脑功能性近红外光谱技术在新生儿领域中的研究进展

功能性近红外光谱技术(functional near-infrared spectroscopy,fNIRS)是一种新兴的神经影像学检查工具,根据神经血管耦合机制,通过监测脑氧代谢的变化反映脑部神经元的活动功能,无创便捷,尤其适合新生儿脑功能监测。该文对新生儿语言、音乐和情绪的脑网络发育规律,新生儿护理的脑网络成像,静息态脑网络连接规律,以及疾病状态下脑功能成像特点等方面的fNIRS相关研究进行综述。

运动损伤与功能性近红外光谱技术综述

随着全民运动的兴起,运动损伤的发生率逐年增加,同时,随着人们经济生活的提高,对运动损伤后的康复更为重视。目前的运动损伤康复治疗以肢体功能康复为主,但运动损伤后脑功能变化也开始受到研究者的关注。功能性近红外光谱技术(fNIRS)以其抗干扰性、便携性等特点,可较好地应用于运动损伤患者的脑功能检测中。本文对运动损伤康复及fNIRS的研究成果进行了归纳总结,探讨了运动损伤康复的现状和研究进展,分析fNIRS及其在研究运动损伤后损伤肢体神经控制机制的应用价值,为进一步提升运动损伤的康复效果提出新思路。

基于功能性近红外光谱技术的脑卒中患者下肢功能康复研究进展

脑卒中是导致患者残疾和死亡的主要原因[1]。患者因残疾无法独立生活,给家庭和社会带来巨大负担[2-3]。脑功能检测技术可监测大脑活动期间的变化,为评估脑卒中康复治疗的效果提供帮助[1]。相关的脑功能检测技术有脑电图(electroencephalogram,EEG)、功能性磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)、正电子发射型计算机断层显像(positron emission computed tomography,PET)、功能性近红外光谱(functional near-infrared spectroscopy,fNIRS)等[4-5]。

近红外光谱技术快速鉴别碱水浸泡鸡肉的研究

采用近红外光谱分析技术并结合主成分分析法,建立碱水浸泡鸡肉快速鉴别模型。原始光谱经平滑、多元散射校正和一阶导数等预处理后进行系统主成分分析,结果显示正常鸡肉和碱水浸泡鸡肉能得到清晰的分类。通过不同光谱预处理方法,采用簇类的独立软模式法建立分类模型,结果显示通过对样品光谱采用7点卷积平滑方法预处理,分类模型综合正确率最高,校正回判正确率在77.08%~100%之间,预测正确率在81.25%~100%之间。综上,采用近红外光谱分析技术对碱水浸泡鸡肉进行快速鉴别可行。

基于近红外光谱技术有监督模式识别的青皮产地溯源分析

利用便携式近红外光谱仪采集不同产地(安徽、广东、四川)青皮外壁和内囊光谱数据,采用单一预处理和组合预处理方法消除光谱中的多种干扰,结合主成分分析(PCA)、簇类独立软模式分类法(SIMCA)及Fisher线性判别分析(FLDA)等模式识别方法建立青皮产地溯源模型。结果表明,光谱预处理可以在一定程度上消除基线漂移、背景噪声和谱峰重叠干扰,但无法实现产地溯源。3种模式识别方法中,PCA无法实现青皮产地溯源;青皮外壁和内囊原始光谱的SIMCA模型获得的青皮产地溯源整体鉴别率分别为99.14%和98.28%;FLDA模型获得的整体鉴别率均为99.57%,优于SIMCA模型;经光谱预处理优化后的SIMCA和FLDA模型对青皮产地溯源的鉴别率均可达100%,即便携式近红外光谱技术结合有监督模式识别方法可实现青皮产地溯源的无损分析,可为食药同源物质产地溯源拓展新途径。

