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功能近红外光谱在大脑成像中的研究及应用

红外技术 2016年第5期38卷 433-439页

作者：陈兴稣王雪峰王元庆伊犁师范学院电子与信息工程学院新疆伊宁835000 南京大学电子科学与工程学院江苏南京210046

近红外光谱的650～1000 nm是大脑成像的“光学窗口”,功能近红外光谱技术对大脑成像具有非侵入、无需注射造影剂、成本低和方便等优点,被应用于脑成像。概述了近红外光谱在大脑成像中的原理、方法及发展,总结分析了功能近红外光谱技术... 详细信息

近红外光谱的650～1000 nm是大脑成像的“光学窗口”,功能近红外光谱技术对大脑成像具有非侵入、无需注射造影剂、成本低和方便等优点,被应用于脑成像。概述了近红外光谱在大脑成像中的原理、方法及发展,总结分析了功能近红外光谱技术对大脑探测在提高系统分辨率方法的3个主要阶段,提出了存在的问题和发展前景。

关键词：功能近红外光谱大脑成像多通道探测高密度探测

功能近红外光谱技术在针灸治疗脑病中的应用现状

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中华中医药杂志 2021年第5期36卷 2874-2877页

作者：罗云武平余泽芸王颖旎唐洁陶偲钰成都中医药大学针灸推拿学院成都610075

功能近红外光谱(FNIRS)主要通过检测大脑血流动力学变化情况,实时了解各脑区的功能状态。FNIRS具有独特的优势,在脑病研究中的应用越来越广泛。针灸治疗脑病是非药物治疗中最常用的一种手段,目前对其机制的研究主要集中在神经电生理学... 详细信息

功能近红外光谱(FNIRS)主要通过检测大脑血流动力学变化情况,实时了解各脑区的功能状态。FNIRS具有独特的优势,在脑病研究中的应用越来越广泛。针灸治疗脑病是非药物治疗中最常用的一种手段,目前对其机制的研究主要集中在神经电生理学及血流动力学方面,而现有的研究技术仅能提供一些间接证据。而FNIRS的优势,使其可能成为针灸治疗脑病的疗效监测和预后评估手段。因此,FNIRS在针灸治疗脑病中的应用值得探讨。

关键词：近红外光谱功能近红外光谱针灸中医脑病脑功能综述

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基于功能性近红外光谱的游戏成瘾者分类判别

北京生物医学工程 2023年第3期42卷 257-262页

作者：李永康王琦雯徐琪苏杭李晓欧上海理工大学上海200093 上海健康医学院上海201318 上海交通大学医学院附属精神卫生中心上海200030

目的网络游戏成瘾已被列为一种精神疾病,而目前暂无客观的方式判断是否存在游戏成瘾问题。本文采用支持向量机(support vector machines,SVM)、线性判别分析(linear discriminant analysis,LDA)和k最近邻(k-nearest neighbor,KNN)分类... 详细信息

目的网络游戏成瘾已被列为一种精神疾病,而目前暂无客观的方式判断是否存在游戏成瘾问题。本文采用支持向量机(support vector machines,SVM)、线性判别分析(linear discriminant analysis,LDA)和k最近邻(k-nearest neighbor,KNN)分类器实现对健康人和游戏成瘾者的分类判别。方法首先采集17名被试者(经临床医生诊断,6名为游戏成瘾者,11名为健康者)的功能性近红外光谱(functional near-infrared spectroscopy,fNIRS)数据,提取数据中的氧血红蛋白(oxygenated hemoglobin,HbO_(2))浓度数据,对HbO_(2)数据进行带通滤波和基线漂移校正并利用时间导数分布修复法去除运动伪影。然后,提取HbO_(2)的峰值、均值、斜率及其组合特征,采用SVM、LDA和KNN分类器对其进行分类判别。结果在3种特征组合情况下,SVM、LDA和KNN算法的分类准确率分别为76.47%、70.58%和64.70%。结论三种分类器可实现游戏成瘾疾病的分类判别,推进基于fNIRS信号在临床上辅助诊断游戏成瘾。

关键词：游戏成瘾功能近红外光谱分类准确率信号处理

脑电与功能近红外光谱技术在脑机接口中的应用

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北京生物医学工程 2022年第3期41卷 318-325页

作者：高宇航司娟宁何江弘李梦北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院北京100192 解放军总医院第七医学中心神经外科北京100700

