多模態(tài)測量的介紹：腦電與近紅外成像等技術結合

多模態(tài)功能神經(jīng)成像測量是什么，為什么要使用多模態(tài)測量?
     “整體大于部分之和”希臘著名哲學家亞里士多德的這句話，闡述了多模態(tài)功能神經(jīng)成像技術的目的。對于常見的神經(jīng)科學應用來說，單一的功能神經(jīng)成像技術已經(jīng)足夠，但有些應用仍需要與多種成像方法結合使用。

       多模態(tài)功能神經(jīng)成像可以評估大腦活動的兩個甚至多個互補的特征，從而增加對大腦功能和行為更加深刻的認知[1]。功能性神經(jīng)成像的方法包括：測量神經(jīng)元的電活動，如腦電圖(EEG)或腦磁圖(MEG)，以及測量血流動力學的活動，如功能磁共振成像(fMRI)、正電子發(fā)射斷層掃描(PET)或功能近紅外成像(fNIRS)，多模態(tài)功能神經(jīng)成像則整合了神經(jīng)活動的不同測量模式,研究大腦的結構-功能特征[1]。

       這篇日志中主要討論了EEG與fNIRS結合的方法及應用，以及這種方法的優(yōu)勢。

EEG概述
       EEG是一種常見且廣泛使用的神經(jīng)成像技術，可以記錄腦電活動。EEG可在相對較高的采樣率下直接測量頭皮的腦電活動，具有時間分辨率高的優(yōu)點。EEG測量是非侵入式、經(jīng)濟便攜的神經(jīng)成像技術。

       TMSi公司的SAGA設備即為一款無線便攜式的EEG系統(tǒng)，支持32或64通道的EEG數(shù)據(jù)采集。SAGA系統(tǒng)獨有的專利技術，完美地規(guī)避了工頻干擾和運動干擾，適合各種不同環(huán)境下的測試。

fNIRS概述
       功能性近紅外成像(fNIRS)是用近紅外光評估皮層血流動力學活動的變化并測量大腦活動的技術[2]。和fMRI一樣，fNIRS可以測量大腦的血氧水平依賴性(BOLD)。但fMRI不但成本較高，還需要參與者在測量過程中保持不動，而fNIRS提供了一種低成本且便攜的解決方案，適合不同場景下的測量，并且在實驗中參與者可以進行自由的活動。與EEG相比，fNIRS測量的激活區(qū)域大約為1-2厘米，且fNIRS模式的空間定位程度更高[3]。
       
       Artinis公司的Oxymon設備即為一款fNIRS測量的成熟設備，它的發(fā)射光極采用了溫度穩(wěn)定的脈沖激光源，采樣率最高可達250Hz。但相比于單獨使用EEG或fNIRS技術，EEG-fNIRS可以更加準確地識別大腦皮層的激活區(qū)域。
 

EEG和fNIRS結合的優(yōu)勢
       EEG 和 fNIRS 技術攜帶了互補的大腦信息，所反映的潛在神經(jīng)元活動雖有不同但又密切相關。EEG-fNIRS結合的技術可通過刺激后大腦的電活動和血流動力學變化進一步探索神經(jīng)血管耦合的情況。此外，由于EEG和fNIRS的模式都是便攜的，因此研究設計和實際測量設置的內容都更加豐富，同時會對腦功能、心理認知活動方面有更深刻的認識。

可同步測量EEG和fNIRS的設備
       開發(fā)一種可將EEG和fNIRS測量相結合的設備，需要考慮EEG電極和fNIRS光極與受試者頭部的耦合情況、如何實現(xiàn)時間同步、以及測量過程中發(fā)生電干擾的可能[1]。因此，TMSi和Artinis公司合作研發(fā)了一種新型的電極&光極支架，可以在同一位置使用EEG電極和fNIRS光極，如圖為TMSi公司的環(huán)形電極結合Artinis公司的針狀平頭光極的形式。這個支架將EEG電極和fNIRS光極集成到了一個EEG-NIRS的系統(tǒng)中。
 

圖2:NIRS - EEG組合支架。左:EEG電極和fNIRS光極的等距俯視圖。右:EEG電極、fNIRS光極和EEG凝膠所在的等距底部視圖

EEG-fNIRS的應用領域
　　EEG-fNIRS結合后的應用領域十分廣泛，主要包括腦機接口(BCI)、超掃描、中風、帕金森病和癲癇的臨床研究等[1]。

EEG-fNIRS可作為監(jiān)測腦卒中患者輔助治療效果的工具[5]
       腦卒中的產(chǎn)生是由于腦部血管突然破裂或因血管阻塞導致血液不能流入大腦而引起腦組織損傷的疾病。陽極經(jīng)顱直流電刺激(tDCS)可以調節(jié)大腦皮層的神經(jīng)活動，產(chǎn)生腦血管反應(CVR)，從而識別受損的神經(jīng)血管耦合(NVC)功能[4]。