基于近红外光谱成像技术的脑卒中后偏瘫步态脑功能成像研究

目的:采用近红外光谱成像技术(fNIRS)动态追踪脑卒中后偏瘫病人步行时脑激活及脑网络的变化过程,探讨脑卒中后运动-认知相关脑区的脑功能机制。方法:采用横断面研究方式,纳入2020年10月—2020年12月在广州医科大学附属第五医院康复科住院的脑卒中病人10例为脑卒中组,招募10名健康老年人为对照组。对两组受试者进行步行同步fNIRS评估,比较两组受试者双侧前额叶皮质(PFC)和顶叶运动皮质(MC)含氧血红蛋白(HbO)浓度、脑功能连接(FC)情况。结果:脑卒中组患侧PFC的HbO浓度明显高于对照组非优势侧/右侧PFC(P<0.05);而脑卒中组健侧PFC的HbO浓度也明显高于对照组优势侧/左侧PFC(P<0.05)。脑卒中组患侧MC的HbO浓度明显高于对照组非优势侧/右侧MC(P<0.05);而脑卒中组健侧MC的HbO浓度高于对照组优势侧/左侧MC(P<0.05)。与对照组相比,脑卒中组双侧MC、健侧MC-健侧PFC、健侧MC-患侧PFC、患侧MC-健侧PFC和患侧MC-患侧PFC的脑功能连接明显增强(P<0.01)。结论:与健康老年人相比,脑卒中病人步行时的双侧前额叶皮质及患侧运动皮质的激活均增多,且前额叶与运动皮质间的功能连接也明显增强,提示前额叶的认知脑区在脑卒中后偏瘫病人的步行中起到了重要的代偿作用,可用于指导脑卒中病人步态康复策略的制定。

功能近红外光谱成像技术评估运动想象疗法对脑卒中患者脑功能的影响

目的:利用功能近红外光谱成像技术(fNIRs)探讨运动想象疗法对上肢功能障碍的脑卒中患者脑功能的影响。方法:将卒中后上肢功能障碍患者20例随机分为治疗组和对照组,每组各10例。对照组患者予以常规药物、常规运动康复训练;治疗组在对照组基础上予以运动想象训练。于治疗前、治疗4周、8周后,采用功能独立性评定量表(FIM)和Fugl-Meyer上肢功能评定量表(FMA-U)评估疗效,同时采用f NIRs采集系统检测大脑组织氧合血红蛋白(Oxy-Hb)相对变化,以探讨特定脑区激活模式和响应特征。结果:治疗前,2组患者FIM、FMA-U评分差异无统计学意义(P>0.05)。治疗4周、8周后,2组患者FIM、FMA-U评分均较同组治疗前提高(P<0.05),且治疗组评分均高于同时间点的对照组评分(P<0.05)。f NIRs三维脑成像图显示,康复训练刺激脑组织的兴奋部位主要是皮质运动区的中上段(Brodmann 4区),随着治疗时间的增加,2组患者皮质兴奋区域面积增加,且治疗组增加的程度更大;与治疗前比较,2组治疗4周、8周后脑组织Oxy-Hb浓度均显著提高(P<0.05),且治疗组Oxy-Hb浓度高于对照组(P<0.05)。相关性分析结果显示,FIM得分与Oxy-Hb浓度相对值呈正相关(r=0.657,P<0.05),FMA-U与Oxy-Hb浓度相对值呈正相关(r=0.807,P<0.05)。结论:卒中后上肢功能活动障碍患者大脑运动前区、运动区皮质存在明显抑制现象。单纯运动康复训练、运动想象疗法联合运动康复训练均能激活相关脑区功能活动,且后者激活效果及功能改善更显著。

近红外光谱技术在茶叶生产质控与品质评价中的研究进展

茶是世界上最受欢迎的饮料之一,在国内外均有庞大的市场。市场的发展对茶叶的品质要求不断提高,而快速、可靠的茶叶质量控制与品质评价技术是辅助茶叶品质提升的重要手段,一直是研究者关注的热点。传统的茶叶质量与品质检测方法费力、耗时或极具主观性。近红外光谱技术以其简单、无损、快速的特点,在茶叶生产质控与品质评价中越来越受到人们的欢迎。基于近红外光谱的检测技术是一种间接的检测方法,其检测结果容易在数据传递过程中受到各种影响因素的干扰,本文总结了近红外光谱技术在茶叶生产质控与品质评价中的重要影响因素,分析了近红外光谱技术在茶叶生产质控与品质评价中的应用状况,并对研究前景进行展望,为应用近红外光谱技术于茶叶生产质控与品质评价中的研究方向提供参考。

