1.引言

功能性近紅外光譜技術(shù)(fNIRS)是一種通過(guò)測(cè)量與大腦活動(dòng)相關(guān)的皮層血流動(dòng)力學(xué)變化，從而來(lái)間接反映神經(jīng)元活動(dòng)的光學(xué)成像技術(shù)(Scholkmann et al., 2014)。與其他測(cè)量大腦活動(dòng)的技術(shù)相比，fNIRS的優(yōu)勢(shì)在于安全，靈活便攜，抗運(yùn)動(dòng)干擾強(qiáng)，且性價(jià)比高。因此，此種成像技術(shù)也被認(rèn)為是一種具有極大應(yīng)用前景的新興成像技術(shù)。然而，fNIRS在人類受試者研究中的使用目前還受到幾個(gè)未解決的問(wèn)題的限制。首先，就是從整個(gè)通道中收集足以對(duì)皮層血流動(dòng)力學(xué)進(jìn)行可靠的估計(jì)的具有較高信噪比(SNR)的光信號(hào)。其次，在正式采集信號(hào)前，安裝大量的光極可能需要花費(fèi)大量的時(shí)間。最后，由于過(guò)于濃密和顏色過(guò)深的頭發(fā)而導(dǎo)致的光極與頭皮無(wú)法形成良好的耦合，

如圖1中的黃色和紅色光極。

圖1

雖然，以上問(wèn)題在一定程度上可以通過(guò)研究者在長(zhǎng)期的科研實(shí)踐過(guò)程中所積累的經(jīng)驗(yàn)來(lái)克服。但是，仍然需要在正式采集數(shù)據(jù)之前建立一種定量的方法來(lái)驗(yàn)證足夠的SNR，以有效的管理通道信號(hào)的損失。因此，有研究者提出了一種方法來(lái)計(jì)算給定的fNIRS通道的信噪比(SNR)的客觀測(cè)量值并顯示人頭模型上單個(gè)光極的耦合狀態(tài)。此種方法旨在直觀地顯示出哪些光極需要調(diào)整以獲得更好的頭皮耦合，并提高光極通道的信噪比(Luca et al., 2016)。

2.方法

2.1 fNIRS通道的信噪比

fNIRS光學(xué)通道的信噪比與形成通道的兩個(gè)光極(發(fā)射極，接受極)中任何一個(gè)光極與頭皮的耦合情況密切相關(guān)。通常可以利用頭皮耦合指數(shù)(Scalp Coupling Index, SCI )來(lái)反映fNIRS中的SNR(Pollonini et al., 2014)。SCI會(huì)受到所使用的近紅外光的波長(zhǎng)和由頭部或下頜運(yùn)動(dòng)所引起的偽跡的影響。因此在計(jì)算某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的SCI時(shí)，通常先要對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行帶通濾波，將 0.5 Hz 至 2.5 Hz 之間的原始光檢測(cè)信號(hào)(對(duì)應(yīng)于每分鐘 30 至 150 次心搏 (bpm) 的心臟搏動(dòng))與皮質(zhì)成分(即靜息或事件相關(guān)腦血流動(dòng)力學(xué))和其他全身成分(即呼吸、Mayer 波)進(jìn)行分離。

