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Q： 正在測量什么？
Q： 潛在可供研究的區域？
Q： 響應時間？
Q： BNC觸發延遲？
Q： 傳感器放置指南？
Q： fNIRS的優勢和局限性？
Q： 確定地點或活動？
Q： 協議指南？
Q： 汗液問題？傳感器飽和時的影響？
Q： 呼吸/心臟信號干擾？
Q： 來自運動偽影的干擾？
Q： 空間分辨率
Q： 正在處理？
Q： 功率輸出？
Q： 用于兒童或新生兒？
Q： 腫瘤會影響fNIRS信號檢測嗎？
Q： 為什么fNIRSoft和/或COBI軟件不能啟動？
響應
Anna Merzagora、Kurtulus Izzetoglu和Hasan Ayaz Drexel大學
Q： 正在測量什么？
A： BIOPAC的fNIRS系統不是血氧測定設備。該裝置測量氧合和脫氧濃度相對于一個控制條件的變化。相反，為了獲得%O2飽和度，我們需要有氧和脫氧的絕對量，以便計算（大致）氧/（氧+脫氧）。其他基于略微不同概念的fNIR設備（例如，屬于“時間分辨”和“頻域”光譜系統而非“連續波”系統的命名組的設備）可以做到這一點。然而，由于硬件更為復雜，價格通常在10萬至40萬美元之間。
Q： 哪些領域可供研究？
A： 羅斯外側前額葉皮層：更準確地說，可以通過fNIRS成像設備監測以下布羅德曼區域：10、11、46、47，用于執行功能，如：工作記憶、注意力、解決問題、決策等。
布羅德曼區域fNIRS
如果受試者禿頂或剃光頭，fNIRS傳感器可以訪問前額以外的其他皮質區域。然而，有些領域很難達到。例如，腹內側PFC（即中央“折疊”的皮層部分和眼睛后面的眶額葉皮層“折疊”，因此無法接近）。此外，由于耳朵的原因，我們的探頭無法完全觸及顳皮層。同樣，運動皮層和視覺皮層可用于測量沒有毛發的受試者。
請參閱Liu，Y.等人的《用功能近紅外光譜測量說話人-聽眾神經耦合》中有關fNIRS光電極位置的更多信息。Sci Rep 7，43293（2017）和隨附的補充信息。
Q： 響應時間？
A： 正常的血流動力學反應在2秒-6秒之間。對于一些人，如果不夠警惕或睡眠不足，可能需要10秒。
Q： BNC觸發COBI延遲？
A： 從COBI中開始記錄到發送觸發的延遲將不超過5毫秒。fNIR成像儀發送150毫秒寬的脈沖，脈沖的正上升沿應用于同步。
Q： 基于感興趣的大腦區域選擇的傳感器放置指南？
A： 對于普通成年人來說，傳感器覆蓋了大部分前額（無毛部分）。如果傳感器放置在頭部側面有毛的部分，則這些側面通道（左側1-2，右側15-16）上的信號強度會降低。出于實際目的，如果按照以下方式放置，將提供最佳標準化措施：
i、 傳感器的中間應指向受試者的鼻子
二。傳感器的底部應該正好在眉毛上方
iii.傳感器的側面不應超過側面的毛部分
Q： fNIRS的優勢和局限性是什么？
A–優勢：便攜性，因此可在現場部署；更安全——使用發光二極管，而不是激光；經濟實惠——成本比其他產品低得多；存在各種驗證研究來監測背外側前額葉皮層；易于使用–校準、基線記錄和探針放置對實驗者來說不超過10分鐘。16個通道非常適合全額掃描。
A–限制：無法對頭骨的多毛部分進行掃描，因此只能進行前額掃描；沒有氧和脫氧血紅蛋白濃度的絕對測量值&只有與基線相比的相對測量值。然而，請記住，大多數認知協議設計都與設備操作一致，因為大多數任務協議需要“休息”記錄；不允許全腦掃描——注意，一些認知研究需要同時從其他大腦區域進行測量；此外，這是一個光譜學系統，而不是一個光學地形圖系統，它允許對不同深度的大腦進行多通道篩查，以便獲得更好的二維圖像–請注意，地形圖系統不適合現場設置，因為其大小是一個問題。
Q： 確定地點或活動？
