fNIRS中基线的做法和注意事项 (Baseline in fNIRS)

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对于信号的分析,不论是脑电的数据分析还是近红外的数据分析,基本上都会遇到一个参考基线的问题,这是很多童鞋和老师会疑惑的一个关键点。为什么要使用基线以及如何正确的使用。

在本文中,小编主要介绍近红外的基线问题,对于脑电数据分析中的基线在小编的脑电数据分析系列文章中会进行完整的阐述。

目前我们使用的近红外所使用的光源发射方式,大多数是采用连续波长,对于完全采集绝对路径的信号是无法进行采样,所以在当前所评估的血红蛋白的指标中,总是对相对于另一个时间点的变化进行测量评估,例如,如果您研究响应刺激的氧合变化,您实际上正在测量在呈现刺激之前的短时间与之间的响应变化。刺激前的时期通常被称为基线。

什么是基线以及如何使用它?

对于那些刚刚开始使用NIRS技术的科研人员来说,有些不清楚测量结果是什么意思。测量的数据相对于什么,为了解释这一点,我们来说说基线的起源。

最常用的NIRS是“连续波”CW-NIRS,它基于修正的Beer-Lambert定律,使用连续发射光源,近红外光进入大脑组织有可能发生散射(改变其方向)又可能被吸收的光学特性来研究大脑活动水平。散射和吸收都是CW-NIRS提供相对测量的原因。

当把手指放在红色激光指示器前时,散射效果清晰可见。你会看到你的整个手指亮起来,而不只是一条直线,光散射在组织中。因此,如果您直接测量手指上的激光,则根本没有吸收,也不会通过激光指示器接收100%的发射光。

我们可以假设这种在所有方向上的散射是恒定的,所以如果我们测量接收光的变化,那么光从光源到接收器的路径中的吸收肯定是会发生改变。

现在使用近红外光来对大脑的研究,利用了近红外光在大脑组织中血红蛋白对光的特性,近红外光进入大脑组织大部分的吸收是由血红蛋白引起的,这就是为什么我们可以利用NIRS进行测量的原因。然而,光也会被其他组织(例如脂肪组织,毛发,皮肤、颅骨、脑积液等无关组织)吸收,但这是无法避免的。所以,我们假设在测量期间这种吸收是恒定的,并且接收光的任何变化都是由血红蛋白吸收的变化引起的。既然血红蛋白发生了变化,那么就会存在“起始状态”,对于CW-NIRS使用探测器接收到近红外光的变化,根据Mod Beer-Lambert定律来计算血红蛋白浓度的变化,那么,对于这个变化来说总是相对于“起始状态”或基线的。

CW-NIRS只能测量浓度的变化,因此无法提供起始浓度(通常设置为任意零点)。但是,它可以提供由任何任务或研究的状态引起的基线变化(例如收缩肌肉或增加大脑某部分的活动)。这种变化以毫摩尔每升(mmol/liter or mM)定量。有可能是正值,意味着来自任务或研究状态的激活;也有可能是负值,意味着自任务或研究状态的相对浓度降低或抑制。

如何使用基线?

想要获取较好的基线可能比理论状态下获取更困难。我们可以在数据中使用任意一个时间点并将其设置为零(通过采集到所有数据点中减去该值),或者可以在特定时间(例如开始的静息态1分钟)内获取基线得到该平均值然后通过采集到的所有数据点减去该值。如果时间条件下允许,在测量结束时记录另一个基线也是极好的。如果结束时的基线与初始基线没有显着差异,则可以对数据质量有足够的把握。

基线不应该做的

不要比较组之间的基线平均值。平均值是任意的,在可能状态下设置为零。在基线和任务之间不要有连续的刺激。因此,在fNIRS中,在每个刺激之前通常存在可以用作基线的rest时间。

总结

这期的文章中仅仅只是从理论状态上说明了使用基线的重要性,这也是只针对近红外的基线,当然在脑电数据中也是存在刺激前的基线校正,总之,在使用近红外技术对大脑研究时,尽可能的将基线的设定是在较平稳的状态下,这同时也是判断实验设计好坏的根据之一。

对于基线的数学公式,可参考一下这篇文章

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第十九期 fNIRS Journal Club 通知 2021/05/29,9:30am

