기능성 근적외선 분광기

기능성 근적외선 분광기(fNIRS)는 근적외선 분광기를 기능 신경영상화 목적으로 사용하는 광학 뇌 모니터링 기법이다.^[1] fNIRS를 이용해 근적외선을 이용해 뇌 활동을 측정해 신경 활동에 반응해 발생하는 피질 혈류역학 활동을 추정한다. EEG와 함께, fNIRS는 휴대용 컨텍스트에서 사용될 수 있는 가장 일반적인 비침습적 신경영상화 기술 중 하나이다. 이 신호는 종종 fMRI에 의해 측정된 BOLD 신호와 비교되며 옥시 및 디옥시헤모글로빈 농도 모두의 변화를 측정할 수 있지만 ^[2]피질 표면 근처의 영역에서만 측정할 수 있다. fNIRS는 광학 지형(OT)이라고도 하며 NIRS라고도 간단히 언급되기도 한다.

설명

fNIRS는 근적외선 광선 흡수 변화로 인한 헤모글로빈의 농도를 추정한다. 빛이 머리를 통해 움직이거나 전파될 때, 빛이 이동하는 조직에 의해 번갈아 흩어지거나 흡수된다. 헤모글로빈은 근적외선 빛의 상당한 흡수제이기 때문에 흡수된 빛의 변화를 사용하여 헤모글로빈 농도의 변화를 신뢰성 있게 측정할 수 있다. 다른 fNIRS 기법도 빛이 전파되는 방식을 사용하여 혈액량과 산소를 추정할 수 있다. 이 기술은 안전하고 침습적이지 않으며 다른 영상 촬영 양식과 함께 사용할 수 있다.

fNIRS는 근적외선(NIR) 광 감쇠 또는 일시적 또는 단계적 변화 측정에서 분해된 색소포레 농도의 정량화를 포함하는 비침습적 영상법이다. 이 기술은 (a) 피부, 조직, 뼈 등이 대부분 NIR 빛에 투명하고(700~900nm 스펙트럼 간격) (b) 헤모글로빈(Hb)과 탈산성 헤모글로빈(deoxy-Hb)이 빛의 강력한 흡수제인 광학 창을 활용한다.

적외선이 뇌 조직과 상호 작용하는 6가지 다른 방법이 있다: 직접 전송, 확산 전송, 지정 반사, 확산 반사, 산란, 흡수. fNIRS는 주로 흡수에 초점을 맞춘다: 디옥시-Hb와 옥시-Hb의 흡수 스펙트럼의 차이는 헤모글로빈의 상대적 변화를 측정할 수 있다. 다중 파장에서 광 감쇠의 사용을 통한 집중 2개 이상의 파장을 선택하며, 1개 파장은 810nm의 등가점 위와 아래에 1개 파장을 가진다. 이 파장은 doxy-Hb와 oxy-Hb의 흡수 계수가 동일하다. 수정된 Beer-Lambert 법칙(mBLL)을 사용하면 총 광자 경로 길이의 함수로 농도의 상대적 변화를 계산할 수 있다.^[3]

그래서 녹화된 측정back-scattered(반영) 가벼운 다음 타원형 경로 때문이다 일반적으로, 그 빛은 방사체와 검출기는 과목의 두개골에 ipsilaterally( 같은 면에 각 emitter/detector 한쌍) 놓여 있다.[4]fNIRS 가장 가장 가까운 scalp[5]고 이런 표면적인 유물 촉에게 발생한다 혈류 역학의 변화에 민감하다.e 광원에 더 가까운 추가 광원 검출기(단거리 검출기)를 사용하여 취급하는 경우가 많다.^[6]

수정 맥주-램버트 법칙

광도의 변화는 수정된 Beer-Lambert 법칙(mBLL)을 통한 헤모글로빈의 상대 농도 변화와 관련이 있을 수 있다. Beer lambert-law는 헤모글로빈의 농도를 다루어야 한다. 이 기법은 또한 헤모글로빈 농도 변화를 정량화하기 위해 mBLL을 사용할 뿐만 아니라 빛 감쇠의 상대적 변화를 측정한다.^[7]