近红外光谱检测技术在塑料分选中的应用进展

近红外光谱检测技术(NIRS)在塑料分选中的应用旨在对塑料种类与组份进行识别,从而提高回收效率最终实现资源的综合利用。本文首先介绍传统塑料分选技术发展;其次概述近红外检测技术原理与其在塑料领域的应用现状;最后对在塑料分选领域应用前景进行了总结与展望。在塑料分选领域,近红外光谱检测技术相比传统的物理和化学检测方法,具有快速、无损、高效等明显的优势,可通过实时、在线检测,定性与定量的方式对未知样品进行识别与分选。尽管该技术在一些实验研究中已经取得了显著的阶段性成果,但在实际工程应用特别是检测的精准度,外延新的应用场景等方面仍需进一步研究和优化。

基于功能近红外光谱的轻度认知障碍和阿尔茨海默病的脑功能评估研究

为探究阿尔茨海默病(Alzheimer′s disease,AD)、轻度认知障碍(mild cognitive impairment,MCI)患者与健康老年群体(healthy control population,HC)的脑活动差异。本研究对24名AD患者、27名MCI患者与20名健康老年受试者进行静息态和任务态数据采集,计算基于氧合血红蛋白(oxygenated hemoglobin,HbO_(2))和脱氧血红蛋白(deoxygenated hemoglobin,HbR)的脑激活和脑连接,进行单因素方差分析,建立脑功能指标与行为的关联关系,并获得了5个具有显著组间差异且与行为显著相关的关键指标。结果显示,三组间,基于HbO_(2)信号的脑激活差异性更强,而基于HbR信号的脑功能连接差异性更强;受试者HbR功能连接与任务正确率显著正相关,与反应时间显著负相关。脑功能活动的差异可能是行为差异的神经机制,本研究将有助于MCI和AD的早期评估。

功能性近红外光谱应用于脑认知领域的可视化分析

目的:对功能性近红外光谱技术应用于脑认知相关研究的现状、热点及前沿行可视化分析。方法:检索Web of Science(WOS)数据库2012年1月1日~2022年12月31日功能性近红外光谱技术应用于脑认知研究的文献,使用CiteSpace 5.7软件进行可视化分析。结果:最终纳入文献1685篇,文献年发表量呈增长趋势。Ann-Christine Ehlis是发文最多的作者(36篇),美国是发文量最多的国家(480篇),德国图宾根大学是发文量最多的机构(47篇),发文机构间合作较密切。研究热点集中于认知障碍及儿童脑发育障碍等认知疾病的神经机制研究、认知水平测量及认知疾病治疗评价等方面。结论:功能性近红外光谱技术在脑认知领域的应用处于发展阶段,国内机构应继续强化合作,近年研究开始结合多模态检测数据,研究者可进一步将多模态大数据结合人工智能建立各类认知疾病的认知评估、疗效评价等模型,实现脑认知疾病的客观化精准医疗。

基于近红外光谱技术的南荻生物质品质快速分析

为快速分析洞庭湖南荻的生物质品质(可溶物、纤维素、半纤维素、木质素、灰分含量和纤维素结晶度、聚合度),以采集的126份种质资源为材料,分别采用2种光谱预处理方法和3种特征光谱筛选方法优化原始光谱,基于不同组合方式优化光谱及原始光谱,结合偏最小二乘法构建近红外光谱分析模型,筛选针对7个品质指标的双重优化模型,基于灰色关联度法对126份种质资源进行工业化潜力评估。结果表明:洞庭湖南荻可溶物、纤维素、半纤维素、木质素、灰分含量及纤维素结晶度、聚合度均存在丰富的多样性,且大致呈正态分布,符合近红外建模的要求;基于直接差分法(DD)结合竞争性自适应重加权算法(CARS)优化的PLS模型对南荻可溶物含量的预测结果表现优异,其校正集的均方根误差(RMSEC)为0.27,决定系数(R_(C)^(2))为0.99;交叉验证集的均方根误差(RMSECV)为0.77,决定系数(R^(2)_(CV))为0.97,预测集的相对分析误差为5.07,相关系数(R_(V)^(2))为0.88;基于DD结合变量组合集群分析混合迭代保留信息变量(VCPA–IRIV)优化的PLS模型在南荻的纤维素、半纤维素、木质素、灰分含量和结晶度、聚合度的预测中表现优异,模型的RMSEC为0.14~10.20,R_(C)^(2)为0.98~0.99,RMSECV为0.28~19.46,R^(2)_(CV)为0.94~0.98,R_(V)^(2)为0.87~0.98,相对分析误差(RPD)为4.84~15.65;表明基于双重优化光谱子集建立的近红外光谱模型能较好地预测南荻的生物质品质,且具有较高的稳定性;通过灰色关联度法对126份南荻种质资源进行评估,发现126个样本的工业化利用潜力分数大致呈正态分布,其利用潜力分数的均值为54.4,一级种质资源4个,二级种质资源40个,三级种质资源63个,四级种质资源14个,五级种质资源5个。

