与功能性磁共振成像（fMRI）类似，功能性近红外光谱（fNIRS）通过光学吸收的差异检测大脑内血红蛋白种类的变化。在近红外光谱中，光可以穿透生物组织并被发色团吸收，如氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白。使fNIRS更具优势的是其便携性和长期监测的潜力。本文综述了fNIRS的基本机制及其当前的临床应用，fNIRS在更广泛的临床应用方面的局限性，以及当前提高fNIRS时间和空间分辨率以在受试者中实现稳健临床应用的努力。寡通道fNIRS足以估计全脑功能，它已成为重症监护环境中评估中风和创伤性脑损伤患者脑氧合和自动调节的重要工具。当涉及到更复杂的利用时，空间和时间分辨率变得至关重要。多通道NIRS提高了fNIRS在某些任务模式（如语言映射）中用于大脑映射的空间分辨率。然而，目前需要平均值和组分析，这限制了其在个体受试者中用于监测和实时事件检测的临床应用。信号处理的进步使fNIRS转向个体临床应用，用于检测某些类型的癫痫发作，评估自主神经功能和皮层扩散性抑郁症。然而，其缺乏准确性和精密度一直是fNIRS更复杂临床应用的主要障碍。高密度全头部光电二极管阵列、相对于头部的精确传感器位置、解剖配准、短距离通道和多维信号处理的使用可以结合起来，以提高fNIRS的灵敏度，并增加其作为广泛应用的临床工具的用途，以稳健地评估大脑功能。

介绍

功能近红外光谱（fNIRS）是一种公认的非侵入性工具，可连续评估床侧局部组织氧合。40年前，Jöbsis首次对其进行了描述（Jobsis，1977），并在不同的临床环境中得到了应用，特别是在神经科学领域（Obrig，2014；Hong和Yaqub，2019）。目前的综述旨在讨论fNIRS的机制、其在检测大脑活动方面的优势和局限性、fNIRS临床应用的现状以及将fNIRS开发为更广泛的临床工具的未来方向。

大脑是一个高能量需求的器官，神经元的激活与脑血流量和体积的增加相关。这种所谓的“神经血管”耦合是许多功能性神经成像技术的基础，包括fNIRS、功能性磁共振成像（fMRI）、正电子发射断层扫描（PET）和单光子发射计算机断层扫描（SPECT）。通过测量不同血红蛋白种类的光吸收变化，可以用fNIRS计算大脑血流的时间变化。fNIRS的几个特点，包括便携性、非侵入性、成本效益和耐受性，使其成为临床护理和神经科学研究的有利工具。同时监测其他实时生理参数，如EEG（Hong和Khan，2017；Khan和Hong，2017；Hong等人，2018；Khan等人，2018），可以进一步提高其时间分辨率，使其成为研究癫痫、自主功能和生理现象的理想工具。

事实上，fNIRS已成为儿科ICU中的标准护理工具，以实时评估区域氧合，如躯体氧合（Balakrishnan等人，2018）和大脑氧合（Hoffman等人，2017）。它也被广泛用于评估任务相关的皮质功能。通过使用块设计，可以增强区域脑血流信号，以表征基于任务的皮层功能（参见（Hong和Yaqub，2019）的全面综述）。在这篇综述中，我们将关注语言映射，这一直是神经学家和神经外科医生的主要兴趣。

