应用实例
脑功能成像研究例：fNIRS对神经康复的应用研究
    近年来，正在进行fNIRS在神经康复领域的应用研究（脑中风后的机 能恢复等）。应用PET和fMRI时需要受试者保持安静，而fNIRS在伴随身体运动的作业环境中 也可以进行脑功能计量，因此可以得到与步行等运动相关的大脑皮质的活化信息。


在跑步机上进行步行运动时fNIRS对大脑激活的测定


健康人步行及进行相关活动时的脑激活
    上图显示了跑步机上进行步行运动时的脑活动。内侧的初级感觉运 动皮层出现由步行引起的Oxy-Hb的升高。与fMRI和PET不同，fNIRS可以测定步行和手臂运动 等动态活动时的脑激活。目前，fNIRS正在用于评价脑中风患者偏瘫步态时的脑激活研究，改 善感觉运动皮质的不对称行，运动前区激活增强，步行改善等。
（数据提供：社会医疗法人大道会  森之宫医院  宫井一郎医生）
参考资 料：宫井一郎,（2004）,“在神经康复中fNIRS的应用”, MEDICAL NOW, No.52:33-36
脑功能成像研究例子：功能近红外光谱（fNIRS）和功能性磁共振成像（fMRI） 的比较

A：采用fMRI进行测量
抓握动作引起对侧运 动皮质显著的激活。下图显示BOLD*信号在有任务（task）期间（蓝）升高。
B ：采用fNIRS进行测量
B图显示，在运动中氧合Hb的二维图像（重叠在MRI影像 上）。下层表示运动皮层（圆印）的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的变化。在任务（task） （40秒）期间，可见伴随有氧合血红蛋白和总血红蛋白的升高，脱氧血红蛋白的下降。
*BOLD：血氧水平依赖（Blood Oxygen Level Dependent）
 
 
功能近红外光谱（fNIRS）不受电噪声和磁场的影响，同时测量时的体位限制较少 ，因此对于无法使用血氧水平依赖脑功能性成像（BOLD-fMRI）进行测量的病例，比如，采用 深部脑刺激疗法（DBS*）使用金属电极的患者，也能计量脑功能。
C：接受DBS 治疗的原发性震颤患者的功能近红外光谱（fNIRS）成像（与MRI影像重叠）
1. DBS的电刺激关闭时（上层）
手指轻叩手指试验中左上肢有强烈 的震颤。此时，以右运动皮质为中心，氧合血红蛋白显著升高，同时脱氧血红蛋白也升高。
（脱氧血红蛋白的升高表示氧代谢的异常亢进。）
2. DBS的电刺激开启时（下 层）
手指轻叩手指试验中未发生震颤，脱氧血红蛋白的升高消失。
 D ：运动任务（task）中，合氧血红蛋白、脱氧血红蛋白，总血红蛋白的变化
*DBS：深部脑刺激（Deep Brain Stimulation）
    由于fNIRS不仅能测量脱氧血红蛋白，也能测量氧合血红蛋白和血流 量的变化，因此，特别适用于脑氧代谢和血流动力学异常患者的脑功能成像。目前，BOLD- fMRI是脑功能成像的主流，通过与fNIRS的联用，能将疾病状态的脑功能更准确地反映在图像 上。
（数据的提供：日本大学医学部 脑神经外科 酒谷薰先生）
参考资料：酒谷薰， （2006）“脑疾病患者中脑功能成像：fNIRS和fMRI的比较”，MEDICAL NOW. No.59:44- 46.
脑功能成像研究案例：对新生儿视皮层的应用研究
    以测定新生儿、早产儿的发达的视皮层机能变化为目的，在自然睡 眠的情况下，给与光刺激，将伴随光刺激的视皮层的反应与成人案例进行了比较。
    通过使用fNIRS，在床头、保育器中，不使用镇定剂进行简单刺激， 使测定其反应成为可能。
    在试验中，对新生儿进行10次的光刺激（测定开始后15-30秒 8Hz flash），观察了Oxy-Hb、Deoxy-Hb和Total-Hb的加算平均的24ch的变化（图1）。在被视为 视皮层的中心部分的变化很大，其局部存在已经明确。
探头的位置关系





图1 24通道得出的测定结果
    新生儿和成人案例伴随光刺激在后头部的Oxy-Hb、Deoxy-Hb以及 Total-Hb的变化如2D图像所示（图2）。观察到成人案例中Oxy-Hb、Total-Hb减少，新生儿与 其呈相反反应模式。


图2 Oxy-Hb、Deoxy -Hb、Total-Hb变化的2D图像
    在Oxy-Hb变化最大的通道，尽管成人案例中Oxy-Hb和Total-Hb显著 性增加，新生儿则Oxy-Hb和Total-Hb显著性减少，Deoxy-Hb增加，判定出这种变化最大化时 为止相对于成人而言有所延迟(图3)。


图3 Oxy-Hb在变化最 大的通道的各Hb的变化
     综上所述，在成人因光刺激产生的视皮层反应中，发现伴随 刺激脑血容量出现增加，而新生儿则与成人相反，出现脑血容量的减少。认为是今后值得深 入研究的有趣的现象。
（数据提供：香川大学医学部 周产母子中心 日下 隆老师）
参考资料：1.日下 隆（ 2004）“光成像在新生儿视觉区的应用”,MEDICAL NOW No.54:15-19 2.Kusaka T, Kawada K, Okubo K, Nagano K, Namba M, Okada H, Imai T, ISObe K, IToh S (2004) Noninvasive optical imaging in the visual cortex in young infants. Human brain mapping 22, 122-132.
fNIRS与脑波（EEG）的同时测定的实例
    最近为了发挥空间分辨率、时间分辨率方面的优势，fNIRS无创脑功 能测量方法的同时计量法备受瞩目。
    同时使用fNIRS与EEG对躯体感觉皮层进行测量，以研究电刺激正中 神经所引起的脑皮层的神经活动与血流动力学之间的关系。
在全头型支 架（图1）中，脑波电极用插孔（ ）被安置在送光以及受光用的NIRS探头（ ）的中间，NIRS通道（测定点）与脑 波电极的位置保持一致（图2a、图3a）。
*正中神经由臂从神经发出，沿上肢腹侧大致正 中的位置行走。
 
 


图2a 送受光纤 （103ch）的测定范围         图2b 电刺激产生的 Oxy-Hb的变化


图3a 脑波电 极（32ch）的测定范围    图3b 对电刺激产生的体感诱发电位


图4 电刺激后不同时间（ 秒）的脑激活状态
    在Oxy-Hb以及体感诱发电位（图3b）的全部测定部位中， P22（潜 伏期为22ms的正向波）的体感诱发电位在电刺激的相反侧（左）的耳的初级体感觉皮质区出 现了增加（图3a、b）。
    此外，电刺激5秒后电刺激的相反侧耳的初级体感觉皮质区Oxy-Hb浓 度升高（图4）。 NIRS与EEG的同时测定在研究血液动态反应与神经活动的关联上极为有效。
（数据提供：富山大学大学院药学部 西条 寿夫老师） 参考资料：Takeuchi M, Hori E, Takamoto K, Tran AH, Satoru K, Ishikawa A, Ono T, Endo S, Nishijo H (2009) Brain Cortical Mapping by Simultaneous Recording of Functional Near Infrared Spectroscopy and Electroencephalograms from the Whole Brain During Right Median Nerve Stimulation. Brain Topography 22, 197-214.