功能近红外光谱（fNIRS）中氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白信号可靠性的对比研究——基于手指运动任务的全局均值去除效应分析

一、作者及发表信息

本研究由Swethasri Dravida（耶鲁大学医学院神经科学跨学科项目）、Jack Adam Noah、Xian Zhang和Joy Hirsch（耶鲁大学精神病学系、神经科学系等）合作完成，发表于Neurophotonics期刊2017年第5卷第1期（DOI: 10.¹¹¹⁷⁄₁.NPh.5.1.011006）。

二、学术背景

科学领域：该研究属于神经影像学与生物医学工程交叉领域，聚焦功能近红外光谱（fNIRS）技术的信号可靠性问题。
研究动机：fNIRS因其无创、低成本的优势，在临床应用（如治疗前后神经活动监测）中潜力巨大，但信号可靠性与特异性尚未充分解决。既往研究表明，氧合血红蛋白（oxyHb）与脱氧血红蛋白（deoxyHb）信号受系统性生理噪声（如血压波动）干扰程度不同，可能影响对真实神经活动的解读。
研究目标：比较手指运动任务中，oxyHb与deoxyHb信号在全局均值去除（空间滤波）前后的测试-重测可靠性，并探讨信号类型、任务设计对可靠性的影响。

三、研究流程

1. 实验设计

• 测试-重测实验：

  • 参与者：14名右利手健康成人（年龄26.9±9.5岁），连续2天完成4项右手手指运动任务（压力球挤压、单指敲击、双指敲击、数字提示序列敲击）。
    
  • 信号采集：使用Shimadzu LABNIRS系统（105通道全头覆盖），波长780/805/830 nm，采样率1Hz。通过3D数字化仪定位通道至标准MNI空间。
    
  • 信号处理：
    
  • 原始数据：基于修正比尔-朗伯定律转换为血红蛋白浓度，经小波去趋势和多项式基线校正。
    
  • 空间滤波：采用主成分分析（PCA）结合高斯高通滤波器去除全局系统性噪声（假设神经活动局限于对侧运动皮层）。
    

• 纵向实验：

  • 参与者：2名受试者连续10天重复相同任务，验证信号衰减模式与系统噪声的关系。
    

2. 数据分析

• 统计方法：
  
  • 组水平分析：采用SPM8和广义线性模型（GLM）生成任务vs静息对比图。
    
  • 可靠性评估：通过类内相关系数（ICC）量化测试-重测一致性，选择左侧运动皮层ROI内β值最大的通道进行分析。
    
• 特殊方法：
  
  • 通道配准：非线性插值法将个体通道坐标归一化至MNI空间，确保跨日数据可比性。
    
  • 纵向衰减分析：回归斜率检验判断10天内β值变化趋势。

四、主要结果

1. 信号可靠性对比：

   • oxyHb的ICC显著高于deoxyHb（全局均值去除前：0.7659 vs 0.6188），提示其更稳定，但空间特异性较低。
     
   • 空间滤波后，两种信号可靠性均下降（oxyHb ICC从0.7659降至0.6588；deoxyHb从0.6188降至0.5020），表明系统性成分可能提高重复性。
     

2. 神经活动的空间特异性：

   • deoxyHb信号在原始和滤波数据中均表现为更局灶的运动皮层激活（图2），而oxyHb的空间滤波显著减少非任务相关区域的广泛激活。
     

3. 纵向实验结果：

   • 高可靠性任务（数字提示序列）：1名受试者显示oxyHb与deoxyHb信号的显著衰减（斜率检验p<0.05），符合神经适应性假设。
     
   • 低可靠性任务（压力球挤压）：无显著衰减，提示系统噪声可能掩盖神经信号变化。
     

4. 任务依赖性差异：认知成分较高的任务（如数字提示）在滤波后deoxyHb信号中表现出更高可靠性（ICC=0.6264），可能反映更纯净的神经响应。

五、结论与价值

科学意义：
- 揭示了fNIRS信号可靠性的双重性：oxyHb的高可靠性可能源于系统噪声的“伪稳定性”，而deoxyHb的低可靠性反映其对神经活动的敏感性和抗干扰性。
- 推动fNIRS方法学优化，强调需根据研究目标权衡信号类型与滤波策略。

应用价值：
- 为临床纵向研究（如康复疗效评估）提供方法学依据：若关注神经活动特异性，应优先选择deoxyHb；若需稳定性，oxyHb更优但需谨慎解读。

理论贡献：
- 首次系统量化全局均值去除对信号可靠性的影响，提出系统噪声可能“虚假放大”重复性指标的重要观点。

六、研究亮点

1. 创新性设计：结合测试-重测与纵向实验，多维度验证信号可靠性。
   
2. 方法学 rigor：通过通道配准和空间滤波的严格对比，明确噪声与神经信号的分离策略。
   
3. 任务特异性发现：揭示任务认知负荷对信号质量的影响，为实验范式设计提供指导。
   

七、其他价值

附录中提供了详细的组水平激活坐标（表3-4）及任务对比图（图4-7），为后续研究提供数据基准。研究数据公开共享，符合可重复性标准。

总结：本研究为fNIRS在运动神经机制研究与临床应用中的信号选择和处理提供了关键证据，奠定了后续方法学优化的基础。