使用全头光学探头阵列和短距离通道同步采集 fMRI 与 fNIRS 测量数据

摘要

我们介绍一种可对同一受试者同时采集fMRI和fNIRS信号并实现全脑fNIRS覆盖的方法。该方案已在三名年轻成人中进行测试，也可根据需要调整用于发育研究和临床人群的数据采集。

摘要

功能性近红外光谱成像（fNIRS）是一种便携式神经影像学方法，相较于功能性磁共振成像（fMRI），其对运动干扰更具鲁棒性且成本更低，因此非常适用于开展脑功能的自然情境研究，以及用于发育和临床人群。fNIRS与fMRI方法均可检测脑功能激活期间脑血氧水平的变化，先前研究已表明这两种信号在空间和时间上具有高度一致性。然而，目前尚无针对同一受试者、在全脑覆盖的fNIRS条件下同步采集的两种信号的定量比较。此类比较对于全面验证区域水平的激活和功能连接性（以fMRI作为金标准）至关重要，进而有望促进两种信号在全生命周期中的对比研究。为弥补这一空白，本文描述了一种同步采集fMRI 和fNIRS信号的实验方案，该方案：i）实现全脑fNIRS覆盖；ii）包含短距离通道测量，用于回归去除非皮层来源的系统性生理信号；iii）采用两种不同的方法实现fNIRS光极与头皮的共配准。本文展示了来自三名受试者的fMRI与fNIRS数据，并讨论了将该方案应用于发育和临床人群的适应性建议。当前针对成人的实验设置平均可支持约40分钟的扫描时长，包括功能扫描和结构扫描。该方案详细说明了将fNIRS设备适配至磁共振（MR）环境所需的操作步骤，提供了数据记录和光极-头皮共配准的建议，并讨论了根据所用MR兼容fNIRS系统的具体特性对方案进行潜在调整的方法。来自闪烁棋盘格任务的代表性个体响应结果，展示了在MR环境中利用该方案采集全脑fNIRS信号的可行性。本方案对于希望在全生命周期范围内以fMRI为参照验证fNIRS信号的研究人员尤为具有参考价值。

引言

近三十年来，研究人员通过功能性磁共振成像（fMRI）研究成人人类大脑的认知功能。尽管fMRI具有高空间分辨率，并能同时提供功能和结构图像，但在自然情境下开展的研究，或针对婴儿及临床人群的研究中，fMRI往往不够实用。这些限制显著制约了我们对大脑功能的理解。fMRI的一种替代方法是采用便携式技术，例如功能性近红外光谱成像（fNIRS），该技术成本更低，且对运动干扰更具鲁棒性^1,2,3。fNIRS已被用于婴儿和幼儿的研究，以评估多种认知领域的脑功能，如语言发展、社会相关信息的处理以及物体识别^4,5,6。由于fNIRS具备在不同年龄段进行重复测试和长期监测的潜力，因此特别适用于临床人群的神经影像研究^7,8,9。尽管fNIRS应用广泛，目前尚无研究对同一受试者在全脑覆盖条件下同步采集的fMRI与fNIRS信号进行定量比较。此类比较对于全面验证感兴趣区域（ROIs）的脑区激活水平及功能连....

方案

该研究已获得耶鲁大学机构审查委员会（IRB）的批准。所有受试者均签署了知情同意书。受试者需通过磁共振成像（MRI）筛查，以确保其参与的安全性。若受试者有严重内科或神经系统疾病的病史，可能影响认知功能者（例如神经认知障碍、抑郁障碍、创伤、精神分裂症或强迫症）将被排除在外。

注意：本实验方案使用一台连续波近红外光谱（CW-NIRS）设备，该设备包含100个长距离通道和8个短距离通道（32个激光二极管光源，波长λ = 785/830 nm，每个波长的平均功率为20 mW，以及38个雪崩光电探测器），采样频率为1.95 Hz。MRI和fMRI扫描在西门子3特斯拉Prisma扫描仪上进行，使用20通道头部线圈。所有数据均在耶鲁脑成像中心（https://brainimaging.yale.edu/）采集。本方案中各步骤均注明了用于同步采集fMRI和fNIRS数据的系统特异性调整方法。

1. 用于同步数据采集的 fNIRS 设备改装与开发

注意：步骤 3 至 6 特定于 NIRScoutXP 系统，由于不同 fNIRS 系统在采集软件和可用于探头评估的模体方面存在差异，这些步骤可能不适用于其他 fNIRS 系统。

1. 准备 fNIRS 帽
   1. 确定研究所需的 fNIRS 帽。对于成人研究，请确保以下帽尺寸....