当涉及到更复杂的实时测量时，fNIRS遇到了几个限制。首先，大多数临床环境中使用的少通道fNIRS缺乏空间分辨率，这对于认知测试中的功能定位和癫痫检测中的源定位至关重要。第二，尽管多通道fNIRS的发展大大提高了该技术的空间分辨率，但由于fNIRS信噪比（SNR）降低，单个事件分析仍然具有挑战性。群体分析和信号处理可以提高SNR，但仍然无法实时分析单个事件，如癫痫发作。检测血流动力学反应初始下降的矢量图分析等技术有助于解决这一问题检测血流动力学反应初始下降的矢量图分析等技术有助于解决这一问题（Zafar和Hong，2018）。第三，与EEG相比，fNIRS的时间分辨率对于捕捉个体神经事件可能不是最佳的。癫痫发作在毫秒时间尺度上在神经元之间快速传播，可能需要高采样率才能准确定位源（Coelli等人，2019；Vespa等人，2020）。临床EEG的采样率通常在256-1024Hz之间，而fNIRS的采样率低一个数量级。最后，fNIRS空间定位的再现性通常受到个体受试者解剖结构和传感器位置之间缺乏配准的限制。标准化光电二极管放置与个体受试者解剖结构的共同注册以及fNIRS信号传播正向模型的个体化生成，再加上fMRI验证，可以帮助解决这个问题。

通过适当选择光波长，可以扩展神经血管耦合的fNIRS表征，以包括代谢功能，例如使用细胞色素c氧化酶（CCO）（Bale等人，2018；Holper和Mann，2018；Lange等人，2019）。加上同时测量fNIRS的能力以及其他神经成像分析技术，如EEG和神经网络学习（Yang等人，2019），fNIRS在神经科学中具有广泛的临床应用潜力。

神经血管耦合

神经元缺乏能量储存能力意味着与神经元通讯相关的代谢活动增加需要葡萄糖和氧气的随时供应。Fox和Raichle（1984）通过PET证明，意志任务会导致与功能任务相关的大脑区域的局部葡萄糖利用率和局部氧气利用率增加。在静息状态下，神经元具有相对恒定的氧提取分数，从而在神经元周围的毛细血管床中产生稳定的含氧和脱氧血液比例。当从静止状态变为活动状态时，局部氧提取分数增加，这首先增加了脱氧血红蛋白的浓度。在这开始后不久，位于毛细血管床之前的小动脉中的括约肌扩张，充满了氧血红蛋白。MRI将这种变化检测为血液磁性状态的变化。氧合血红蛋白是反磁性的，但当它释放其结合的氧原子成为脱氧血红蛋白时，它就变成顺磁性的。毛细血管床周围组织磁化率的局部变化改变了T2∗ 可见氢原子核的弛豫速率。在激活的前1-2秒内，过量的脱氧血红蛋白会降低T2∗, 导致体素的强度降低（初始下降）。这种现象不像随后氧血红蛋白浓度的增加（通常更大）那样可靠地检测到，这增加了T2∗ 以及MR图像内体素的相应强度。

功能性核磁共振成像（Functional MRI）已成为功能性神经成像的基石，它测量大脑中氧合/脱氧相对于血氧水平依赖（BOLD）反应的变化。尽管fMRI已广泛用于表征健康志愿者和患者的神经元活动，但它有几个局限性。首先，大脑活动的检测是间接的。由于fMRI测量的是血液氧合的变化，而不是直接测量神经元的活动，这种影响可以通过其他血管活性过程消除或排除。第二个重要的限制是需要高场强MRI系统。受试者被限制在磁体中，受试者和任何实验设备都必须是磁体安全的。最后一个限制是，fMRI测量的BOLD反应是基于氧与脱氧血红蛋白的比率。这两部分血红蛋白不能单独检测。

与fMRI不同，fNIRS分别测量两种血红蛋白。血红蛋白种类之间的差异有助于使用差异分析技术，如矢量图分析，使用2（氧和脱氧血红蛋白）或4（氧和去氧血红蛋白，它们与总血红蛋白之间的差异）成分，以更好地定义血流动力学反应的初始下降（Zafar和Hong，20172018）。此外，fNIRS是便携式的、可容忍的和经济有效的。与fMRI相比，fNIRS可以更容易地对大脑氧进行及时的床边评估。功能性NIRS也是非MR兼容植入设备（如迷走神经刺激器（VNS）、深部脑刺激器或起搏器）患者的安全技术。