fNIRS中光傳播與穿透深度 _健康小知識

生物光子學fNIRS技術的奠基人BrittonChance教授早在1997年指出，穿透深度與探頭排布距離相關(“depthofpenetrationseemedmainlytobeafunctionoftheinteroptodedistance”) ，同時在其研究中，使用普通白光燈(whitelightsource)+濾光片(760nm和850nm) ，實現了枕葉皮層的功能成像并檢測到了視覺刺激任務帶來的腦激活效應[1] 。
該研究說明，探測深度與探頭間距相關，而與光源類型無關。
近紅外光在人體組織傳播的基本規律，可以由如下的擴散方程所描述[2]：
(1)

文章圖片
其中Φ是光子密度， D是擴散系數， S是光源的分布。其中，擴散系數D又有如下關系：
(2)

文章圖片
其中μα和μ's分別為人體組織對于近紅外光的吸收系數和約化散射系數，這兩個系數主要地決定了近紅外光在人體組織的傳播路徑和深度，它們還與光的波長相關[3] ，而與光源類型(LASER、LED、其他光源等)是完全無關的。

文章圖片
圖1光窗內組織吸收系數與波長的關系
由上述擴散方程，在給定發射光源和接收探測器位置，可以得到光傳播路徑的分布特點，即按照一定寬度一定深度的香蕉型光路傳播。其中光傳播路徑中的“穿透深度指標”僅與發射-接收探頭排布間距相關。

文章圖片
圖2光傳播路徑的穿透深度隨發射-接收間距的變化規律
如Strangman等人研究指出，探頭排布間距增加時，探測的最大深度相關敏感性增加[4] 。上述結果是作者通過3,555次蒙特卡羅(MC)模擬得出，這與光源類型無關。

文章圖片
圖3深度敏感性分布隨發射-接收間距的變化規律，引自[5]
所以通常用于成人fNIRS成像研究的發射-接收的排布間距為3cm ，對應探測深度約為2cm[5] ，因而可以檢測到大腦皮層的血紅蛋白變化信息。
波長選擇是和當時的工業發展水平和應用現狀密切相關，在含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白等位吸收點波長808nm更低的波長范圍內，最早期的工業品只有695nm和780nm兩個波長的激光零件可選，高端、特種的固態近紅外光光源當時尚沒有零件面世，所以只能在LASER中將就挑其中一個。從圖1光窗圖中可以看出， 695nm波長的吸收系數太高， 780nm波長的兩種蛋白吸收系數差異太小，整個技術路線(地基)并不是可靠的。
最優的技術路線是選擇730nm的波長(宜波長) 。從圖1光窗圖中可以看到， 730nm波長處，吸收系數最小且相對等位吸收點差異化足夠，是最優選擇MostSuitableWavelength 。特別是當代工業界純近紅外光特種LED產品的工藝和應用變得成熟，使得“宜波長”方案可靠運用在fNIRS系統上。
綜上所述，光源的類型，無論是LASER還是LED ，其穿透顱骨的能力、探測大腦皮層的深度的能力是相同的。從各自的光源的特點而言，激光光源風險高，運行穩定性差，容易受到溫度漂移的影響，并且波長選擇受限制，而作為新一代的固態發光技術，特種近紅外LED光源隨著半導體技術的穩步發展，目前有著穩定性高、無安全風險、信噪比高、波長選擇更適宜等優勢[6] ，在近紅外腦成像技術中逐漸取代激光光源作為更適宜的光源類型(見表一：波長選擇演進歷史和最新的文獻選取730nm) 。

文章圖片
表1近年來fNIRS技術趨勢，以特種固態近紅外LED光源為主。