脑-机接口(brain-computer interface,BCI)技术是一种多学科交叉融合的新型人机交互方式,通过解码大脑的活动信息来控制外部设备,从而实现人脑与外界的信息交互,在神经科学、康复医疗、人工智能等领域应用广泛。近年来随着科技进步,多尺... 详细信息

脑-机接口(brain-computer interface,BCI)技术是一种多学科交叉融合的新型人机交互方式,通过解码大脑的活动信息来控制外部设备,从而实现人脑与外界的信息交互,在神经科学、康复医疗、人工智能等领域应用广泛。近年来随着科技进步,多尺度(宏观、介观、微观)脑成像技术不断涌现,如脑电图(electroencephalogram,EEG)、功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)、功能近红外光谱(functional near-infrared spectroscopy,fNIRS),极大地推动了BCI的发展。本文综述了EEG、fNIRS及EEG-fNIRS多模态融合技术在BCI中的应用现状,归纳各技术的研究成果,探讨其局限性和改进方式,并对未来BCI的发展做了展望。

关键词：脑-机接口人机交互脑电功能近红外光谱多模态信息融合

功能近红外光谱技术监测局灶性癫痫患者脑血流变化的临床研究

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功能近红外光谱技术监测局灶性癫痫患者脑血流变化的临床研究

作者：何平天津医科大学

学位级别：硕士

目的探讨应用功能近红外光谱技术（fNIRS）研究局灶性癫痫发作间期脑血流的变化规律及fNIRS的临床应用价值。方法选择来自天津医科大学总医院神经外科和神经内科的42例局灶性癫痫患者。所有患者癫痫诊断均符合国际抗癫痫联盟（ILAE）201... 详细信息

目的探讨应用功能近红外光谱技术（fNIRS）研究局灶性癫痫发作间期脑血流的变化规律及fNIRS的临床应用价值。方法选择来自天津医科大学总医院神经外科和神经内科的42例局灶性癫痫患者。所有患者癫痫诊断均符合国际抗癫痫联盟（ILAE）2014年关于局灶性癫痫的诊断标准[1]。42例患者入院均完善癫痫外科术前评估流程,选择合适的治疗方案。所有患者行长程视频脑电图（VEEG）、头颅核磁共振（MRI）、正电子发射计算机断层扫描（PET-CT）检查、神经心理学评估,必要时行发作期单光子发射计算机断层扫描（SPECT）检查。依据上述检查结果,初步确定局灶性放电较明显及血流灌注异常的脑区。行fNIRS检查,患者佩戴EEG-fNIRS同步测量专用帽,安装脑电图（EEG）头皮电极和近红外仪光极（日本岛津LABNIRS）,分别监测额区、颞区、顶区、枕区。运用E-prime软件标记同步记录起点,开始同步监测,监测时间60~100分钟,中间可休息10分钟左右,监测过程中患者可选择一舒适体位,保持安静。监测结束后,通过3D定位仪,用与近红外系统配套的定位棒,定位通道三维信息。滤除心电伪迹,个体化分析每例患者EEG结果,由两名有经验的脑电图医师分别阅图分析,选择二者及癫痫临床医师均认同的痫性放电,并分析放电起源位置及分布区域,记录对应的时间点。fNIRS记录结束后,去除心率干扰,观察痫性放电时相应通道血流变化情况。通过MATLAB软件分析出现血流变化的通道所在的脑区。分析每例患者血流变化的规律及与痫性放电关系。结果40例患者均行fNIRS检查,有异常脑血流变化者39例,其敏感性、检出率为97.5%;未捕捉到异常变化者1例,可能因异常放电位置较深,超出fNIRS探测深度。40例患者中皮层局灶性癫痫者25例,颞叶内侧癫痫15例。皮层局灶性癫痫中25例患者中感兴趣区出现血流变化21例（84%）,邻近脑区出现血流变化者7例（25%）,镜像脑区出现血流变化者8例（32%）,远隔脑区出现血流变化8例（32%）。15例颞叶内侧癫痫患者中,均未监测到感兴趣区血流变化,其他脑区出现血流变化13例（86.7%）,2例未出现其他脑区血流变化（13.3%）,对侧脑区出现血流变化10例（66.7%）,同侧脑区出现血流变化8例（53.3%）。发作间期无痫性放电时,可见异常脑区去氧血红蛋白（HbR）基线水平较氧合血红蛋白（HbO）、总血红蛋白（HbT）偏高,正常脑区HbO、HbT基线水平较HbR偏高;痫性放电时对应通道出现HbO、HbT曲线陡立形升高,继而缓慢下降至基线水平,同时HbR水平降低,继而缓慢升高至基线水平。结论fNIRS是一种非侵入性、安全、便携式、价格合理的反映脑活动的检查方式。在探测脑血流变化方面,是一种敏感、准确性的功能成像技术。可以探究HbR、HbO和HbT的水平变化,间接反映脑血流灌注情况。fNIRS与EEG联合,可动态监测痫性放电时皮层血流变化情况,不仅可发现局部脑区异常血流变化,同时可捕捉到临近、对侧及远处脑区异常血流变化。补充了PET、SPECT等在癫痫发作期、发作间期痫性放电时检查脑灌注情况的不足。随着技术的成熟发展,有望应用于癫痫外科致痫区的定位。