기본 기능 적외선 분광기(fNIRS) 약어 BFi = 혈류 지수 CBF = 뇌혈류 CBV = 뇌혈량 CMRO2=산소의 대사율 CW= 연속파 DCS = 분산 상관 분광법 FD = 주파수 영역 Hb, HbR= 탈산 헤모글로빈 HbO, HbO2=산소화 헤모글로빈 HbT= 총 헤모글로빈 농도 HGB = 혈액 헤모글로빈 SaO2=동맥 포화도 SO2= 헤모글로빈 포화도 SvO2=정맥 포화도 TD=시간 도메인

역사

미국&영국

1977년, 요브시스는^[8] NIR 빛에 대한 뇌조직의 투명성이 투과성을 이용한 비침습적이고 지속적인 조직 산소 포화 방법을 허용한다고 보고했다. 경량화(전방 비산)는 가벼운 감쇠로 인해 성인에게 제한된 효용성을 가지며 반사 모드 기반 기법으로 빠르게 대체되어 NIRS 시스템의 개발이 빠르게 진행되고 있다. 그 후 1985년까지 뇌산소화에 대한 첫 연구가 M에 의해 실시되었다. 페라리. 이후 1989년, University College London의 David Delpy와 함께 한 작업에 이어, 하마마츠가 최초의 상업용 NIRS 시스템인 NIRS-1000 뇌산소화 모니터를 개발했다. NIRS 방법은 1990년대에 뇌산소측정법에 처음 사용되었다. 1993년, 챈스 외 4개의 출판물. PNAS, Hoshi & Tamura J Appl Physiol, Kato 등. JCBFM, 빌링거 외 알 노이로스. 레트는 성인 인간에게 fNIRS의 실현 가능성을 보여주었다. NIRS 기술은 랜달 바버, 브리튼 찬스, 아르노 빌링거, M. Cope, D.의 작업에 의해 더욱 확장되었다. T. Delpy, Enrico Gratton 등. 현재 웨어러블 fNIRS가 개발되고 있다.

일본.

한편, 80년대 중반, 히타치 주식회사의 중앙 연구소의 일본 연구자들은 70 피코초 광선의 맥박을 이용한 NIRS 기반의 뇌 감시 시스템 구축에 착수했다. 이 같은 노력은 1995년 1월 대표 전문가인 고이즈미 히데아키 박사(小澤一郞)와 함께 '광학지형'의 원리를 발표하는 공개 심포지엄을 열면서 빛을 보게 됐다. 실제로 '광학적 지형'이라는 용어는 '1차원 정보와 결합된 2차원 지도화' 즉, 지형에 빛을 사용한다는 개념에서 유래한다. 2001년 주파수영역을 기반으로 한 최초의 fNIRS(또는 광학지형, 이른바 광학지형) 장치인 히타치 ETG-100을 출시하는 데 성공한 발상이었다.이후 나고야대 박사학위 취득 예정자인 오이시 하루미(大石石美)가 2003년 '언어 학습자의 피질 활성화 패턴'을 주제로 박사학위 논문을 발표했다. 키노시타 도루 교수(木下 微)의 감독 하에 ETG-100"으로 측정하여 fNIRS 사용에 대한 새로운 전망을 제시한다. 그 회사는 그 이후로 ETG 시리즈를 발전시켜 왔다.

분광기법

현재 fNIR 분광학에는 다음과 같은 세 가지 양식이 있다.

1. 연속파

2. 주파수 영역

3. 타임 도메인

연속파

연속파(CW) 시스템은 주파수와 진폭이 일정한 광원을 사용한다. 실제로 mBLL로 HBO 농도의 절대 변화를 측정하기 위해서는 광자 경로 길이를 알아야 한다. 그러나 CW-fNIRS는 광자 경로 길이에 대한 지식을 제공하지 않기 때문에 HbO 농도의 변화는 알 수 없는 경로 길이에 상대적이다. 많은 CW-fNIRS 상용 시스템은 헤모글로빈 농도의 대략적인 절대 정량화를 위해 컴퓨터화된 몬테카를로 시뮬레이션과 물리적 모델에서 도출된 광자 경로 길이 추정치를 사용한다.