近红外光谱技术在人参质量评价中的研究现状

本文总结了近红外光谱技术在人参外观检验、有效成分分析、重金属和农药残留检测等质量评价方法中的应用,论述了近红外光谱技术在提高评价准确性和可靠性方面的重要性,同时总结了近红外光谱技术在人参产地溯源、年限鉴别、种子鉴别、类别鉴别、皂苷和多糖检测等多方面的应用。

近红外脑功能成像技术在缺血性脑卒中神经功能评估中的应用研究进展

近红外脑功能成像(NIRS)是一项新兴的光学成像技术,可通过监测脑组织氧合状态评估脑血流灌注及脑代谢情况,具备无创、易于床旁、动态监测、价格低廉等特点,在临床评估缺血性脑卒中患者脑功能状态方面具有较高的应用价值。NIRS在缺血性脑卒中脑区功能交互关系、功能障碍、多模态脑功能监测、人工智能治疗缺血性脑卒中神经功能评估中的应用具有广阔前景,有望在脑卒中的精准评估中发挥重要作用。

基于功能性近红外光谱成像技术的库欣病患者脑功能研究

目的应用功能性近红外光谱成像技术(fNIRS)对库欣病患者言语流畅任务(VFT)期间双侧前额叶和双侧颞叶大脑皮层激活特征进行初步探索。方法纳入2020年7月—2022年7月在瑞金医院神经外科接受手术治疗的30例库欣病(CD)患者作为CD组,并招募30名健康者作为正常对照组(NC组)。对研究对象进行认知、焦虑及抑郁情绪、生存质量量表评估,并用近红外光谱成像仪器检测VFT期间双侧前额叶和双侧颞叶大脑皮层激活特征。最后,对CD组双侧前额叶和双侧颞叶氧合血红蛋白积分值与临床资料间进行相关性分析。结果CD组MoCA认知评分低于NC组(27分vs.30分,P<0.01);CD组各项焦虑及抑郁情绪量表评分高于NC组,SF-36生存质量量表各项评分低于NC组,各项量表评分均具有组间统计学差异(P<0.01)。CD组VFT期间双侧前额叶氧合血红蛋白积分值低于NC组[(56.36±39.09)mmol·mm vs.(132.70±64.27)mmol·mm,P<0.01],双侧颞叶氧合血红蛋白积分值低于NC组[(116.31±65.73)mmol·mm vs.(179.07±90.48)mmol·mm,P<0.01],任务态期间组词数少于NC组[(11.13±2.30)个vs.(12.97±3.26)个,P=0.03]。相关性分析发现,CD组双侧前额叶氧合血红蛋白积分值与临床资料间无相关性;双侧颞叶氧合血红蛋白积分值与SF-36生理职能评分间存在相关性(r=0.36,P=0.04),与其他临床资料间未见相关性。结论库欣病患者执行言语流畅任务时双侧前额叶及双侧颞叶大脑皮层激活程度降低,患者表现出认知功能受损、焦虑及抑郁情绪、生存质量下降,双侧颞叶氧合血红蛋白积分值与SF-36生理职能评分间呈现正相关。该项临床研究提示fNIRS技术可良好应用于库欣病患者脑功能实时监测与评估。

基于近红外光谱技术的气体浓度检测研究

气体浓度在各领域分析中具有重要意义,由于在气体浓度检测过程中,受光谱维度的影响导致检测结果出现较大的误差,为了降低在测量过程中产生的不利影响,提出基于近红外光谱技术的气体浓度检测研究。通过去势-标准正态变换,校正近红外光谱基线。联合广义S变换和奇异值分解共同去噪近红外光谱,提升光谱质量。基于主成分分析提出偏最小二乘降维法用于降维近红外光谱。以朗伯比尔定律为基础,引入Lorenz线性拟合近红外光谱吸收谱线,采用梯度下降法直接拟合预处理近红外光谱吸收信号,计算得到最终气体浓度检测结果。实验结果表明,所提方法在检测甲苯、丙烷和丙烯气体浓度时,检测结果与实际气体浓度基本一致,有效降低了残差平方和与均方根误差,且检测时间低于2.3 s。

