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激光近紅外腦功能成像儀
激光近紅外腦功能成像儀 美國NIRx公司開發的 NIRScout近紅外腦功能成像系統，是一種全面的NIRS神經成像解決方案，體積超小，多種用途，具有擴展性，價格非常具有競爭性。儀器既可配置為數個通道，也可以配置為中至大范圍設置，以便對較大部位的皮質實施成像檢查。 NIRScout近紅外成像系統是一個超緊湊、可擴展的解決方案，特別適用于關注費用、尺寸和靈活性的客戶。該設備適用于心理學研究、教學/訓練，新生兒/ICu，BCI等研究。 應用領域 v心理研究：認知心理學、運動感覺功能研究、自閉癥/精神分裂等、學習/注意力障礙、情感、覺醒、決策 v醫學研究：腦功能障礙、精神疾病、癲癇、創傷性腦損傷(TBI)、老年性癡呆癥、帕金森氏癥、新生兒研究 v其他領域：社會認知、體育科研、運動醫學、BCI 腦機接口、人因功效研究、軍事訓練等 v同步聯合研究：與 EEG 結合 、與 fMRI 結合、與 PET 結合、與 MEG 結合、與 TMS 結合 — NIRScout 產 品 系 列—
一體化解決方案 NIRScout儀器可使用多種可用頭飾和光學探頭，用于各種應用用途。這些全面性解決方案可用于標準地形圖、新生兒/嬰兒成像、EEG 或MRI多模態采集。NIRx公司提供標準化探頭定位設置開支持客戶配置設置。成像儀有多個數字化輸入/輸出選項，以便精確觸發事件標記物。實時數據播放選項，適用于BCI/神經反饋應用等用途。NIRScout系統采用開放式數據格式，與多種開源分析解決方案和NIRx專有性NAVI軟件兼容。
NIRScout特點簡介 Ø超緊湊 Ø靈活的成像陣列 Ø實時數據播放 Ø激光/LED光源可選 Ø地形和層析兩種成像方式 Ø與NIRx NAVI軟件兼容 Ø數字探測 Ø可選EEG兼容 Ø開放數據格式與多種分析軟件兼容 Ø數字觸發I/O Ø實時顯示 — 測 量 帽 及 仿 真 器 — 多用途測量帽 美國NIRX公司提供了多種、可自由配置的、可穿戴式、多通道近紅外成像用頭戴測量帽，用戶可以根據自己的研究內容自由設置感興趣的大腦區域。不僅適用于成人也適用于不同年齡的兒童。 測試時只需將光源和探測器放入測量帽中相應的孔，對于被試來說不用洗頭、不用涂導電糊等，僅需撥開被試頭發讓光源和探測器與頭皮接觸良好即可完成測試的準備工作。
動態光學組織模擬器DOTS DOTS (Diffuse Optical tissue Simulator）可編程功能模擬器，是由電致變色的單元、透明樹脂構成。通過DOTS，研究員可以在逼真的實驗環境下測試和校準成像硬件和軟件。 應用用途包括制訂解決方案基準、位置保真和NIRS算法靈敏度。 通過DOTS可用物理性方法模擬復雜分布現象，如功能性網路和連接性研究。 另外，還可以用模擬器做儀器和軟件的教學和培訓工具。 創新性技術 Ø模擬人體頭形 Ø穩定、可重復性建模 Ø可編程光源陣列 Ø快速響應 Ø系統控制器和GUI
— 軟 件 介 紹 — NIRStar數據采集與控制軟件 通過NIRStar軟件可以迪行各種配置設置，如:選擇硬件型號、通道數、通道如何布局、光源的點亮方式、采樣率等，支持數據的實時采集與顯示，支持數字同步觸發，可實現與E-Prime軟件等刺激編譯軟件的同步。
IRstar軟件特點 Ø數據同步顯示和采集 ØTTL數字觸發同步E一Prime等 Ø令自動文件存儲 Ø實時數據傳輸 Ø支持dark noise測試 Ø支持用戶SDK開發 Ø靈活的參數設置 Ø可在3D頭模實時顯示激活狀態 Ø支持設備串聯升級 NAVI數據分析軟件 NAVI(Near-infrared Analysis, Visualization and Imaging)近紅外數據分析、可視化及成像分析軟件，它以 MATALAB為基礎，在靈活的文件管理系統中提供點擊式的導航和可視化，在數據處理過程中使用向導以簡化組數據加載，可迪行批處理，自動文件系統創建，參數設置記錄等。
NAVI軟件特點 Ø基于FEM建模的圖譜/個體 Ø數據編輯、濾波 Ø支持2D/3D/4D數據瀏覽 ØSPM類事件分析功能 Ø連續建模 Ø支持MRI圖像融合 Ø完整的NIRS分析工具包 Ø支持DCM動態因果建模 Ø集成PCA主成偉分析/GLM統計 Ø分析功能 Ø支持光譜分析 Ø自動文件管理 Ø數據導出 Ø信號處理 — 應 用 領 域 及 案 例 — 應用領域 v心理研究：認知心理學、運動感覺功能研究、自閉癥/精神分裂等、學習/注意力障礙、情感、覺醒、決策 v醫學研究：腦功能障礙、精神疾病、癲癇、創傷性腦損傷(TBI)、老年性癡呆癥、帕金森氏癥、新生兒研究 v其他領域：社會認知、體育科研、運動醫學、BCI 腦機接口、人因功效研究、軍事訓練等 v同步聯合研究：與 EEG 結合 、與 fMRI 結合、與 PET 結合、與 MEG 結合、與 TMS 結合 案例 案例A、NIRS 與 EEG同步采集研究 Courtesy of Stefan P.Koch,Charite University Medicine,Berlin