${\displaystyle {\text{OD}=\operatorname {log} _{10}(I_{0}/I)=\epsilon \cdot [X]\cdot l\cdot {\text{DPF}+G}$

${\displaystyle \text{OD}}$ ${\$$text${$OD}}$은 광학 밀도 또는 감쇠, ${\displaystyle {I\mathrm{}}_{}}$ 0 ${\$은$($는) 발광 강도$,$ I {\$displaystyle$ I}은$$(는$)$ 측정 광도, $ϵ{\displaystyle }$ ${\$$displaystyle \epsilon}$은$($는) 감쇠 계수$,{\displaystyle }$ [${\displaystyle X}$]는$$색소포모어 $농도$, l$}$은 distance이다.e 소스 및 디텍터와 ${\displaystyle \text{DPF}}$ 사이 ${\$$PF}}$은 차등 $경로{\displaystyle }$ 길이 인자, G ${\디스플레이$ 스타일 $G}$은 산란과 관련된 기하학적 인자다.

감쇠 계수 $ϵ{\displaystyle }$ ${\displaystyle \epsilon }$이(가) 알려진$$ 경우, 일정한 산란 손실이 가정되고, 측정치가 시간 내에 차등 처리되면 방정식은 다음과 같이 감소한다.

${\displaystyle \Delta [X]=\Delta {\frac {\text{OD}{\epsilon d}}$

여기서 $d{\displaystyle }$ ${\displaystyle d}$은(는) 총 보정된 광자 경로 길이입니다.

이중 파장 시스템을 사용하여 HbO와₂ Hb에 대한 측정은 행렬 방정식을 통해 해결할 수 있다.^[9]

${\displaystyle {\pmatrix}\델타 {\text{OD}_{\lambda _{1}\\\Delta {\text{OD}}_{\lambda _{2}}\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}\epsilon _{\lambda _{1}}^{\text{Hb}}d&\epsilon _{\lambda _{1}}^{{\text{HbO}}_{2}}d\\\epsilon _{\lambda _{2}}^{\text{Hb}}d&\epsilon _{\lambda _{2}}^{{\text{HbO}}_{2}}d\end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}\델타 [X]^{\text{Hb}}\\Delta [X]^{\text{HbO}}_{2}}\end{pmatrix}}}}$

CW-fNIRS는 단순성과 비용 효율성 때문에 제작 비용이 가장 저렴하고 더 많은 채널과 함께 적용 가능하며 높은 시간적 분해능을 보장하기 때문에 기능적 NIRS의 가장 보편적인 형태다. 그러나 흡수변화와 산란변화를 구분하지 않고 절대흡수값을 측정할 수 없으며, 이는 HbO농도의 상대변화에만 민감하다는 것을 의미한다.

그럼에도 불구하고 CW 기반 기기의 단순성과 비용 효율성은 신생아 치료, 환자 모니터링 시스템, 광학 단층 촬영 확산 등 여러 임상 애플리케이션에 가장 유리한 것으로 입증된다. 게다가 휴대성 덕분에 무선 CW 시스템이 개발되어 보행, 임상 및 스포츠 환경에서 개인들을 감시할 수 있게 되었다.^{[10] [11][12]}

주파수 영역

주파수 영역(FD) 시스템은 100MHz에 가까운 주파수에서 진폭 변조 사인파(Synuse)를 제공하는 NIR 레이저 소스로 구성된다. FD-fNIRS는 조직을 통과하는 감쇠, 위상 편이 및 빛의 평균 경로 길이를 측정한다. FD-fNIRS의 일부인 Multi-Distance는 피부색상의 차이에 둔감해 피사체 변동에 상관없이 일정한 결과를 준다.