关键词：功能近红外光谱癫痫发作间期氧合血红蛋白去氧血红蛋白总血红蛋白脑电图

基于VR的有序抓握运动对脑皮层活动影响的功能性近红外光谱研究

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基于VR的有序抓握运动对脑皮层活动影响的功能性近红外光谱研究

功能近红外光谱与功能核磁共振运动想象脑机接口双模态比较研究

第十三届全国体育科学大会

作者：尹佳慧徐功铖邵广健张可邵斌李增勇

研究目的:2020年"世界卒中日"主题为医体融合,预防卒中,倡导运动和医学防治相结合。近80%的脑卒中后患者存在上肢功能障碍,特别是手功能障碍,严重影响了患者的正常工作生活,对家人和社会造成沉重负担,值得引起高度重视。脑卒中患者与运... 详细信息

研究目的:2020年"世界卒中日"主题为医体融合,预防卒中,倡导运动和医学防治相结合。近80%的脑卒中后患者存在上肢功能障碍,特别是手功能障碍,严重影响了患者的正常工作生活,对家人和社会造成沉重负担,值得引起高度重视。脑卒中患者与运动相关的中枢神经系统受损后,患侧手的屈伸速度明显慢于健侧手,运动范围缩小,关节间的协调性也受到影响,手抓握功能恢复缓慢。随着康复设备智能化程度提升,许多新兴技术结合运动训练被应用到康复领域之中,我们以游戏的形式设计了针对卒中患者的融合了虚拟现实(Virtual Reality,VR)和有序抓握运动的康复训练任务,通过VR技术辅助患者完成手部康复动作训练,提高患者的主动训练参与度,促进卒中患者手功能的康复。本研究旨在构建VR抓握交互平台的基础上,结合VR训练和近红外脑功能(f NIRS)监测技术,通过健康受试者的试验探讨有无VR参与的有序抓握任务下的脑皮层响应,为卒中患者手功能康复策略选择提供参考依据。研究方法:通过柔性数据手套和Unity3D软件构建了基于VR的有序抓握运动交互平台,招募18名健康受试者(8名女性,10名男性,25±5岁,右利手)依次进行静息任务、右手的无VR抓握任务和右手的VR抓握任务。在无VR抓握任务中,受试者需要根据有序的语音提示完成手部握拳和伸展的序列动作;在VR抓握任务中,受试者在VR场景的引导下跟随游戏场景完成和无VR抓握任务相同频率的握拳和伸展序列动作。采用f NIRS技术监测大脑左右前额叶皮质(left/right prefrontal cortex,LPFC/RPFC)、左右运动皮质(left/right motor cortex,LMC/RMC)和左右枕叶皮质(left/right occipital cortex,LOC/ROC)的氧合血红蛋白信号。在开始实验之前,受试者通过至少10分钟的练习来熟悉VR游戏。实验开始时首先在静止状态下,受试者佩戴传感器手套,以舒适的姿势闭目静坐10分钟;休息5分钟后,受试者在佩戴传感器手套的情况下执行无目标的无VR抓握练习10分钟;再休息5分钟后,受试者佩戴传感器手套,进行10分钟的VR抓握练习,为了增强游戏乐趣激励受试者主动参与,我们在游戏任务过程中增加了游戏任务分数和训练时间。在Unity3D中使用EPPlus插件采集VR抓握动作过程中的手部运动数据,包括游戏时间、手指的弯曲角度、计划路径等,基于数据得出总距离差(total distance difference, TDD)、总速度差(sum velocity difference,SVD)和总加速度差(total acceleration difference,TAD),以表征任务过程中的运动学表现。通过小波分析计算采集的各脑区皮层氧合血红蛋白信号,得出小波幅值(wavelet amplitude,WA)和各脑区间的相位相干性(wavelet phase coherence,WPCO),以分别表征大脑激活程度和功能连接强度。研究结果:与静息态相比,无VR抓握任务和VR抓握运动诱发了LPFC、RPFC、LMC、 RMC和ROC的WA值显著上升,在VR抓握运动时LPFC(p=0.0093)和LMC(p=0.0007)的WA值增加更加显著,且VR抓握任务时LMC的WA值(p=0.0057)显著高于无VR抓握任务。与静息态相比,无VR抓握任务时大脑皮层WPCO强度增强,连通数量增加;然而VR抓握过程中功能连接强度减弱,数量减少,且与无VR抓握运动相比,只有LPFC-LMC的WPCO强度增加,其余通道几乎均比无VR抓握运动功能连接强度低。在VR抓握运动中LPFC、RPFC、LMC和RMC的WA值与运动学表现(TDD、SVD、TAD)呈负相关(R0)。研究结论:无论是否存在VR交互过程,有序抓握任务都能诱发大脑皮层的激活。然而,在不同的任务状态下,大脑区域间呈现出相反的功能连接模式。VR抓握运动可提高运动肢体对侧脑区的激活和功能连接强度,抑制运动肢体同侧脑区的功能连接,更大程度地提升目标脑区的活动,这是康复训练的目标之一。且加入VR游戏任务后,左运动区与左前额叶之间的WPCO明显增强,表明加入VR游戏任务可以促进运动肢体对侧大脑半球的认知和运动控制之间的耦合。运动学特征TDD、SVD、TAD在一定程度上表征控制的稳定性,数值增加表明控制的稳定性变差,左右前额叶和左右运动区的激活程度与运动学特征值呈负相关,说明越有序或越符合VR引导的抓握动作是越强的认知和运动控制脑区活动调整的结果。同时,左右枕叶的激活程度和运动学特征值呈正相关,枕叶是视觉反馈区,这可能表明增加视觉刺激(如图片或视频)会导致抓握动作控制更加不稳定,因此在设计VR场景或任务时需要删除不相关的动画场景。综上所述,VR任务中的抓握运动可以提高运动肢体对侧脑区的激活