结果

本节展示了功能性磁共振成像（fMRI）和功能性近红外光谱成像（fNIRS）信号在棋盘格闪烁任务中具有代表性的被试特异性反应。首先，展示了具有代表性的原始fNIRS数据及其质量评估结果 图6 和 图7 以说明在磁共振成像（MRI）环境中测量功能性近红外光谱（fNIRS）信号的实验装置的可行性。整个头部探头阵列及灵敏度分布示意图如图所示。 图8.

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讨论

本方案通过使用全脑fNIRS探头阵列和短距离通道，同步采集fMRI 与fNIRS信号，并对系统性非皮层生理信号进行测量和回归去除。该方案的关键步骤包括对fNIRS设备进行改造与开发，以实现在MRI环境中采集fNIRS信号。据我们所知，目前尚无完全针对全脑fNIRS阵列同步采集fMRI 和fNIRS信号而优化的即插即用型商用系统。本方案填补了这一空白，尤其适用于希望对两种信号进行全脑比较的研究人员，但也可轻松修改用于针对特定感兴趣区域的研究。

本方案详细阐述了对fNIRS设备进行的关键改进，包括在fNIRS帽中加入可放置维生素E胶囊的插件、改进帽子前额区域的舒适性以及后脑部位的可调节性，以及定制的磁共振安全桥架，用于将fNIRS光学纤维引至扫描仪操作台。在开展同步fMRI/fNIRS研究时，一个关键挑战是确保实验装置能够让受试者在扫描仪内舒适地保持静卧状态。目前针对成人的实验设置平均可支持约40分钟的扫描时间，其中包括功能成像和结构成像。受试者在扫描仪内能够舒适静卧的时间长短主要取决于fNIRS系统所配备的探头类型。本方案采用的是NIRx NIRScout XP系.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
280 个低剖面 MRI 兼容 NIRs 帽用衬套	NIRx	GRM-LOP
4 个 128 位点 NIRS 帽，带 128× 未安装插槽，布局为 10-5	NIRx	CP-128-128S	尺寸：52、54、56、60
8 组 4× 探测器光纤，带低剖面端头；兼容 MRI、MEG 和 TMS	NIRx	DET-FBO- LOW	10 米长
8 组 4× 激光光源光纤，带 MRI 兼容低剖面端头	NIRx	SRC-FBO- LAS-LOW	10 米长
8 个短通道探测器组件，配备专用环形衬套，可适配低剖面衬套	NIRx	DET-SHRT-SET	将单个探测器分成 8 个短通道，可放置于单个 NIRS 帽上的任意位置
Magnetom 3T PRISMA	Siemens	N/A	128 通道容量，64/32/20 通道头部线圈，最大梯度幅度 80 mT/m，压摆率 200 T/m/s，支持完整的神经序列
NIRScout XP 核心系统单元	NIRx	NSXP- CHS	最多支持 64× Laser-2（或 32× Laser-4）光源或 64× LED-2 光源；最多支持 32× 探测器；支持串联（多系统）和超扫描（多受试者）测量；兼容 EEG、tDCS、眼动追踪及其他模态；提供 fMRI、TMS、MEG 兼容模块
NIRStar 软件	NIRx	N/A	版本 15.3
NIRx 并口复制器	NIRx	ACC-LPT-REP	并口复制器 包含三个组件：并口复制器盒、USB 电源线和 BNC 适配器
生理脉搏单元	Siemens	PPU098	光学体积描记法，用于采集心律信号。
呼吸单元	Siemens	PERU098	用于采集呼吸幅度的单元（通过气动系统和束缚带实现）。
Structure Sensor Mark II	Occipital	101866 (SN)	用于光极数字化的 3D 结构传感器。