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摘要
可穿戴功能性近紅外技術（fNIR）是一種非侵入性神經成像技術，價格合理、成本低、用戶友好，是研究我們大腦在自然環境下工作的一項有前途的技術。一種實用的用戶友好的fNIR設備，允許自然使用（例如，家庭使用），可以為健康、心理、政治/經濟和生理影響帶來前所未有的機會。與基于實驗室的fNIR系統相比，可穿戴fNIR設備帶來了額外的要求，包括尺寸、重量和運動/環境偽影，而不犧牲關鍵性能。此外，為了確保用戶友好，必須適當考慮成本、功率、連接性、適應各種應用的靈活性和舒適性。本文綜述了自然條件下的可穿戴fNIR，涵蓋了為實現fNIR可穿戴性而開發的應用和技術。我們還強調了當前可穿戴fNIR設備的一些剩余挑戰，包括有限數量的光電二極管。以及對用戶對準和手動事件記錄的需要。
關鍵詞：FNIR；功能近紅外；可穿戴；認可；腦血流動力學；氧合；自然主義條件
縮寫：FNIR：功能近紅外；EEG：腦電圖；TMS：經顱磁刺激；PET：正電子發射斷層掃描；FMRI：功能磁共振成像；MRI：磁共振成像；心電圖：心電圖
介紹
了解我們的大腦是如何以有形的方式工作的，對健康、心理、生理、政治和經濟都有巨大的影響。因此，功能性神經成像已經引起了人們對開發具有不同程度成本、準確性、可用性、空間和時間分辨率的工具的強烈興趣[1]。功能神經成像最常用的工具之一，腦電圖（EEG），是一種以微秒級分辨率測量皮層神經元電信號的技術。然而，它的數據僅限于大腦表面。功能磁共振成像（fMRI）和正電子發射斷層掃描（PET）也被用于許多涉及大腦功能或活動的認知研究。然而，當前的系統體積大、速度慢，需要固定受試者以減少運動偽影。此外，PET通常使用放射性示蹤劑，這限制了其在自然條件下（即自然、日常條件）的使用。相比之下，與PET、ECG和MRI相比，fNIR（功能近紅外光譜）提供了相對快速的響應、合理的空間分辨率和更大的運動耐受性[2,3]。同樣重要的是，fNIR可以很容易地以更小的外形尺寸、更低的成本和最小的侵入性實現。這些優點使得fNIR可以作為可穿戴設備在自然條件下部署。這篇綜述旨在為可穿戴功能近紅外（fNIR）技術、其現狀及其在自然條件下的潛在應用提供背景。
FNIR光譜利用紅外光探測大腦組織的血流動力學，進而反映大腦的新陳代謝及其功能[4]。FNIR基于腦血中氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白在兩種不同波長下的吸收或散射差異。利用來自其他波長的信號，還可以探測新陳代謝（氧化細胞色素氧化酶）[5]。Jobsis是第一個證明在過度換氣期間可以檢測成人皮層血流動力學的人[4]；后來，Chance等人于1992年用一個通道進行了第一次fNIR研究，Hoshi等人于1993年用多個同時通道進行了研究[6,7]。常見的fNIR檢測模式包括連續波、頻域和時域，其中連續波是實施最簡單且成本最低的，盡管它提供了氧和脫氧血紅蛋白濃度的變化，而不是絕對值[8]。許多可穿戴式fNIR設備采用了連續波模式，以實現緊湊和低成本的設計，這將直接影響其用戶友好性和經濟性。