백스캐터 신호의 진폭과 위상의 변화는 조직의 흡수 및 산란 계수를 직접 측정하여 광자 경로 길이에 대한 정보의 필요성을 없애주고, 계수를 통해 혈류역학 파라미터의 농도 변화를 결정한다.

페이식 측정뿐만 아니라 변조된 레이저가 필요하기 때문에 FD 시스템 기반 장치는 CW 기반 장치보다 기술적으로 더 복잡하다(따라서 더 비싸고 훨씬 덜 휴대할 수 있다). 그러나 이 시스템은 HbO와 HbR의 절대 농도를 제공할 수 있다.

타임 도메인

TD(Time Domain) 시스템은 펄스 길이의 짧은 NIR 펄스를 보통 피코초(약 70ps) 순서로 도입한다. 비행 시간 측정을 통해 광자 경로 길이를 광속으로 나누어 직접 관찰할 수 있다. 혈류역학적 변화에 대한 정보는 백스캐터 신호의 감쇠, 붕괴 및 시간 프로파일에서 확인할 수 있다. 이 광자 카운팅 기술은 100펄스마다 1광자를 세어 선형성을 유지한다. TD-fNIRS는 샘플링 속도가 느릴 뿐 아니라 제한된 파장 수를 가지고 있다. 광자 계수 장치, 고속 검출기, 고속 방출기의 필요성 때문에 시간 분해 방법이 가장 비싸고 기술적으로 복잡하다.

TD 기반 기기는 완전히 움직이지 않고, 공간이 많이 소요되며, 만들기 가장 어렵고, 가장 비싸고, 가장 무겁다. 그럼에도 불구하고, 그들은 가장 높은 깊이 민감도를 가지고 있으며, 가장 정확한 기준 헤모글로빈 농도와 산소화 값을 제시할 수 있다.

분산상관분광법

확산 상관 분광학(DCS) 시스템은 국부적인 경사를 광 감쇠에 사용하여 옥시-Hb와 디옥시-Hb의 절대 비율을 결정한다. 공간 측정을 사용하여 DCS 시스템은 이러한 계산을 위해 광자 경로 길이에 대한 지식이 필요하지 않지만, 측정된 옥시-Hb와 디옥시-Hb의 농도는 매체에서 알 수 없는 산란 계수에 상대적이다. 이 기법은 조직 산소화 지수(TOI) 또는 조직 포화 지수(TSI)를 보고하는 뇌산소 측정 시스템에서 가장 일반적으로 사용된다.^[13]

시스템 설계

적어도 두 개의 오픈 소스 fNIRS 모델이 온라인으로 제공된다.

• http://www.opennirs.org
• https://openfnirs.org/

데이터 분석 소프트웨어

HOMER3

HOMER3는 사용자가 두뇌 활성화의 추정치와 지도를 얻을 수 있도록 한다. fNIRS 데이터 분석에 사용되는 매트랩 스크립트 세트다. 이 스크립트 세트는 1990년대 초반부터 Photon Migration Imaging 툴박스를 시작으로 HOMER1과 HOMER2, 그리고 지금은 HOMER3로 진화해왔다.^[14]

NIRS 도구 상자

그것은 가장 최근의 것이다. 이 툴박스는 기능성 근적외선 분광기(fNIRS) 분석을 위한 Matlab 기반 툴 세트다. 이 툴박스는 +nirs 네임스페이스를 정의하며, fNIRS 데이터의 신호 처리, 표시 및 통계를 위한 일련의 도구를 포함한다. 이 툴박스는 Matlab 클래스와 네임스페이스의 객체 지향적 프레임워크를 기반으로 제작되었다.^[15]

아틀라스뷰어

AtlasViewer는 뇌의 모델에서 fNIRS 데이터를 시각화할 수 있도록 한다. 또한, 사용자가 탐침을 설계할 수 있도록 해주며, 탐침은 결국 피사체에 배치될 수 있다.^[16]