案例B、視覺響應機制研究 From: G.R.Wylie et al., Neurolmage 47,2009
案例C、做動物研究（需選配動物實驗套件)
— 基 本 原 理 — 功能近紅外光譜成像技術(Functional Near-Infrared Spectroscopy，fNIRS）主要是利用多個波長的近紅外光與腦組織中生色團物質之間的吸收和散射關系，考察特定狀態下腦組織中氧合血紅蛋白、脫氧血紅蛋白以及總血紅蛋白的濃度變化，迪而間接考察神經元的活動、細胞能量代謝以及血液動力學相關的功能，反映大腦的狀態與加工的過程。 fNIRS是一種無創性、可實時在體監測、能在動態運動條件下應用的光學腦功能檢測技術，它為運動過程中腦功能活動的研究開辟了一條新路。 ★生理學基礎——神經血管耦合機制 針對神經-血管間的耦合關系，Roy和 Sherrington早在1890年就曾提出了一個非常著名的假說，“大腦的血流供應會隨其功能活動的局部變化而過行局部響應”。 ● 通常情況下，由于腦血管存在自身調節機制，局部腦血流的供應和局部氧代謝率處于一種平穩狀態，使得氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白濃度基本保持不變。 ● 在大腦處于激活狀態時，這種平穩狀態被打破，腦血流量和氧代謝率會顯著增加，氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白濃度發生相應的改變，通過 HbO2、Hb 以及總血紅蛋白的測量，可間接評定大腦功能狀態。
★物理學基礎——近紅外光譜吸收 深層組織的血氧檢測主要依賴于生物組織對近紅外光強散射性和低吸收性的特點。Beer-Lambert 定律是近紅外光譜技術的物理基礎，依據修正的 Beer-Lambert 定律可以得出光的衰減量。由于出射光中攜帶著與吸收和散射相關的組織生化信息，通過對光學參數的檢測，可以推知腦功能的改變，通過一定的圖像恢復重建可迪一步得到腦活動的近紅外光學圖像。 在近紅外光譜的波長范圍(650nm到 95Onm）對生物體內的通透性相對較高，因此，被稱為「生物體之窗」。在該波段范圍內，生物體內的水、脂肪、血紅蛋白等的近紅外吸收系數都比較小，光子可以從人體頭部表面出發穿越頭骨到達大腦皮層。同時，在比近紅外光譜波長更長的區域內，水具有很強的吸收，因此，這些波長的光不能透過生物體內。
— 技 術 原 理 — ★光學腦地形圖——Topography 根據光子傳輸理論，光子在高散射的組織中傳輸時是沿著鋸齒形曲線前行，光學統計近似“香蕉型”路徑。光子的最大穿透深度與光源和檢測器的間距有關，一般情況下認為近紅外光的探測深度約為光源與檢測器間距的一半。 地形圖成像方式中，相鄰的光源和探測器組成一個通道（左圖)。探測器與光源之間的距離為2-3cm。根據光源和探測器不同的排列方式，可組成不同的通道。
★光學腦層析圖——Tomography 對于給定的光源，可在目標表面上迪行多次測量。通過結合來自這些數據的信息，可以得到一個重建介質內部的層析圖。 斷層圖成像方式時，光源發射的光不僅能被相鄰的探測器探測，還能被較進的探測器探測，因此一個光源可與多個探測器組成多個通道。 簡單的說:光學層析測量使用的光源-探測器對組合越多，光學傳感器的間夾角越多，實現的圖像質量越高。
★光學腦地形圖VS 光學腦層析圖 人體的腦部是多層非均勻介質，由頭皮(scalp)、顱骨（skull)、腦脊液(Cerebrospinal Fluid，CSF)、腦灰質(gray matter）和腦白質( whitematter）構成。其中，腦灰質又稱為大腦皮質，覆蓋于大腦表面。大腦皮質從結構和機能上均為中樞神經系統最復雜的部位，負責意識和思維等高級神經活動。 當利用多距測量方法迪行近紅外腦功能檢測時，如右圖所示，Source為光源，Detector1和Detector2為探測器。 當迪行地形圖掃描時:光源和探測器距離比較近，主要敏感于外層腦組織的血流動力學變化。因此Topography具有:稀疏光源/探測器陣列、僅測量最近的光源信號、有限的動態范圍、較低的分辨率、2D-圖、每個區域通道很少(準備時間短)、簡單數據分析、對表面信號敏感等特點。 當迪行層析圖掃描時:光源和探測器距離比較進，主要敏感于大腦皮質的的血流動力學變化。因此Tomography具有:高密度optode陣列、多種距離測量、更大的動態范圍、高分辨率、深度辨別(3D)、每個區域通道很多（長時間準備)、復雜數據分析等特點。
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