功能性近红外光谱成像技术评估脑卒中患者上肢运动功能康复:任务态范式

功能性近红外光谱成像技术(fNIRS)是新兴的脑功能影像技术,通过检测大脑皮质血氧活动水平变化间接反映神经活动强度,适用于脑卒中康复评定与康复干预治疗领域的临床实践,但相关临床应用尚无标准化试验范式与技术指标。本文从方法学角度梳理fNIRS用于评估脑卒中患者上肢运动功能康复的常用任务态范式与指标。

利用近红外光谱技术检测固定化脂肪酶酶蛋白含量

利用近红外光谱技术检测固定化脂肪酶的酶蛋白含量,在获得近红外光谱数据后,分别用一阶导数、二阶导数、标准正态变量变换和多元散射校正4种不同预处理方法进行处理,获得最佳的光谱处理方法为标准正态变量变换。利用连续投影算法、竞争性自适应重加权算法、无信息变量消除算法3种不同的波长筛选算法获得特征波长,在此基础上分别用偏最小二乘法、支持向量机回归和BP神经网络3种建模方法建立近红外光谱模型,最终获得最佳的建模方法为标准正态变量变换-支持向量机回归,在此建模条件下,模型决定系数为0.9894,模型均方根误差为0.3178,模型交叉验证决定系数为0.9764,模型交叉验证均方根误差为0.3816,相对分析误差可达6.51。

基于近红外光谱技术的固体推进剂燃速模型化快速预估方法

利用近红外光谱技术建立了基于近红外光谱的固体推进剂燃速快速预估模型,通过波谱范围筛选和光谱预处理对模型进行优化,并采用内部验证和外部验证对该模型进行评价,验证模型的精密度及准确度。结果表明,基于近红外光谱技术的固体推进剂燃速快速预估模型测试时间约为2 min,燃速偏差范围为-0.122~0.067 mm/s,精密度测试相对标准偏差≤0.4%,准确度测试偏差-0.029~0.057 mm/s。该方法能够在药浆混合阶段快速预测固体推进剂的燃速,提供了一种简单快捷和稳定可靠的燃速测定新方法。

功能性近红外光谱技术应用于教育研究的国际文献综述——近十年研究图景与未来展望

近年来,功能性近红外光谱技术(functional Near-Infrared Spectroscopy,fNIRS)备受关注,也在推动着教育神经科学的发展。然而,目前国内外尚未有聚焦于fNIRS技术在教育领域应用的系统性综述研究。通过滚雪球的文献筛选方法,对近十年发表的81篇国际文献进行内容分析,并基于fNIRS技术的教育研究现状、方法、应用领域等方面进行系统性梳理,以期为教育神经科学实证研究提供技术应用的方法参考。分析发现:(1)目前在布鲁姆教育目标分类理论框架下,应用于认知领域的fNIRS研究占据主导,其中以语言研究最多,而情感领域尚有较大空白。(2)在大部分年龄段中,额叶脑区与其涉及的广泛的认知功能关联研究仍占主导。但对于3岁以下婴幼儿的研究则更多聚焦于语言功能、语音感知以及颞叶脑区的关联;对于4~6岁的学龄前儿童研究,多聚焦于执行功能以及额叶脑区。(3)在fNIRS设备方面,目前研究仍以非便携式设备为主,研究主题大多集中于语言功能,而使用便携式设备的研究主题广泛涵盖了认知、运动以及情绪领域。(4)在数据采集方面,60%以上的研究将fNIRS与行为数据结合分析,其中部分研究将fNIRS与EEG、ERP、眼动等其他生理数据采集技术进行融合分析,另30%左右未采集行为数据的研究重点关注3岁以下婴幼儿对象。(5)在研究范式方面,目前fNIRS实验多依赖心理学的实验范式,与实际教学环节仍然存在较大差异,但已有部分研究开发了基于自然主义、真实场景的研究范式,表明fNIRS在拓展生态效度方面具有潜力。总之,未来fNIRS的教育研究在真实教育情境任务开发、助力早期教育脑科学研究、教育教学活动监测评估以及基于多模态数据融合的学习分析等方面具有优势性前景。