁症（major depressive disorder，MDD）患者在威胁的情绪诱导下，其左额下叶和中叶激活水平显著高于常人，而在快乐的情绪诱导下，BD患者的额上、中叶HbO 浓度降低，Hb 浓度升高，与常人完全相反[18]。因此，分析不同情绪诱导任务下的fNIRS 信号有望实现对精神疾病的快速诊断。在精神疾病的治疗方面，情绪诱导下的fNIRS 成像研究可用于指导儿童自闭症、注意缺陷与多动障碍等疾病的治疗，这类患者在情绪调控中的额叶激活水平弱于常人，要求患者模仿情绪化的面部表情可以激活自闭症儿童的镜像神经元，使其额下回后部HbO浓度显著升高[6]，逐渐提高患者对情绪的反应能力和控制能力。积极的情绪诱导可以提高注意缺陷与多动障碍患者两侧额叶的激活水平[7]，在一定程度上改善额叶激活异常的情况。此外，一些放松的活动可以给处于负性情绪的常人甚至是精神疾病患者带来正性的情绪诱导，从而缓解焦虑、调节负面情绪、减轻患病症状。研究表明，绘画使得情绪处理过程中的额叶激活水平发生改变，呈现出与典型激活模式相反的现象（即HbO 浓度降低、Hb 浓度升高，称之为失活模式），并且显著降低了健康受试者在处于悲伤情绪下的效价和唤醒程度，使其情绪变得更加积极，有效地调节了悲伤的情绪[19]；而音乐治疗则可以提高MDD 患者背外侧PFC、眶额皮质和腹内侧PFC的激活水平，从而改善患者的情绪处理功能[20]。因此，情绪诱导下的fNIRS 信号有望成为精神疾病诊断、治疗的生物标记物，fNIRS 成像在情绪功能损伤研究领域极具应用价值和应用潜力。

2.2 认知功能损伤的fNIRS 成像研究

认知是人们认识活动的过程，即个体对感觉信号的加工过程。长期以来，认知和情绪被认为是相互分离的系统，但它们在心理功能和神经机制层面存在一定的交互作用。fNIRS 成像的认知功能研究中一般以感知记忆、计算、语言表达等形式为主，常用范式有n-back 和心算。n-back 范式要求受试者将当前刺激与前面第n 个刺激相比较，通常涉及受试者的视/听觉感知与工作记忆功能，通过控制当前刺激与目标刺激间的刺激个数来改变任务负荷。研究表明，不同难度的n-back 任务在PFC 表现出不同的血氧激活水平，Liu 等[3]基于n-back 任务难度和血氧激活水平之间的正相关特性，设计了认知相关的EEG-fNIRS联合BCI 系统。心算范式要求受试者不使用外部工具只运用大脑完成给出的算术任务，其在额叶的激活水平受问题呈现形式、心算难度、心算复杂度的影响显著，常用于构建fNIRS-BCI 系统[21-22]。

精神疾病患者除了存在情绪处理方面的功能缺失，往往也伴随着认知功能受损、认知加工过程中的血氧水平异常，因此，分析认知任务下的血氧状态有助于精神疾病患者的临床诊断。1994 年，Okada 等[23]首次对比了语言流畅性测试（verbal fluency test，VFT）任务期间SC 患者和常人的额颞叶激活情况，二者激活空间和激活水平都有显著差异，常人左颞叶的激活水平弱于SC 患者的左颞叶，但右颞叶的激活水平强于SC 患者的右颞叶，如图3 所示。随后研究发现，在VFT 任务期间，SC 患者额颞叶HbO 浓度的平均变化幅度比常人更小，额下回的偏侧化指数显著降低，而且BD[3]、MDD[4]患者也有类似情况，病情严重程度与血氧激活水平呈负相关。除此之外，不同类别的精神疾病患者额叶血氧水平在VFT 任务的前期和后期也有着截然不同的表现。抑郁症患者的反应模式与常人相同，在VFT 任务期内HbO 浓度升高，但升高幅度始终弱于常人[24]；BD 患者在VFT 任务早期的额叶激活情况弱于常人甚至无激活现象，但在任务晚期或者任务结束后的休息期内，HbO 浓度出现突增的现象[25]；SC 患者在VFT 任务早期的HbO 浓度降低，呈现波谷状态，但在任务结束后的休息期内HbO 浓度反而升高，与常人的反应模式完全相反[17]。因此，认知任务下脑血氧的激活水平以及激活的时空特性均可作为认知功能损伤诊断、病情分级[5]的有效指标。fNIRS 成像舒适友好、高效准确，是用于认知功能研究的成像手段，在认知功能损伤研究领域具有广阔的应用前景。