적용

브레인-컴퓨터 인터페이스

fNIRS는 뇌-컴퓨터 인터페이스 시스템의 제어신호로 성공적으로 구현되었다.^{[17][18][19][20][21]}

저산소증 및 고도 연구

산소에 대한 우리의 지속적인 요구와 함께, 우리 몸은 산소 농도를 감지하는 여러 메커니즘을 개발했고, 이것은 저산소증에 대항하기 위한 적절한 반응을 활성화하고 더 높은 산소 공급을 발생시킬 수 있다. 더욱이 산소 결핍에 대한 신체 반응의 기초가 되는 생리학적 메커니즘을 이해하는 것은 매우 중요하며, NIRS 장치는 이 연구 분야에서 훌륭한 도구임을 보여주었다.^[22]

브레인 매핑

기능 연결

기능 연결을 계산하는 데 fNIRS 측정을 사용할 수 있다. 다채널 fNIRS 측정은 공간적으로 분리된 사건들 사이의 시간적 상관관계를 분석할 수 있는 신경 활성화의 지형도를 만든다. 기능 연결성은 일반적으로 공간적으로 별개의 관심 영역(ROI)의 혈류역학적 반응 사이의 상관관계로 평가된다. 뇌 연구에서 기능 연결 측정은 일반적으로 자극 패러다임을 통해 기록된 데이터뿐만 아니라 휴식 상태 환자 데이터에 대해 수행된다. fMRI와 관련하여 fNIRS의 저비용, 휴대성 및 고임시 분해능은 이러한 성격의 연구에 매우 유리하다는 것이 입증되었다.^[23]

뇌산소측정법

NIRS 모니터링은 여러 가지 면에서 유용하다. 임신 전 유아는 활동 패턴이 다른 뇌 저산소증과 과산소증을 감소시키는 것을 감시할 수 있다.^[24] 심폐 우회술은 효과적인 치료법이며, 환자 결과를 개선하고 비용을 절감하며 체류를 연장하는 것이 유력하게 검토되고 있다.

외상성 뇌손상 환자에 대한 NIRS 사용에 대한 결론에 이르지 못한 결과가 있어 연구 도구로 남아야 한다는 결론이 나왔다.

확산 광학 단층 촬영

디퓨즈 광학 단층 촬영은 디퓨즈 광학 이미징의 3D 버전이다. 확산 광학 영상은 NIRS 또는 형광 기반 방법을 사용하여 얻는다. 이 이미지들은 디퓨즈 광학 단층 촬영이라고 알려진 3D 형체 모델을 개발하는 데 사용될 수 있다.[1]

fNIRS 캡

fNIRS 전극 위치는 국제 10-20 시스템에서 지정한 명칭과 위치뿐만 아니라 각 위치 간 30mm 거리를 일관되게 유지하도록 특별히 최적화된 다른 레이아웃을 포함하여 다양한 레이아웃을 사용하여 정의할 수 있다. 전극의 표준 위치 외에도 짧은 분리 채널을 추가할 수 있다. 짧은 분리 채널을 통해 두피 신호를 측정할 수 있다. 짧은 분리 채널은 두피에서 나오는 신호를 측정하기 때문에 피상층의 신호를 제거할 수 있다. 이것은 실제 뇌 반응 뒤에 남겨둔다. 짧은 분리 채널 검출기는 보통 소스에서 8mm 떨어진 곳에 배치된다. 검출기와 같은 방향 또는 특정 방향에 있을 필요는 없다.^[25]

기능성 신경영상화

기능적 신경영상법으로 fNIRS를 사용하는 것은 혈액역학적 반응 또는 혈액-산소 수준 의존성(BOLD) 반응이라고도 하는 신경-혈관 커플링의 원리에 의존한다. 이 원리는 또한 fMRI 기법의 핵심을 형성한다. 신경-혈관 결합을 통해 신경활동은 국소화된 뇌혈류에서 관련된 변화와 연계된다. fNIRS와 fMRI는 유사한 생리학적 변화에 민감하며 종종 비교방법이다. fMRI와 fNIRS에 관한 연구는 인지 작업에서 높은 상관관계를 보여준다. fNIRS는 fMRI에 비해 비용과 이식성 면에서 몇 가지 장점을 가지고 있지만 가벼운 발광기 전력의 한계로 인해 4 cm 깊이 이상의 피질 활동을 측정하는 데 사용될 수 없으며 공간 분해능이 더 제한되어 있다. fNIRS는 분산 광학 단층 촬영기의 사용을 포함한다.y(DOT/NIRDOT). 멀티플렉싱 fNIRS 채널은 뇌 활동의 2D 지형 기능 맵(예: Hitachi ETG-4000, Artinis Oxymon, NIRx NIRScout 등)을 허용하고, 다중 이미터 스페이싱을 사용하여 3D 단층 맵을 작성할 수 있다.