A： 這主要取決于認知協議設計，這是所有神經成像設備的真實陳述。如果該協議沒有在大腦中引發任何信號，就沒有辦法記錄它。然而，包括德雷克塞爾光學成像團隊在內的多個小組已經實施了該協議然而，包括Drexel光學成像團隊在內的各個小組已經實施了許多標準化協議，用于工作記憶（即，n-back）、注意力（目標分類，ANT）、問題解決（anagram），認知工作量（空中交通管制員任務、無人機地面管制員任務等），并證明所有協議誘導的活動均已識別，結果與fMRI和/或EEG研究一致。
Q： 協議指南？
A： 當我們為各種研究設計方案時，我們總是要通過fMRI方案，并在測量相同的生物標志物時，盡量與響應時間的設置保持一致。用戶應查閱fMRI文獻，并使用其方法來計算刺激次數、刺激間時間等。例如，我們的注意力研究方案甚至有1.5秒的反應時間。fMRI研究/參考文獻是方案設計的良好來源，因為已經發表了許多認知相關研究的研究。
Q： 汗液問題？傳感器飽和時的影響？
A： 出汗會影響光學特性，因此，由于出汗而非血流動力學，吸收變化變得顯著。由于受試者在基線記錄過程中沒有出現這種跡象，一旦他們在方案/記錄過程中開始出汗，讀數可能會發生變化。然而，一旦傳感器的表面完全飽和并且可以消除，效果就相當穩定。
Q： 呼吸/心臟信號干擾？
A： 這種干擾可以通過不同組發布的各種方式（過濾、PCA等）消除。
Q： 來自運動偽影的干擾？
A： fNIRS肯定比其他技術（如fMRI）更強大，盡管它并非完全免疫。然而，研究表明，信號可以在一定程度上被清除；如果您的實驗方案要求受試者移動或行走，我們建議添加一個加速計來幫助開發基本濾波器（該運動偽影校正程序也已發布）。
在最初的研究中，利用在跑步機上跑步的受試者，我們能夠消除運動的影響。然而，我們使用了一個額外的傳感器（加速計）來記錄頭部運動，并使用其中的信息消除了這些影響。總之，fNIRS可以用于此類實驗，但請注意，應采取額外的步驟，例如使用加速計。不用說，它還需要先進的信號處理。標準過濾和程序不適用于去除偽影。需要基于頭部運動記錄應用具有微調參數的自適應濾波。否則，結果將不可靠。
Q： 空間分辨率
A： 傳感器可以訪問1-2厘米深的區域。前額皮層的位置可以通過16個通道的測量獲得。空間分辨率由一個區域中的源探測器對的數量給出：在這種情況下，前額探測器攜帶16對，因此分辨率為幾厘米。然而，盡管fNIRS是一種功能成像技術，它提供了直接位于某個源探測器對之下的大腦皮層血流動力學活動的信息，它不提供任何結構信息。你可以很好地推斷出你正在監測的皮質區域，但為了更精確地定位，建議進行結構MRI。類似地，fNIRS探針能夠監測更淺皮層區域的活動，因此在這種情況下談論3D定位是不合適的。
2D地形圖可以從測量中生成，但是3D重建對于這樣的光譜測量沒有意義，因為系統不提供多層測量。因此，三維地形圖可能存在問題。如果使用基于MRI解剖圖像（模板）的記錄進行關聯，則可能生成3D重建。Matlab提供了一些工具，即使缺少一些像素（前額結構的所有層都沒有記錄），也可以進行粗略的重建，這在我們的系統中就是如此。
該系統在光學窗口內使用特定波長（730nm和850nm）的光。一旦光子被引入人體頭部，它們要么被頭部不同層（皮膚、頭骨、腦脊液、大腦等）的細胞外邊界散射，要么主要被氧和脫氧血紅蛋白吸收。距離光源2.5厘米的光電探測器可以收集未完全吸收的光子，以及沿著光源和探測器之間的“香蕉形路徑”傳播的光子，如下所示。
那些與香蕉形狀尖端組織相互作用的光子是每個成對檢測器檢測到的概率很高的光子。這是光學物理學中一個公認的原理。因此，源信號定位非常清晰那些與香蕉形狀尖端組織相互作用的光子是每個成對檢測器檢測到的概率很高的光子。這是光學物理學中一個公認的原理。因此，源信號定位被很好地定義，在我們的系統中測量的光強度揭示了與距離源檢測器布置中心約1-1.5cm范圍內的血流動力學變化的關聯。
