fNIRS分时与分频采集技术讲清楚

• 分频是近红外的第二代技术，干扰大且无法避免
  
  
• 分时是近红外的新的第三代技术，无干扰！
  

通道串扰问题 

目前主流fNIRS成像系统，往往涉及数十个探头与拓扑排布的数十甚至上百个通道，系统复杂度越来越大，其中最重要问题之一的就是通道串扰问题。

▲ 图1 探头、通道与串扰的关系示意

如图1所示，只有红色标识的连线是有效的目标通道；而大量的灰黑色连线代表串扰噪声来源。进一步的，我们关注S1-D1通道时，对于该通道，只有光源S1发射且经过组织散射吸收后被探测器D1接收到的信号才是包含该通道对应下方脑活动信息的有效信号。如果D1接收S2、S4以及其他光源S的信号，对于S1-D1通道来说，就是无效信号的串扰干扰。

大量串扰干扰信号的存在会导致各通道无法独立、有效、准确地反映出真实脑区活动信息。

分频采集技术的原理

▲ 图2 分频原理示意

分频方法采用调制不同频率的光信号，混杂在一起同时点亮，再由接收端一起接收。如图2所示，信号先天的在硬件上杂乱地混在一起，无论怎样通过软件尝试还原，该方法从技术原理上就不可避免大量的信号串扰。这就和分频原理的收音机和对讲机总是会出现杂音、串台一样。

　　▲ 图3 所有通道的光同时发射同时接收，信号混杂在一起，串扰无法避免

分时采集技术的原理

▲ 图4 分时原理示意图

分时采集的方法，每个通道（S）光源非常快地依次点亮和切换，同一时刻，只有目标光源和目标探测器在工作；绝对避免通道间的串扰！是零串扰的方法。

如图4所示，各通道会按照采样频率设置依次进行fNIRS信号采集，相邻的光源切换极快，远远快于血氧信号的变化。由于分时间隔极其小，足够快，在毫秒尺度，所以不影响对血氧信号的同步获取。大脑皮层毛细血管的血氧浓度变化信号，受氧代谢和血流动力学影响，是一个秒级缓慢变化的信号，因而毫秒尺度的快速采样不影响同步。

▲ 图5 任一时刻仅有一个通道发射接收，没有串扰！

分频是第二代技术，干扰大且无法避免；

分时是新的第三代技术，无干扰；

近红外分时技术的采样频率是11Hz，也就是每秒采样11次。即使功能磁共振fMRI信号，即BOLD信号（1~2秒扫一张图，约0.5~1Hz），也可以准确反应脑氧活动（BOLD和fNIRS一样，都检测的是血氧活动的氧气载体：血红蛋白）的时间变化情况。fNIRS目前选用10Hz左右的采样频率，是fMRI采样率10到20倍，对于脑血氧已充分快了。这也是为什么目前国内外品牌机型都采用的是10Hz左右的采样率。