图3 VFT 任务下，HC group（健康对照组）与SC group（精神分裂症患者组）额颞叶激活情况[23]

2.3 运动功能损伤的fNIRS 成像研究

运动功能研究可分为运动执行（motor execution，ME）和运动想象（motor imagery，MI）2 类。ME 有明显肢体运动，常用的实验范式包括手部或足部运动，如对指、抓握、手指敲击、足部敲击等。MI 是指人们在脑中想象动作而没有实际运动输出，是一种基于想象的心理练习活动，想象的运动类型多与ME 相似。

ME 和MI 的脑血氧激活模式基本相似，即任务期间运动皮层周围局部脑区呈现HbO 和HbT 浓度升高、Hb 浓度降低的典型激活现象，激活模式具有较高的可重复性。但在ME 任务下，运动皮层前部激活程度更大，包括前运动区、辅助运动区（supplementary motor area，SMA）、初级运动区（M1），且激活水平受运动强度的影响，MI 则更多激活运动皮层后部，激活水平不受想象的运动强度影响[4]。

行走是人类最基本的运动功能之一，在临床神经学中的研究意义重大，一些神经系统疾病如卒中和帕金森等都是以步态障碍作为研究特征的。一般的成像技术如MEG、fMRI 等，不能支持运动状态下的信号采集，基于fNIRS 成像的研究运动鲁棒性好，在涉及多种动态任务的步态研究中，fNIRS 信号稳定、信号质量良好，因此fNIRS 成像在运动功能损伤研究中脱颖而出。

2001 年，Miyai 等[26]设计了比较全面的基于fNIRS成像的运动实验，实验涉及上肢伸展、反复站坐、自由步态行走、MI 等多种任务，如图4 所示。行走任务周期内[图4（b）黄线框]通道14 的HbO、HbT 浓度明显升高，而Hb 浓度变化不明显。HbO 是fNIRS 测量中反映脑区激活的最有效、最敏感的指标，说明行走任务激活了初级感觉运动区。图4（c）则是各任务下的NIRS 地形图，将整个运动区的血氧激活情况可视化后，可以发现不同的任务在运动区的激活存在空间特异性，运动区血氧水平实时反映激活的动态轮廓，行走ME 激活了大脑内侧初级感觉运动皮层和SMA；摆手运动在双侧感觉运动皮层激活明显；足部运动在感觉运动皮层和SMA 出现双侧激活；想象行走运动激活了内侧M1 和SMA。该研究通过实时监测运动区的fNIRS 信号建立了正常人和卒中患者的运动区血氧激活模型，为后续基于fNIRS 成像的运动功能损伤的相关研究提供了指导。此外，该研究还发现相比于正常人，卒中患者在ME、MI 任务下运动区的激活水平减弱，且有明显的延迟，认知障碍[7]患者也出现了类似的激活水平较弱、激活时间延迟的现象，而且卒中和认知障碍患者的运动功能都受到了损伤。2019 年，Klempir 等[27]借助fNIRS 成像研究帕金森患者手指敲击和步态任务期间的运动皮层活动，研究表明，对患者进行丘脑底核脑深部电刺激治疗，提高了患者手指敲击任务期间对侧运动区的血氧激活水平；在步态ME 期间，皮层激活的范围更加向中央区域集中，体感区的激活水平明显提高，证明丘脑底核脑深部电刺激有效改善了因运动功能受损导致的运动皮层激活异常。基于fNIRS 成像的运动功能研究有望成为运动功能损伤治疗策略是否奏效的评估标准。

