表面近紅外光譜 (NIRS) 測量互易信息提高任務功能磁共振成像的靈敏度

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 研究背景

功能磁共振成像 (fMRI)在臨床研究中具有廣泛的用途。fMRI 信號的一個主要問題是在低頻范圍 (<0.15 Hz) 中存在全身生理波動，這顯著降低了任務誘導的對神經(jīng)元激活的血流動力學反應的檢測能力。在本研究中，我們評估了一種簡潔且計算效率高的方法，該方法通過考慮整個腦血管系統(tǒng)中的動態(tài)，從任務 fMRI 信號中去除系統(tǒng)性低頻振蕩 (sLFO)。此研究利用與近紅外光譜 (NIRS) 同時記錄指間HBO信息，并將檢查 a) 功能對比度噪聲比 (CNR)、b) 靈敏度和 c) 特異性的改進由此產(chǎn)生的 fMRI 激活圖在單個主題和組級別。

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研究方法
 

2.1、被試

共8名有效被試被招募，其中男性5名，女性3名。
 

2.2、實驗材料

實驗包含視覺刺激，但無具體描述。
 

2.3、實驗過程

被試者先完成靜息態(tài)掃描，隨后是 4 分鐘的連續(xù)減法實驗和五次 3 分鐘的視覺刺激接收，間隔 2 分鐘的休息。
 

2.4、數(shù)據(jù)采集和處理

MRI數(shù)據(jù)由 Siemens TIM Trio 3T 掃描儀采集。NIRS數(shù)據(jù)使用 ISS Imagent（ISS, Inc., Champaign, IL）在 690 和 830 nm 處以 25 Hz 采集速率連續(xù)記錄。在 fMRI 掃描期間，具有 MRI 兼容光纖的近紅外掃描儀（Imagent, ISS, Inc., Champaign, IL）同時運行。NIRS 數(shù)據(jù)通過放置在右指尖和覆蓋右前額葉皮層區(qū)域的前額上的探針收集。指尖探頭的源-檢測器距離為 1.5 cm。NIRS 數(shù)據(jù)以 6.25 Hz 的采樣率和兩個波長（690 和 830 nm）收集。在后處理步驟和帶通濾波至 0.01-0.2 Hz 的過程中，NIRS 信號被轉(zhuǎn)換為氧合血紅蛋白 (HBO) 和脫氧血紅蛋白 (HBR) 濃度變化的時間序列。

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實驗結(jié)果

延遲的指尖 HBO 信號更好地解釋了 fMRI 信號的時間方差（p<0.05），相對于零滯后 HBO 信號的平均附加解釋方差為 8%（圖1A）。最佳延遲指尖 NIRS HBO 信號的解釋方差得到改善，尤其是在大腦皮層的大量灌注區(qū)域和大血管，如上矢狀竇和側(cè)竇。該結(jié)果表明，對外周 NIRS-HBO 回歸器應用最佳延遲允許調(diào)整每個體素中的血液到達。與激活掩碼外的體素相比，指尖 NIRS-HBO 信號的時間延遲處理從激活掩碼內(nèi)的體素時間序列中去除了更多差異（圖1B-C）

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結(jié)論

考慮系統(tǒng)性低頻噪聲相對到達的時間延遲對于從 fMRI 數(shù)據(jù)中最佳去除噪聲至關(guān)重要。RIPTiDe 方法可以表征任何輸入生理噪聲建模回歸器的體素特定時間延遲

Erdoğan, S.B., Tong, Y., Hocke, L.M., Lindsey, K.P. and Frederick, B.D.B., 2017, May. Improving sensitivity of task-iMRI by use of reciprocal information from peripheral near infrared spectroscopy (NIRS) measurements. In 2017 25th Signal Processing and Communications Applications Conference (SIU) (pp. 1-5). IEEE.

無DOI