近红外光谱技术是怎样一种新兴脑功能成像技术

文章来源: 人气:1053 更新时间:2018-01-11

功能性近红外光谱技术是近年来新兴的一种非侵入式脑功能成像技术。fNIRS进行脑功能成像的原理与fMRI相似,即大脑神经活动会导致局部的血液动力学变化。其主要利用脑组织中的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白对600-900nm不同波长的近红外光吸收率的差异特性,来实时、直接检测大脑皮层的血液动力学活动。

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想知道当你在和外部世界进行交流时,你的大脑是怎样活动的吗?有很多种技术可以监测大脑的活动变化,如fMRI。今天我要给大家介绍一种新兴的脑功能成像技术:功能性近红外光谱技术 。

  功能性近红外光谱技术是近年来新兴的一种非侵入式脑功能成像技术。fNIRS进行脑功能成像的原理与fMRI相似,即大脑神经活动会导致局部的血液动力学变化。其主要利用脑组织中的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白对600-900nm不同波长的近红外光吸收率的差异特性,来实时、直接检测大脑皮层的血液动力学活动。通过观测这种血液动力学变化,即通过神经血管耦合规律可以反推大脑的神经活动情况2011)。例如,当让受试者做右手手指运动任务时,其大脑皮层左侧运动放电,消耗氧和能量。此时,脑部血供系统的过补偿机制会向该局部大量输入含有丰富氧合血红蛋白的血液,从而导致该局部的氧合血红蛋白浓度增加,脱氧血红蛋白下降。fNIRS实验中,实验者让被试按照一定实验范式执行任务,同时使用fNIRS观测大脑不同位置的血红蛋白度的浓度变化,如果找到了某一脑区,其血液动力学活动与该任务设计相关程度很高,即可推断该脑区被实验任务激活。

    近20年来,随着功能性近红外光谱技术的硬件设备的制造和改进以及数据处理方法的完善,利用近红外进行各类认知活动的研究层次不穷。现在,fNIRS已经与脑电图(EEG、ERP)、功能磁共振成像(fMRI)等脑成像技术一样,成为人类探索大脑奥秘的利器。

 近红外光电检测对光谱、夜间监控、红外导引、光通信等应用领域具有重要意义。近年来,CMOS技术的发展使Si基光电子器件得到广泛应用,由于Si自身带隙较大,普通的Si基光电探测器通常无法在超过1200nm的近红外光谱区域有效工作。

  为了解决这个问题,科学家们在Si材料表面沉积一层金属薄膜,形成金属-半导体之间的肖特基结,金属中自由电子吸收光子能量后可穿过肖特基势垒,并进入Si材料中形成光电流。这种响应的截止波长由势垒高度决定,从而打破了半导体带隙的限制。在这个依赖热电子发射的光电响应机制下,金属结构对器件的近红外探测性能有较大影响。目前,基于如传输表面等离激元共振(PSPR),局部表面等离激元共振(LSPR)和谐振腔共振等,纳米棒、纳米线、光栅等各种金属纳米结构已被证明可增强热电子光电响应。然而,这类结构的量子效率仍较低,这些精细规则的纳米结构增加了生产工艺的复杂性和生产成本,使其无法实现大规模、低成本制造。


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