       這項研究中，Anirban Dutta等人提出以EEG-fNIRS測量作為監(jiān)測tDCS過程中CVR和NVC變化的方法。實驗招募了健康的受試者參與，所有受試者均接受了2 mA的tDCS,并進行了“在線”和“離線”的EEG-fNIRS測量，實驗設置如圖3所示。fNIRS測量使用Artinis公司的Oxymon MK III系統(tǒng)，它提供了高時間分辨率的連續(xù)腦氧合和血容量的監(jiān)測。
 
　　結果觀察到氧合血紅蛋白濃度在tDCS刺激的初始狀態(tài)下有降低趨勢，并伴隨著低頻帶(<10Hz)內平均功率譜能量的增加，如圖4所示。

　　A) 　　
　　B)  圖4：(A)2mA陽極HD-tDCS 開始10 min靜息狀態(tài)下的fNIRS數(shù)據(jù)(紅-O2Hb;藍-Hb)
　　  (B)2mA陽極HD-tDCS 開始10 min靜息狀態(tài)下原始C1(圖1中④位置)通道的EEG數(shù)據(jù)時頻分析

　　因此,基于EEG-fNIRS測量的方法用于監(jiān)測腦卒中患者的腦血流和神經(jīng)血管耦合的反應中是可行的。

結論
　　綜上，EEG和fNIRS結合的方法可以同時評估腦電活動和腦血流活動，有較高的應用價值。同時由于這兩種方法都是非侵入式，低成本，且便攜的，可為多種研究提供更多的可能性。Artinis公司提供多種fNIRS設備，用于EEG-fNIRS的組合方案設計。

相關設備簡介及關鍵技術參數(shù)
01 Artinis公司
Oxymon MK III系統(tǒng)
 

✦一款性能穩(wěn)定，用途廣泛，靈敏度高的fNIRS系統(tǒng)

✦可測量多達112個通道的腦組織氧合和血容量的變化，可輕松覆蓋全腦

✦與MRI兼容的光纖，使該設備可以在MRI內部使用，并且光信號不會與EEG、TMS、TES等技術產(chǎn)生干擾

02 Artinis公司
Brite MKII
 

✦一款靈活可穿戴，適用于各年齡段人群的fNIRS系統(tǒng)

✦兩臺Brite MKII設備可測量54通道的腦組織氧合和血容量的變化，覆蓋全腦

✦與TMS, EEG，TES等技術結合使用無干擾

✦多功率增益，每個發(fā)射光極提供4種不同的功率水平

✦光極間距范圍可調：10 mm-55 mm

03 Soterix medical公司
高精度經(jīng)顱電刺激 HD-tES
 

✦多個直徑小于12 mm的環(huán)形電極，實現(xiàn)了電流聚焦

✦與EEG，fMIRS，fNIRS等神經(jīng)影像學設備兼容

✦5通道、9通道、17/33通道高精度經(jīng)顱電刺激儀可選

✦選配可自動模擬電場在大腦皮層分布情況的軟件，優(yōu)化刺激方案

04 TMSi公司
SAGA設備

✦一款無線可穿戴式結合了多導生理數(shù)據(jù)包括肌電、皮電、皮溫、呼吸、脈搏、加速度，血氧等采集的EEG系統(tǒng)

✦規(guī)避了工頻干擾和運動干擾對研究的影響

✦32或64通道單極EEG輸入，2個雙極雙輸入和3個三路輔助輸入加一個數(shù)字輸入

參考文獻
[1]. Uchitel J, Vidal-Rosas EE, Cooper RJ, Zhao H. Wearable, Integrated EEG-fNIRS Technologies: A Review. Sensors (Basel). 2021;21(18):6106. Published 2021 Sep 12. doi:10.3390/s21186106

[2]. Boas DA, Elwell CE, Ferrari M, Taga G. Twenty years of functional near-infrared spectroscopy: introduction for the special issue. Neuroimage. 2014;85 Pt 1:1-5. doi:10.1016/j.neuroimage.2013.11.033

[3]. Wilcox T, Biondi M. fNIRS in the developmental sciences. Wiley Interdiscip Rev Cogn Sci. 2015;6(3):263-283. doi:10.1002/wcs.1343

[4]. Nitsche, M. A., and Paulus, W., Excitability changes induced in the human motor cortex by weak transcranial direct current stimulation.J. Physiol. 527(Pt 3):633–9, 2000.

[5]. Development of an EEG-fNIRS based online monitoring tool towards delivery of non-invasive brain stimulation. 36th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC’14). Chicago (2014).