图4 实验过程与脑区激活情况[26]

与运动相关的fNIRS 信号在卒中、脊髓损伤等运动功能障碍患者的康复训练中有着重要的辅助作用。2007 年，Ward 等[28]证明采用fNIRS 信号作为运动皮层激活的反馈能够改善限制诱导运动疗法的效果。随后，Kober 等[29]在康复训练中加入MI-fNIRS 信号作为神经反馈，发现患者运动前皮层诱发的激活程度增强、激活区域更集中；2020 年前后，MI 在前额叶与运动皮层的激活程度被证明与患者在康复运动中表现的改善程度呈正相关，这可作为患者运动康复训练的效果评估标准[30]。综上，fNIRS 成像辅助常规运动康复训练能显著提高运动功能恢复的效率，为进一步完善康复训练体系提供技术支持[31]。

3 存在问题及展望

3.1 存在问题及解决方案

3.1.1 fNIRS 成像光极排布导致采集信号不稳定

由于近红外光需要穿过头皮、颅骨等组织才能到达大脑皮层，因此光源的探测深度是检测大脑皮层血氧变化的重要因素之一。探测深度与光源、探测器之间的距离直接相关。此外，头部不同区域的头皮和颅骨分布明显不同，依据相应脑皮层深度调节光极间距对获取稳定的高信噪比脑血氧信号具有重要意义。不同的脑功能在大脑结构中对应着不同的脑区，根据先验知识或预实验，针对不同脑功能损伤选择fNIRS 成像光极在头皮的位置以及区域范围能够达到事半功倍的效果。另外，在采集fNIRS 信号时，设备探头与头皮接触不紧密等也会导致采集信号质量较差（信号信噪比较低），甚至无法采集到大脑皮层血氧水平变化。

因此，在不同类型的脑功能研究中，通过预实验探究最佳的光源-探测器距离[32]和光极排布是获得优质脑血氧信号的有效方法。

3.1.2 光纤的存在导致fNIRS 信号采集的灵活度和自由度受限

传统fNIRS 成像设备需要光纤来传输光信号，光纤的存在导致信号采集的灵活度和自由度受到了限制。无线fNIRS 成像系统的研发为脑功能损伤的相关研究带来了更多便利。2003 年，无线连续波fNIRS成像系统被首次提出[33]，为可穿戴血氧监测设备的开发和普及奠定了基础。2017 年，McKendrick 等[34]将无线fNIRS 成像设备在脑功能研究中的应用场景拓展到室外，结果表明，无线fNIRS 成像设备在自然环境中也能对受试者的认知状态进行良好的监测。2021年，Si 等[35]设计了一套头戴式无线fNIRS 监测系统，精度与临床脑血氧监护仪相当，经实验证明，即使在运动任务中依然能有效监测脑氧合情况。无线fNIRS成像设备凭借便携、灵活的优点在运动任务中表现良好，为运动功能损伤的诊断与治疗、运动功能康复等内容的深入研究提供了技术支持[36]。

随着无线fNIRS 成像系统性能的逐渐完善，信号采集的灵活度和自由度越来越高，系统的应用场景也越发丰富，无论处于室内或是室外，静止或是运动状态，都可以采集到有效的脑血氧信号。

3.1.3 fNIRS 成像时间分辨力低导致脑功能状态监测的实时性较差

fNIRS 成像应用于脑功能研究时间分辨力较低，可通过与其他信号的联合采集分析，获得更加丰富的信息。在脑功能研究中，通常将EEG 信号与fNIRS信号一同采集，可以同时观测感兴趣脑区的电活动和代谢活动，获得具有较高时空分辨力的脑功能信息，同时有助于了解神经血管耦合机制在脑功能损伤研究中发挥的作用。2018 年，刘睿旭等[37]指出EEGfNIRS 联合检测能够可靠地揭示重复经颅磁刺激（repetitive transcranial magnetic stimulation，rTMS）对对侧运动区神经血管耦合过程的影响，其研究为制定合理、有效的rTMS 治疗参数提供了帮助，为rTMS用于临床治疗提供了指导。2020 年，Perpetuini 等[38]表示EEG-fNIRS 多模态信号采集可用来观测较为复杂的脑活动和神经血管耦合，还可检测出阿尔茨海默病患者工作记忆的下降，有望成为该类患者病情评估的有力工具。2022 年，Das 等[39]建立了一种无创神经血管耦合评估模型，该模型通过对EEG-fNIRS多模态信号进行动态小波变换相干分析，实现对新生儿脑部神经血管耦合情况的评估，为新生儿脑科疾病的筛查、诊断提供了技术支持。

