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掀开fNIRS采样率的“红盖头”

发表时间: 2022-10-12 13:34:58

作者: 丹阳慧创医疗设备有限公司

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近红外脑功能成像的采样率10HZ左右,是最合适的!

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一、采样率是原信号频率的2倍以上就足够了!


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用采样的办法来还原一段原始信号的发明者是美国物理学家奈奎斯特,这种办法叫做“奈奎斯特定律”。

二、人类生理信号的频率区间

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三、fNIRS采样率的历史沿革

血氧信号变化缓慢(其频率通常低于0.15Hz)[1],根据奈奎斯特采样定律,最早开始于20世纪90年代的功能近红外成像发明人Chance, B.,教授等人的实验研究,使用采样率3Hz的设备就可得到个体在完成认知任务时,脑部的血氧浓度会发生改变的结果[2]

由于近红外采集的原始信号中包含了相对较快的心跳信号,为了避免心跳等信号对脑氧信号的干扰,根据信号采样理论要求,采样率需达到4Hz或以上就行[3]。工程实践中把倍率额外设置到3到5倍作为富裕量,也就是到10Hz左右就足够了。这也就是为什么大多数国内国外的近红外仪器厂商的典型采样率大致都在10Hz左右。

四、过高的采样率没有意义,但人们习惯觉得“越高越好”

作为临床金标准的fMRI(功能核磁)采样率是1HZ以下,可对血氧信号进行成像。Henson等人[4]就使用了采样率为1Hz的fMRI发现大脑不同区域对统一认知功能的反应是不同的。

吴婷等人[5]也认为采样率为1Hz的fMRI可有效定位癫痫灶,并显示癫痫波的分布特点。

Alipourfard等人[6]的EEG与fNIRS的多模态研究发现,8Hz的采样率就可使fNIRS在联用研究中采集到质量良好的数据。

过高fNIRS设备采样率并不能给信号的获取带来额外的信息和价值,也不能提高数据质量,反而会导致传输量激增,带来数据处理方面的困难[7]。(P017 ~ P018页)

这都可以从学术界证实,血氧信号的采集并不是采样率越高越适合。

五、防止用软件插值法“障眼”,虚增采样率的“行为艺术” 

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由上图可见“插值”没有意义,是“注水”后的伪采样率!

怎样判断是真实采样率还是伪采样率呢?在国际电工委员会的标准IEC 80601-2-71:2015《医用电气设备 第2-71部分:功能性近红外光谱(NIRS)设备的基本安全和基本性能专用要求》中有专门的测试办法,专业人士可检索并验证。

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六、近红外脑功能成像采样率10Hz左右,是最合适的!

就拿新冠抗疫全民测核酸来打个比喻吧,新冠病毒在人体的潜伏周期是3天左右,所以核酸检测的采样率是“三天两检”足够了!如果有人说3天要提高采样率到50次甚至100次则更能有效发现病毒,您会同意吗?

参考文献:

[1] Josephs O, Henson R. Event-related functional magnetic resonance imaging: modelling, inference and optimization[J]. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 1999.
[2] Chance, B., Zhuang, et al. Cognition-activated low-frequency modulation of light absorption in human brain [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 1993.
[3] Jerri A J. The Shannon sampling theorem - Its various extensions and applications: A tutorial review [J]. IEEE Proceedings, 1977, 65.
[4] Henson R N A, Rugg M D, Shallice T, et al. Recollection and Familiarity in Recognition Memory: An Event-Related Functional Magnetic Resonance Imaging Study[J]. Journal of Neuroscience, 1999, 19(10):3962-3972.
[5] 吴婷, 刘宏毅. 脑磁图在神经外科术前定位的研究进展[J]. 现代电生理学杂志, 2011, 18(002):102-105.
[6] ALIPOURFARD B, GAO J X, BABAWALE O, et al. Is EEG causal to fNIRs? [J]. 2016 IEEE International Conference on Bioinformatics and Biomedicine (BIBM), 2016.
[7] 朱朝喆. 近红外光谱脑功能成像 [M]. 北京: 科学出版社, 2020.
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