美国普渡大学童云杰助理教授,将为大家讲解他们组最近被接受的一篇使用近红外相位信息研究脑血流变化的文章。热烈欢迎大家参与讨论。 时间: 北京时间2021年5月29日上午9:30地点: https://zoom.com房间号: 846 8391 7517密码: 805190 童云杰教授简介:普渡大学 生物医学工程助理教授、博士生导师。主攻方向是多模态脑成像, 包括核磁,fNIRS, EEG。关注脑功能及生理信号的提取与研究。发表论文九十余篇,引用上千次(H-index = 20)。 童教授要讲解的文章如下: Liang Z, Tian H, Yang HC, Arimitsu T, Takahashi...
Xu Cui
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第十八期 fNIRS Journal Club 视频

北京时间2021年4月25日10点,北京师范大学的朱朝喆教授为大家讲解了他们最近几年在经颅脑图谱(Transcranial brain Atlas) 方面做的工作。视频如下: Youtube: https://youtu.be/EhYPuBPQ5uI Youku: 该视频在优酷上传后被优酷屏蔽,不清楚什么原因。申诉无效。
Xu Cui
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第七届全国近红外光谱脑功能成像学术会议

会议日期:2021年5月22日-24日会议地点:天津师范大学 一、 会议简介       近红外光谱脑功能成像(fNIRS)具有设备购买与使用成本低、可在自然环境条件下使用、具有较高的时间分辨率和空间定位能力等特点,受到了脑科学研究的高度重视。“近红外光谱脑功能成像学术会议”是由北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室朱朝喆教授发起并组织的全国性学术会议。已连续成功举办六届,共吸引全国近百家高校、科研院所及医院的六百余名学者参加。该会议已成为国内规模和影响力最大的fNIRS脑成像学术活动。       本届会议由北京师范大学与天津师范大学联合主办。会议将延用往届会议将学术报告与研究方法工作坊相结合的模式。学术报告模块(5月22日周六)将邀请心理学与认知神经科学领域、基础与临床医学领域以及工程技术领域知名学者汇报其fNIRS最新研究成果;工作坊模块(5月23-24日)由fNIRS领域一线研究者系统讲授fNIRS成像原理、fNIRS实验设计、fNIRS数据分析与统计、fNIRS论文写作以及fNIRS前沿技术等。除理论讲授外,还设置了fNIRS空间定位与数据分析操作(NIRS-KIT软件)环节,此外还安排充足的研讨答疑时间以便与会人员交流互动。       具体日程与详细内容等最新消息请关注后续通知,可通过天津师范大学心理部网站http://psych.tjnu.edu.cn/或北京师范大学国家重点实验室网站http://brain.bnu.edu.cn/,或者扫描下方二维码关注微信公众号-“fNIRS脑成像实验室”查阅更新信息,期盼在天津师范大学与您相聚! 二、会议组织机构 主办单位:教育部人文社会科学重点研究基地天津师范大学心理与行为研究院、天津师范大学心理学部、北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室会议主席:白学军、朱朝喆组织委员会:赵春健、杨邵峰、侯鑫、曹正操 三、说明1.        学术报告模块注册费:人民币500元/人;工作坊模块注册费:人民币2500元/人。发票为电子发票,内容均为:“会议费”。两个模块各自独立收费,参会者可根据自己需要进行选择。2.        注册费包括各自模块的资料费、午餐费;其他费用自理。3.        会议报告人免除会议模块注册费,其他费用请自理。4.       ...
Xu Cui
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2 Replies to “fNIRS中基线的做法和注意事项 (Baseline in fNIRS)”

  1. 老师您好,有个问题向您和崔老师请教。在使用Homer2分析fNIRS数据,做block平均值计算时,其结果就是task状态下与加在中间的rest状态比较。这个使用实验开始时做的一个baseline似乎就没用了,在计算block average时如何将数据与这个baseline比较呢?

  2. 陈老师您好,有个问题向您和崔老师请教。在使用Homer2分析fNIRS数据,做block平均值计算时,其结果就是task状态下与加在中间的rest状态比较。这个使用实验开始时做的一个baseline似乎就没用了,在计算block average时如何将数据与这个baseline比较呢?

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