하이퍼캐닝

하이퍼캐닝은 다양한 사회적 상황에서 대인관계(총뇌) 신경 상관관계를 조사하기 위해 2개 이상의 뇌를 동시에 모니터링하는 것을 수반하는데, 이는 fNIRS가 살아있는 뇌-뇌간 사회적 상호작용을 조사하는데 적합한 양식임을 입증한다.^[26]

음악과 뇌

fNIRS는 악기를 연주하는 동안 음악가의 두뇌 활동을 감시하는 데 사용될 수 있다.^{[27][28][29][30]}

장단점

fNIRS의 장점은 무엇보다 비침습성, 저비용 양식성, 완벽한 안전성, 높은 시간적 분해능, 다른 영상 양식과 완전한 호환성, 다중 혈류역학적 바이오마커 등이다.

그러나 제한이 없는 시스템은 없다. fNIRS의 경우 낮은 뇌 민감도, 낮은 공간 분해능 및 얕은 침투 깊이 등이 포함된다.

미래 방향

몇 가지 제한에도 불구하고, fNIRS 기기는 상대적으로 작고, 가볍고, 휴대성이 좋고, 착용감이 좋다. 이러한 특징들 덕분에, 기기를 위한 애플리케이션은 놀라울 정도로 다양하고 다양한 시나리오에서 쉽게 접근할 수 있다. 예를 들어, 그들은 클리닉, 세계적인 건강 상황, 자연 환경, 그리고 건강 추적기로 사용될 수 있는 잠재력을 가지고 있다.

궁극적으로, 병원의 미래 위험성 있는 개인들은 fNIRS가 제공할 수 있는 신경근절 및 신경재활용으로부터 이익을 얻을 수 있다.

현재 시장에는 완전한 무선 연구 등급인 fNIRS 시스템이 있다.^[31]

fNIRS 다른 신경 이미지 생성 기술과 비교

다른 신경영상장치를 비교 대조하는 것은 고려해야 할 중요한 일이다. 이러한 장치를 비교하고 대조할 때 시간 분해능, 공간 분해능 및 움직이지 않는 정도를 살펴보는 것이 중요하다. 뇌파(EEG)와 뇌파(MEG)는 시간 분해능은 높지만 공간 분해능은 낮다. EEG도 MEG보다 이동성이 높다. fNIRS를 보면 EEG와 비슷하다. 시간적 분해능은 물론 기동성도 높고 공간적 분해능도 낮다. PET 스캔과 fMRI는 함께 그룹화되지만 다른 신경 영상화 스캔과는 확연히 다르다. 이동성이 높고, 중간/높은 공간 해상도, 시간 해상도가 낮다. 이러한 신경영상촬영 스캔들은 모두 중요한 특성을 가지고 있으며 가치가 있지만 뚜렷한 특징을 가지고 있다.

다른 모든 사실들 중에서, fNIRS를 특별한 관심거리로 만드는 것은 그것이 MRI, EEG, 그리고 MEG를 포함한 몇 가지 양식과 호환된다는 것이다.

참고 항목

• 근적외선 분광법
• 확산 광학 단층 촬영^[32]
• 기능성 신경영상화
• 인지신경과학^[33]
• 기능적 근적외선학회 (외부 링크)
• 글로벌 fIRS(외부 링크)
• 소테릭스 메디컬 fNirS

참조

^[1]

^[1][2]