功能近红外光谱成像技术（functional Near-Infrared Spectroscopy，fNIRS）主要利用多个波长的近红外光与脑组织中生色团物质之间的吸收和散射关系，考察特定状态下脑组织中氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白以及总血红蛋白的浓度变化，进而间接考察神经元的活动、细胞能量代谢以及血液动力学相关的功能，反映大脑的状态与加工的过程。
fNIRS 是一种无创性、可实时在体监测、能在动态运动条件下应用的光学脑功能检测技术，它为运动过程中脑功能活动的研究开辟了一条新路。
1.1 fNIRS 生理学基础
fNIRS 生理学基础是神经血管耦合机制，Roy 和 Sherrington 早在 1890 年就曾提出了一个非常著名的假说，“大脑的血流供应会随其功能活动的局部变化而进行局部响应”。1
通常情况下，由于脑血管存在自身调节机制，局部脑血流的供应和局部氧代谢率处于一种平稳状态，使得氧合血红蛋白（Oxy-Hemoglobin）和脱氧血红蛋白（Deoxy- Hemoglobin）浓度基本保持不变。
在大脑处于激活状态时，这种平稳状态被打破，脑血流量和氧代谢率会显著增加，氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度发生相应的改变，通过 HbO2、Hb以及总血红蛋白的测量，可间接评定大脑功能状态。
图 1-1 激活(a)与静息(b)两种生理状态下局部脑血流及血氧水平的变化
1.2 fNIRS 的物理学基础
生理组织对光有两种反应, 一是吸收, 二是散射。血液的主要成分(水, 氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白)对 600-900 nm 的近红外光的吸收非常小（水的吸收最小，血红蛋白的吸收占主导），具有良好的散射性,光子可以从人体头部表面出发穿越头骨到达大脑皮层，因此 600-900 nm 的近红外光也被称为光谱窗(见图1-2 )。在这个光谱窗内, 脱氧血红蛋白的吸收峰值在 760 nm 处，氧合血红蛋白的吸收峰值在 850 nm 处（见图 1-3）。两种血红蛋白在 805nm 附近有一个等吸收点，在 805nm 两侧两种血红蛋白分别表现出各自的相对优势吸收特性，故而在等吸收点的左右两边分别（至少）选择一个波长光以保证组织血氧发生变化时 HbO2 和 Hb 对光吸收的差动效应。2
图 1-2 水和血红蛋白在近红外波长范围的吸收率
图 1-3 氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白对不同波长光的吸收率
使用近红外脑成像设备时，将光源置于头部相应部位，由于光源发出的复合 光线在不同组织层的散射作用，NIR 通过皮肤组织的光路长度（光学路径长）长于源头和探测器之间的物理距离。NIR 光线通过不同组织层的空间分布构成一种香蕉形状的范围（见图 1-4）。充足的 NIR 光线穿透深度可以在婴儿和成人头上放置一个探测器来实现，分别是 2-3cm 和 4-5cm。光源发射的光进入组织或细胞，在历经一系列吸收、散射事件后，仍会有一部分光子到达皮层表面，探测器可以接收到这些光信号。
Beer-Lambert 定律为近红外光谱技术提供了物理基础。依据修正的Beer-Lambert 定律可以得出光的衰减量。由于出射光中携带着与吸收和散射相关的组织生化信息，通过对光学参数的检测，可以推知大脑活动时氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的变化量，进而得知脑功能的改变，通过一定的图像恢复重建可进一步得到脑活动的近红外光学图像。3
图 1-4 近红外脑成像原理示意图
参考文献：
1 C S Roy, et al. On the Regulation of the Blood-supply of the Brain[J]. J Physiol, 1890, 11(1-2):85-158.17. IF=5.182
2 S Wray, et al. Characterization of the near infrared absorption spectra of cytochrome aa3 and haemoglobin for the non-invasive monitoring of cerebral oxygenation[J]. Biochim Biophys Acta, 1988, 933(1):184-92.
3 F F Jöbsis. Noninvasive, infrared monitoring of cerebral and myocardial oxygen sufficiency and circulatory parameters[J]. Science, 1977, 198(4323):1264-7. IF=47.720