圖2

2.2 基于圖形的光學(xué)拓?fù)洳季?/span>

具有高信噪比的fNIRS通道由兩個(gè)與頭皮接觸良好的光極所組成。相反，如果兩個(gè)光極中的任何一個(gè)或兩個(gè)與頭皮分離，則會(huì)形成具有低信噪比的通道，并且使得研究者無(wú)法確定需要調(diào)整哪個(gè)光極才能恢復(fù)較高的信噪比。單個(gè)光通道的信噪比與其兩個(gè)貢獻(xiàn)光的頭皮耦合之間的關(guān)系可以用布爾方程(Boolean Equation)在數(shù)學(xué)上建模O1∧O2 = W1,2,在這里O1,O2表示兩個(gè)光極的布爾耦合狀態(tài)(即，0 = 未耦合，1 = 耦合)，W1,2是布爾值，表示通道的SNR是否高于某個(gè)設(shè)定的閾值(即W1,2=1如果 SCI > 0.8，否則W1,2= 0)。如果測(cè)得的信噪比足夠高(w1,2= 1)，方程由對(duì) (O1,O2) = (1，1) 表示兩個(gè)光頭都與頭皮良好接觸,相比之下，W1,2= 0 產(chǎn)生三種可能的解 (0，0)、(0，1) 和 (1，0)。這種單通道布爾模型可以擴(kuò)展到fNIRS的光極布局中。例如，設(shè)置一個(gè)方程組P：Oi∧Oj=Wi,j,i和j表示配成一對(duì)的發(fā)射極與探測(cè)極，P表示由i,j所形成一個(gè)光極通道，通過(guò)求解未知的N元方程組(O1…Oi,Oj…On)就可以得到所有光極與頭皮的耦合狀態(tài)。此種算法的目標(biāo)是迭代一個(gè)過(guò)程，即從佩戴fNIRS光極期間收集的光信號(hào)中測(cè)量Wi,j，隨后實(shí)時(shí)求解布爾系統(tǒng)(O1…Oi,Oj…，ON)，以便不斷的向研究者反映那些具有較差頭皮耦合狀態(tài)(Oi = 0)并需要調(diào)整的光極是哪些。為了制定布爾系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)其數(shù)值解決方案，我們建議使用連接圖對(duì)任何特定fNIRS頭飾的光學(xué)布局進(jìn)行建模，其中N個(gè)節(jié)點(diǎn)代表光極(無(wú)論它們是光源還是探測(cè)器)，使用矩陣表示法，拓?fù)鋱D形由表示邊的二進(jìn)制鄰接矩陣 E(大小 N x N)來(lái)描述存在于兩個(gè)節(jié)點(diǎn) i 和 j 之間ei,j，而 fNIRS 通道的SNR 由二進(jìn)制權(quán)重矩陣 W(大小 N x N)來(lái)描述，其中如果 SNR 可接受則Wi,j= 1，否則Wi，j= 0，圖3為一個(gè)圖形建模的示例，圖4詳細(xì)地展示了算法的流程

01

圖3

圖4

3.結(jié)果

為了驗(yàn)證上述測(cè)量SNR方法的有效性，研究者展示了在濾波前、歸一化后和跨相關(guān)后，在被試頭部測(cè)量的無(wú)噪聲和有噪聲光信號(hào)，如圖5：(a)和(b)為無(wú)/有噪聲的光極通道原始信號(hào)

(c)和(d)為被歸一化后無(wú)/有噪聲的光學(xué)通道信號(hào)

(e)和(f)為無(wú)/有噪聲光學(xué)通道的交叉相關(guān)信號(hào)

圖5

值得注意的是：SCI在無(wú)噪聲光學(xué)通道中的值接近于1，而在有噪聲光學(xué)通道中的SCI約為0.23當(dāng)檢驗(yàn)了與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的所有光通道的SNR后，就可以通過(guò)應(yīng)用方法部分中描述的基于圖形的迭代算法來(lái)確定每個(gè)光極的頭皮耦合。為了證明其有效性，研究者使用了一個(gè)具有 4 個(gè)光源和 3 個(gè)探測(cè)器編號(hào)從1到7的圖形作為示例，當(dāng)相應(yīng)的布爾方程組收斂到一個(gè)解時(shí)作為調(diào)整一個(gè)光極的根據(jù)。最初假設(shè)只有一個(gè)通道具有足夠的SNR(W1,2= 1，圖6 左上角)，得到的方程組由多個(gè) 7 元組(1，1，0，0，0，any，any，any)求解，其中O1,O2,O3,O4,O5具有單一的耦合狀態(tài)(1 表示耦合(綠色節(jié)點(diǎn))，0 表示非耦合(紅色節(jié)點(diǎn)))和O6和O7表示未確定(黃色節(jié)點(diǎn))(圖6，左下角)。更新的 SNR 配置(W2,4= 1) 產(chǎn)生一個(gè)布爾系統(tǒng)，該系統(tǒng)由 7 元組 (1，1，0，1，0，0，0) 求解，其中光極O6和O7的耦合不再不確定(O6=,O7= 0，圖4，中間和右下角)。最后，研究者可以繼續(xù)調(diào)整剩余的未耦合光極O3,O5,O6,O7。因此，放置策略是從調(diào)整那些與未確定的光極產(chǎn)生未耦合狀態(tài)的光極開(kāi)始的。

在實(shí)驗(yàn)正式開(kāi)始采集數(shù)據(jù)之前驗(yàn)證光源檢測(cè)器與頭皮的耦合程度是否良好是非常重要的，因?yàn)檫@在很大程度上影響甚至決定了實(shí)驗(yàn)的信號(hào)質(zhì)量或說(shuō)數(shù)據(jù)質(zhì)量。因此，如果能借助某一種軟件來(lái)顯示每個(gè)光極的頭皮耦合狀態(tài)，則可以幫助實(shí)驗(yàn)人員直觀的看到哪些光極在實(shí)驗(yàn)前需要進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整以獲得放置位置，從而為收集到高質(zhì)量的信號(hào)做好實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備。