傳統上，為fNIR認知測試設計的許多心理任務都是在臨床環境中進行的，這些環境和混雜因素與自然條件不同，并不反映我們的日常事件[9]。為了在自然條件下進行認知測試，幾個小組開發了可穿戴的fNIR系統[8]。例如，Almajidy等人開發了多通道NIRS系統[10]。Piper等人后來開發了一種可佩戴的多通道fNIRS系統，用于使用頭帽自由移動的受試者[11]。Strangman等人開發了一種可穿戴設備，該設備帶有多模態生理監測器，帶有生物電位導線；64 NIRS光電64個NIRS光電二極管（典型的光電二極管由光源和檢測器對組成）；力、加速度、陀螺儀和溫度傳感器；以及連接到商用呼吸計的能力[12]。Kassab等人開發了一種可穿戴fNIRS EEG系統，該系統具有128個fNIRS通道、32個EEG通道、兩個輔助心電圖（ECG）通道和一個以帽形式進行校正的加速計[13]。然而，盡管可穿戴fNIR技術取得了技術進步，但使用帽子固定受試者身上的光電二極管會使其長期使用（例如，日常家庭使用）感到不舒服[14]。作為一種替代設計，Pinti等人[15]展示了fNIR在自然環境中的應用，該環境中采用了無光纖、多通道可穿戴設備，該設備以耳機的形式連接到便攜式處理單元。Wyser等人后來開發了一種模塊化可穿戴設備，該設備具有靈活的形狀因子，允許光電源和探測器之間的多個距離；它還具有多種波長[16]。懷瑟的光電模塊大約有四分之一大小，允許使用帽子以外的頭套；然而，仍然有一個有點笨重的控制單元。
除了研究小組開發的可穿戴fNIR設備外，bitbrain.cn盡管其中許多設備在實驗室環境中使用非常靈活、準確和方便，但它們往往成本高昂（從幾千美元到數萬美元）且相對較大，使得使用這些設備進行人口研究具有挑戰性。
可穿戴fNIR[5]的進展使認知科學、社會科學、生理學（特別是神經發育，如注意力缺陷/多動障礙或自閉癥譜系障礙）[17]、心理學、腦機接口、醫學篩查（如中風）[18-20]和許多其他領域的新研究成為可能[6-21]。近年來，fNIR的大量有趣應用得到了證明，包括專業小提琴手演奏二重唱[22]、演員共同行動[23]、預期腦力勞動任務的受試者[24]、參與問題解決和空間導航的受試人員[25-28]、對手持和虛擬現實導航設備做出反應的受試人[29]、，患者對麻醉劑的腦血流動力學反應[30]、伴侶的神經反應以及眼對眼接觸期間的同步[31]。此外，可穿戴式fNIR還顯示了識別具有較高前額葉皮層活動以保持姿勢穩定性的帕金森綜合征患者[32]和創傷性腦損傷患者[33]的能力。大腦-計算機接口[34]以及與fNIR混合系統的相關性[35]也已得到證實。總之，可穿戴式fNIR允許進行前所未有的研究和診斷。然而，其中許多研究僅限于實驗室或診所（使用可穿戴式fNIR[29]的校園導航除外），而不是在自然條件下（即家庭）。
方法
鑒于可穿戴式fNIR技術的前景、挑戰和進步，已發表了許多關于可在自然環境中部署的可穿戴式近紅外技術的優秀評論[5，21，36]。我們對最近的進展進行了系統的搜索，并總結了以下在自然環境中使用可穿戴fNIR技術發布的各種應用，以及使fNIR從實驗室轉移到自然環境的特征。我們的搜索基于在科學網中輸入關鍵詞“可穿戴fNIR”、“功能性近紅外自然環境”和“fNIR自然”來搜索該主題的相關出版物。在1900-2019年間，共發現了30個匹配項和20個獨特的相關出版物。
后果
可穿戴fNIR應用
