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INFO研究圈丨【干货】长江后浪推前浪,近红外真的能替代传统影像吗?

近几年在国际上掀起了脑科学研究的热潮,追根溯源是因为一项创新型技术—功能性近红外技术。传统意义上脑科学研究常用的技术是影像学技术,“后浪”功能性近红外技术究竟有何优势能让脑科学研究再掀热潮?我们将在本文中全面对比功能性近红外技术与传统影像学技术,看它是否具备在脑科学研究领域与发展成熟的传统影像学技术一较高下的实力。

前浪——传统影像学技术

 

传统的影像学技术包括核成像和脑电图,两者的原理不同,但是用途相同,均是用来检测脑组织中的异常情况,以便进一步确诊疾病。现在除了被用于医学诊断,这些技术还应用于科学研究,用来探索人类大脑的奥秘。

△医学诊断影像

核成像的基本原理

核成像的基本原理是利用与核辐射有关的物理量在被测对象中的衰减规律或分布特性,获取被研究对象内部的详细信息,然后利用计算机对这些信息进行高速处理,最终重建被研究物体的内部图像。用以测量脑部的主要有:磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)、电子发射计算机断层扫描成像(Positron emission tomography)以及功能性核磁共振成像(Functional Magnetic Resonance Imaging,fMRI)。

△核磁共振流程图

核磁共振成像的基本原理和优势

磁共振成像又称为核磁共振成像(Nuclear Magnetic Resonance Imaging,NMRI)利用核磁共振(nuclear magnetic resonance,简称NMR)原理,依据所释放的能量在物质内部不同结构环境中衰减情况的差异,通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波,即可得知构成该物体原子核的位置和种类,据此可以绘制出物体内部的结构图像。

△核磁共振扫描下的心脏

核磁共振成像是随着电子计算机、电子学、电路学、超导体等技术的发展而迅速发展起来的一种生物磁学核自旋成像技术。医生考虑到患者对于“核”的恐惧心理,因此常将这项技术称为“磁共振成像”。核磁共振成像原理中的应用“核”是指氢原子核,由于人体的组织中70%是水,MRI依据的便是氢原子。

 

△核磁共振成像原理

它的优点是对软组织(例如骨、关节、肌肉)有极佳的分辨力。通过调节磁场可以自由选择所需的解剖面,例如对于椎间盘和脊髓,可以根据需求查看矢状面、冠状面和横断面的成像。最关键的是,它带来的辐射量不会对人体造成损伤。这项技术也有不足之处,对于特殊人群,如体内含有金属或患有幽闭恐惧症的患者来说并不适用。总而言之,磁共振成像对于探索在体的内部结构具有一定的优势,是医学界不可缺少的帮手。

△功能性核磁共振

PET的基本原理与应用

正电子发射计算机断层扫描成像又称为正电子断层照影(Positron emission tomography,PET),是一种核医学临床检查的成像技术。它是目前唯一以解剖形态方式进行功能、代谢和受体显像的技术,具有无创伤性的特点并能提供全身的三维图像和机体在功能运作过程中的图像。

△PET(正电子断层照影)

它的基本原理是人们服用含有半衰期比较短的放射性示踪剂同位素的口服剂,该同位素的衰变过程会放射出正电子,通过化学反应将它置换到生物体容易代谢的分子中,进入代谢系统,等待一个小时后,体内的同位素遇到侦测器中的闪烁晶体物质时,会形成一点光亮,而被光敏感的光电倍增管或雪崩光电二极管探测到,然后经过重组形成投影图像,再经过多角度和多方向的排列组合后,构成三维图像。

△PET基本原理

PET大部分应用于肿瘤学的诊断中,也被用于研究人体脑组织在想象任务或者静态任务时大脑的活动情况此设备的优点是可以在三维环境下追踪到某个部位的代谢情况,缺点便是需要服用少量的放射性元素,当然不会超出人体正常接受的辐射量,不会对人体造成伤害。综上所述,PET是探索机体的代谢是必不可少的辅助工具。