通過測量兩個波長的光密度（OD）變化，可以獲得氧和脫氧血紅蛋白隨時間的相對變化（這也是我們除了原始強度測量之外提供的數據流），并記錄在我們的系統中。所有這些計算——ODs和濃度變化——都是根據修改后的比爾-朗伯定律計算的。為了盡可能消除串擾并提供更好的定位，特別選擇這些波長對（730-850nm），并順序激活所有光源。也就是說，首先我們打開第一個光源，在一個波長下進行4個通道測量，然后在其他波長下進行測量，然后打開第二個光源，等等。此外，所有測量都與每個基線記錄相關。換句話說，受試者在開始時應處于休息狀態，同時記錄每個檢測器的基線水平。當認知任務啟動時，所有測量都與每個單獨的檢測器基線相關。
Q： 正在處理？
A： 生的與加工的（利用修正的比爾-朗伯定律）
所有計算都是在Cobi中完成的，特別是經過修改的比爾-蘭伯特定律。這是所有功能近紅外光譜設備的標準。為此，有兩種顯示布局。當您啟動設備時，您會看到用于校準目的的原始信號——檢查信號電平和傳感器是否放置正確等。然后，程序保存原始信號（如有必要，用于后處理）以及所有處理數據，如氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白數據。在校準和基線后的在線記錄過程中，用戶可以選擇布局（oxy.clf文件）以實時查看計算和處理的數據。在COBI文件夾下，我們為此目的提供raw.clf（校準/基線期間所有通道的原始數據顯示）和oxy.clf（實時功能性大腦活動任務記錄期間）。但是，用戶可以以任何方式修改所有這些設置。它允許定制。
Q： 功率輸出？（估計）
A： 光功率取決于LED電流以及光的波長。fNIRS系統中使用的每個LED模塊可以發射三種波長（730nm、805nm或850nm）的光。當LED電流為20 mA時，在一個波長下發射的典型功率為12 mW。LED模塊（TO-5封裝，8引腳）具有直徑為6.1 mm的玻璃透鏡。因此，當以20 mA驅動一個波長的LED時，平均輻照度約為41 mW/cm2。
fNIRS系統的工作頻率為2 Hz（但可以增加）。每個周期為500 ms。如果fNIRS系統使用全頭探頭（4個LED模塊和10個檢測器）運行，則每個LED模塊的730 nm和850 nm（805 nm從未激活）LED將依次打開約33 ms。因此，在500毫秒的任何一個周期中，有八個時隙，每個時隙33毫秒，在此期間，某一波長的一個LED被打開。在500毫秒期間，光功率的暴露量為：41 mW/cm2，264毫秒（33毫秒X 8）。500 ms或任何連續操作時間的平均暴露量為21.6 mW/cm2。
Q： 用于兒童或新生兒？
A： 在兒童身上使用fNIRS與其他神經成像方式（如腦電圖）沒有什么不同。當你研究孩子時，同樣的問題和問題存在于所有人身上。然而，只要探頭放置舒適且穩定，我看不出孩子在經歷多個范式時有什么大問題。當然，當受試者變得不知所措，注意力轉移時，長范式需要額外的關注——成年人也是如此。此外，預計孩子們會移動，很難讓他們呆在原地。這可能導致需要從fNIRS測量中剔除的主要運動偽影。有大量文獻發表在兒童中使用近紅外光譜。文獻搜索的關鍵詞是“兒童近紅外光譜”或兒童近紅外光譜儀等。然而，我們沒有任何特別的照明/論文專門提到我們的系統和兒童應用。我們對新生兒的研究很少，只進行了一個簡短的方案。
Q： 腫瘤會影響fNIRS信號檢測嗎？
A： 額葉皮質腫瘤可能會影響氧合（該區域的毛細血管），如果測量區域沒有血管化，您可能檢測不到任何信號，或者您可能會看到光電探測器飽和。
Q： 為什么fNIRSoft和/或COBI軟件不能啟動？
A： 如果fNIRSoft和/或COBI軟件拒絕啟動或僅啟動 |