关键词： VR 手功能训练功能近红外光谱脑功能运动学表现

来源： cnki会议评论

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生物医学工程研究 2018年第3期37卷 265-270页

作者：安嘉琳张屾王玲田一竹李德玉汪待发北京航空航天大学生物与医学工程学院北京100083 生物医学工程高精尖创新中心北京航空航天大学北京100083

基于功能近红外光谱(f NIRS)的运动想象脑机接口(BCI)在中风患者神经康复训练发挥着不可或缺和日益重要的作用,但分类率较低。以功能核磁共振(f MRI)作为参考金标准,针对运动想象范式,本研究开展了f MRI-BCI与f NIRS-BCI的对照研究,以... 详细信息

基于功能近红外光谱(f NIRS)的运动想象脑机接口(BCI)在中风患者神经康复训练发挥着不可或缺和日益重要的作用,但分类率较低。以功能核磁共振(f MRI)作为参考金标准,针对运动想象范式,本研究开展了f MRI-BCI与f NIRS-BCI的对照研究,以探究限制f NIRS-BCI分类率的主要因素。实验选取了12名被试,分别获取两种模态下左右手运动想象数据,并利用共空间模式算法提取空间特异性信息进行分类。从血液动力学响应来看,由于受到浅表血流信号干扰,f NIRS获取的运动想象在双侧运动区脑响应的对比度明显低于f MRI。同时,f MRI-BCI的分类准确率显著高于f NIRS-BCI,超过10个百分点,分别为80.3%±16.0%与67.3%±10.2%。这些结果表明,f NIRS及目前常用的拓扑式排布在获取脑皮层响应信息上存在不足,是运动想象f NIRS-BCI分类率较低的主要限制因素。

关键词：功能近红外光谱运动想象功能核磁共振共空间模式脑机接口

功能近红外光谱对激光诱导间质热疗法治疗肝癌实时在位疗效评估的初步研究

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东南大学学报（医学版） 2009年第5期28卷 376-382页

作者：王栋周家华王晋阳钱志余陶可涛东南大学附属中大医院普通外科江苏南京210009 南京航空航天大学生物医学工程系江苏南京210016

目的:探讨功能近红外光谱(fNIRS)实时在位监测肝癌激光热疗的敏感性、可行性。方法:体外培养H22肝癌细胞,建立小鼠的肝脏原位移植肿瘤,分不同时间相同功率及不同功率相同时间组分别对肝肿瘤进行激光热疗,同时利用fNIRS监测系统对热疗过... 详细信息