△正电子发射计算机断层扫描成像

PET+MRI=fMRI

功能性核磁共振成像(functional Magnetic Resonance Imaging,fMRI)是一种新兴的神经影像学技术。其原理是利用磁振造影来测量神经元活动所引发的血液动力的改变它是PET和MRI的结合体,通过检验血流进入脑细胞的磁场变化从而实现脑功能成像。(引用图书Richard,Psychology and life,2003)这项技术融合了PET和MRI的优点,为脑部功能定位奠定了基础。

△图中彩色的区域为激活区域

EEG的基本原理和优势

脑电图(Electroencephalogram,EEG)是透过医学仪器脑电图描记仪,将人体脑部自身产生的微弱生物电于头皮处收集,并放大记录从而得到反映脑部情况的曲线图。脑电图所测量的是众多锥体细胞兴奋时突触后电位的同步总和,脑电图测量的是来自大脑中神经元的离子电流产生的电压波动与核成像不同的是脑电图拥有较高的时间分辨率,但是空间分辨率有限,因此脑电图经常与其他的监测设备配合使用。

△图为NE脑电帽

△图为脑电图

后浪——近红外成像技术

 

传统的影像学技术均有各自的优点和不足,对于新兴的的fNIRS(近红外成像技术)来说,它在弥补传统影像学技术不足的同时,对促进脑科学研究的进步也起到了推动作用。通过实验观察,也说明了HBO-BOLD(fNIRS)和HBR-BOLD(fMRI)两者存在相关性,从而验证了fNIRS在测量脑部数据的有效性。

△上图为HBO-BOLD(fNIRS)和HBR-BOLD(fMRI)两者相关性的结果图像,显著性相关的(p<0.05)的发光团显示在图像中。Ravg表示来自所有受试者的数据,这些数据是通过对头部所有发光团的r值(相关系数指标)进行平均而获得的。(引用Wijeakumar,2016)

相对于核成像,fNIRS弥补了核成像测试中测试环境封闭的限制,fNIRS的测试环境更为开放,可以检测各种动作下脑部组织的活动情况:它是用光学的方法测量脑部活动,无任何辐射性伤害,核成像中的PET会导致一定量的辐射;fNIRS还有较高的时间分辨率,可以在一定程度上满足实时测量的需求。

△在户外测试使用的Brite

△用于户外测试的Portlite

目前,磁共振仍然是医学界公认的黄金标准虽然fNIRS无法达到磁共振那样较高的空间分辨率,但是对于现有的科学技术而言,fNIRS在脑科学领域已经是一个巨大的进步。

△运动生理—在Artinis中整合NIRS,ECG和EMG

和脑电图相比,fNIRS的空间分辨率可以达到1.5cm-2cm,而脑电图测量的是头皮表面或大脑皮质表面的变化,它填补了脑电图空间分辨率的缺陷,从而有助于我们更加深入的理解脑部活动情况。

 

△大脑损伤后功能的恢复

△运动领域监测

近红外成像技术起初主要应用在心理研究领域,在近几年的研究中,近红外成像技术逐渐应用到康复领域,例如利用近红外观察大脑损伤后功能的恢复;应用到脑机接口的研究中;作为康复训练中神经反馈的工具等等。除此之外,近红外也被应用于运动领域,例如步态控制的神经机制、姿势控制的神经机制以及疲劳状态下神经活动的变化。

△脑机接口

△康复训练

目前来看,功能性近红外技术已经在脑科学领域中逐渐成熟,应用比较广泛。现在功能性近红外技术也开始应用于骨骼肌系统,测量肌肉中氧合血红蛋白浓度的变化,而且现在的技术可以实现同时监测脑氧和肌氧的变化,观察疲劳的情况下,脑氧和肌氧的变化情况,从而探索疲劳状态下脑区和肌肉的关系。

△PortaMon应用于骨骼肌系统

随着技术的发展,近红外成像将会应用于更多领域,同时将针对不同领域的需求,定制和改进相关技术,使其能够适应日益复杂的测试要求。如今,市场上已涌现一批以近红外技术为基础研发的成熟设备,利用功能性近红外成像技术探索人类的奥秘已经变得触手可及。

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