（表1）總結了fNIR在自然環境中的不同應用。我們根據應用領域將結果分為四類：即健康、心理、政治/經濟和生理應用。在每個更廣泛的類別下，也可以有子類別。例如，在衛生領域，有與監測/篩查和預防應用相關的子類別。這些子類別下的示例應用包括fNIR應用于監測早產兒大腦健康（缺氧）[37]、心臟和血管手術期間的神經活動、腦血管疾病、癲癇和頭痛[38]。此外，fNIR還可用于預測肥胖的可能性，并可能用于預防肥胖[39]。此外，它還可以用于研究決策，這可以在營銷、廣告、學習和培訓優化中找到應用它可以通過理解個人從事各種任務時的需求，在營銷、廣告、學習和培訓優化方面找到應用[5]。通過捕獲認知能力/極限（即保持性能的最大大腦活動），可以最大限度地提高操作員效率，同時最小化人為錯誤[5，40]。為了研究社會互動，人們采用了一種叫做超掃描的技術。超掃描是指同時掃描交互對象的大腦。這是一種研究社會互動和神經功能的方法，已經在行為和其他活動中的前額葉皮層激活中得到了證明[4]。結合虛擬現實和fNIR，可以控制受試者在動態環境中的體驗[5]。fNIR還可以作為研究工具，用于研究各種活動、決策和認知狀態下的大腦激活，在這些狀態下，選擇性注意力和體力工作與執行處理（例如，在行走時在小卡片上平衡乒乓球）相競爭[40，41]。它還被應用于區分受試者正在聽故事的哪一部分，并理解想象而非可理解的交流言語背后的神經機制[41，43]（表1）。
生物醫學科學與研究
表1:fNIR在自然環境中的不同現場應用總結。
可穿戴fNIR要求
與基于實驗室的fNIR系統相比，可穿戴fNIR設備具有額外的要求。在實驗室里，受試者更加穩定，環境也得到了很好的控制。如果受試者參與活動，預計會有更多的運動。由于fNIR設備的光學檢測模塊的靈敏度，不明運動將表現為噪聲。一般來說單元越重，由于慣性，它越傾向于移動，導致更多的運動偽影（即噪聲），并增加連接電線/電纜上的應力。為了減少運動偽影，已經嘗試應用校正算法[44]，結合加速度計和陀螺儀等運動傳感器，并優化光電二極管的尺寸和質量[2]。幾個小組研究了光電二極管源和探測器之間距離的影響[10]，一些小組使用了短通道（5mm至1cm）[16，45]來校正由于淺表組織和運動造成的偽影。還實施了無線設計，以消除連接電線/電纜[21，33，41]，以提高舒適度并消除對受試者活動的限制。
生物醫學科學與研究
表2：可穿戴式fNIR設備所需的關鍵功能總結及其相應的理由。
此外，許多可穿戴式fNIR設備采用帽來固定光電二極管，盡管長時間使用帽可能會導致不適。更小和更靈活的形狀因子（例如頭帶）可以為用戶提供舒適度，并為光電二極管提供穩定性[5，15，26]。
最后，模塊化設計可以簡化安裝在主體上的組件數量，從而降低可穿戴fNIR設備的整體重量、尺寸和成本。此外，模塊化設計的使用可以方便地更換零件，因此出于衛生或性能原因，可以使用一次性部件[1,5,16,51]。我們總結了由可穿戴fNIR設備實現的搜索文獻中的關鍵特征（表2）。
盡管在可穿戴式fNIR設備方面取得了巨大的技術進步，但對于一個真正用戶友好、家庭使用的可穿戴系統，仍有一些挑戰需要解決。雖然現有的算法和傳感器可以幫助校正運動偽影，但校正仍有改進的空間。此外，為了捕獲盡可能多的神經活動，fNIR設備應該在不同的大腦區域具有廣泛的覆蓋范圍。因此，多個光電二極管必須遍布大腦所在的整個頭部表面。對于低成本、低功耗的fNIR設備來說，增加光電二極管的數量通常是困難的，因為每個額外的光電二極管都會增加設備的成本和功耗。為了減少所需的光電二極管數量，光電二極管對準至關重要。一種有助于對齊不同大腦區域以實現不同的目標功能的方法，包括與背外側前額葉皮層對齊以實現工作記憶和注意力，與操作部對齊以實現語言生成，與運動皮質對齊以實現發音，將有助于準確評估認知和行為功能[31，48]。此外，頭發經常會妨礙獲得高質量的fNIR信號。為了探測頭皮上可能存在毛發的區域，Khan等人已經證明了一種可以將毛發推開的刷子狀結構。[3]。一些研究小組還采取了只關注前額葉皮層（PFC）的方法，這一點已被證明對大腦發育至關重要 |