目的:探讨功能近红外光谱(fNIRS)实时在位监测肝癌激光热疗的敏感性、可行性。方法:体外培养H22肝癌细胞,建立小鼠的肝脏原位移植肿瘤,分不同时间相同功率及不同功率相同时间组分别对肝肿瘤进行激光热疗,同时利用fNIRS监测系统对热疗过程进行实时监测获取相关参数,术后第1天利用7.0 T核磁共振(MRI)及病理学检查确定肿瘤毁损范围。结果:以病理学结果为激光疗效判断标准,在相同时间不同功率组MRI在2.1 W未提示损伤,fNIRS监测系统获取的优化散射系数(μs)出现稳定的平台期;相同功率不同时间组MRI一直未提示组织损伤,而μs在150 s出现稳定平台期。结论:fNIRS相对目前主要的肿瘤热疗监测手段MRI更加敏感,为开发实时在位激光诱导肿瘤间质热疗精确治疗系统打下基础。

关键词：功能近红外光谱肝脏原位移植肿瘤激光间质热疗优化散射系数 7.0T核磁共振小鼠

基于功能近红外光谱的上肢运动想象脑机接口研究

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基于功能近红外光谱的上肢运动想象脑机接口研究

作者：王文乐昆明理工大学

学位级别：硕士

在脑-机接口（BCI）研究中,相对脑电图（EEG）和功能磁共振成像（f MRI）,功能近红外光谱（fNIRS）是一种较新的观测大脑功能的脑成像技术,其在BCI中有潜在的研究前景。运动想象（MI）作为可以改善大脑机制的实验策略,以“意念”控制为... 详细信息

在脑-机接口（BCI）研究中,相对脑电图（EEG）和功能磁共振成像（f MRI）,功能近红外光谱（fNIRS）是一种较新的观测大脑功能的脑成像技术,其在BCI中有潜在的研究前景。运动想象（MI）作为可以改善大脑机制的实验策略,以“意念”控制为导向在BCI中广泛应用。在具体的研究中,一方面由于不同的实验范式需要采用更匹配的算法来识别才能得到更好的精度,另一方面,BCI实验范式的本身也存在难易与是否可执行想象的考虑。因此,本文主要围绕脑机接口的实验范式设计和算法应用展开了工作,具体的实验任务是执行上肢的实际和想象运动,目的是为今后研究在线直接脑控机器人的多任务运动奠定基础。本文开展的主要工作如下:（1）基于fNIRS信号设计了左、右手臂屈伸运动实验,采用了集成学习中的AdaBoost.M1算法识别任务信号。由于fNIRS测量血氧代谢活动固有的延迟属性,主要提取任务开始后第2～12秒数据的时域特征进行分类。同时采用常规算法SVM、LDA、KNN和NB进行对比分析,所得结果表明手臂屈伸运动范式应用于fNIRS-BCI研究是可行的,AdaBoost.M1算法可以有效识别任务信号,且其识别能力总体优于常规分类算法。本章的手臂屈伸运动是未来脑控机械臂进行大幅度位移运动的研究基础,也为第三、四章进一步研究手部运动奠定了基础。（2）从实际生活角度出发,设计了基于fNIRS的石头布剪刀游戏实验范式,分别从第3～8秒和第3～12秒两个时间窗提取任务数据的时域特征,采用SVM和LDA分别对任务特征进行识别,并对不同任务所对应的脑激活地形图进行对比分析。所得结果表明把石头布剪刀游戏作为fNIRS实验范式可行,并为该范式下的脑控机械手的抓握运动提供控制思路,同时也为第四章更丰富的手部运动研究奠定基础。（3）从交流方式的角度出发,设计了基于fNIRS的6类单手手语任务识别研究,从任务开始后的第3～12秒时间窗提取任务信号的时域特征,采用SVM、LDA、HMM、NB、KNN和AdaBoost.M1算法分别对任务的实际运动、想象运动以及实际运动vs想象运动进行识别,并对执行6类任务所激活大脑的区域进行对比研究。所得结果表明把单手手语任务作为fNIRS-BCI实验范式可行,可以为采用该范式的脑控机械手的多任务运动提供更丰富的控制命令。综上研究内容可为未来的脑控机器人上肢多任务运动控制提供借鉴。

关键词：功能近红外光谱脑机接口上肢运动想象 BCI实验范式 AdaBoost.M1