3.2 展望

fNIRS 成像在脑功能研究领域的应用已经历40余年的发展，其中fNIRS 超扫描技术的相关研究和静息态fNIRS 成像脑功能研究逐渐成为该领域近10 a 的研究热点，以下将对这2 类研究的最新研究进展进行简述，并解析其在脑功能损伤研究中的应用潜力。

（1）基于多通道的fNIRS 超扫描技术可以实现社交心理、人际互动等自然情景下的多人脑功能成像，在情绪、认知功能损伤的相关研究中具有重要的应用潜力。

对于常人来说，在执行双人或多人参与的任务时，如合作/竞争完成游戏、对话等，同步激活的现象不仅发生在受试脑区的不同位置，还发生在受试者之间，这被称为脑内同步和脑间同步。2021 年，Canigueral 等[40]发现个体间互动、交流的过程具有复杂的神经基础和处理机制，比如信息共享的过程会引起多个脑区的脑内同步和脑间同步活动增强。因此，在互动过程中，脑内、脑间同步活动的强度可以作为个体间大脑活动关联的评判指标[41]，也可以作为患者脑功能状态（损伤）的诊断依据。

目前，精神疾病的诊断方式是根据ICD-11（国际疾病分类）、DSM-6（美国精神疾病诊断准则手册）和CCMD4（中国精神障碍分类与诊断标准）进行量表评估，因此诊断结果难免受到患者主观因素的影响。若医生与患者在谈话或游戏的过程中采用fNIRS成像超扫描技术同时观测二者的脑区血氧水平变化，患者的脑内同步及其与医生的脑间同步激活水平等生理指标都可以作为诊断病情和制订治疗方案的依据。fNIRS 超扫描技术在脑功能损伤研究中的应用有望在轻松、自然的交互过程中为患者脑功能损伤性质及损伤程度的诊断提供有效的指标。

（2）基于fNIRS 成像的静息态脑功能研究测量自发的血流动力学波动，可灵活、可靠、重复地描述自发状态下脑功能活动，适用于面向婴幼儿、残障人士的脑功能研究。

静息态脑功能研究只需受试者在信号采集过程中保持静息态即可，因此适用于不具有或不完全具有语言能力、运动能力的婴幼儿[42]和残障人士。静息态fNIRS 成像研究在新生儿生长发育领域的应用可帮助人类获悉大脑的发育进展。2021 年，Ren 等[43]通过观察早产儿的静息态脑功能发现不同的大脑区域负责处理相应的音乐特征，早产儿已经拥有调控各脑区工作的能力。2022 年，Tian 等[44]将静息态脑功能连接的分析方法推广至高危职业的从业人员，从认知神经科学的角度探讨煤矿工人的神经活动与不安全行为之间的联系，该项研究也证明了静息态fNIRS 脑功能研究是探究神经心理机制的一种可行方法。

基于fNIRS 成像的静息态脑功能研究实验过程更加自然、舒适，适合运动功能受损的患者，有效避免了任务难度或强度不适合患者的情况，在探索运动功能损伤机制、运动障碍康复训练方面具有很大潜力。

4 结语

fNIRS 成像可以实时、无创地监测大脑神经活动引起的血液动力学变化，具有舒适度高、设备便携、系统鲁棒性好等优点，因此适用于大脑功能损伤的相关研究，在精神类疾病的诊断与治疗、运动功能康复等领域具有重要的价值和广阔的前景。基于fNIRS的超扫描技术和静息态fNIRS 成像的研究方法有望为脑功能损伤相关的临床研究提供新思路。