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[分享] fNIRS–EEG监测人脑活动和氧合作用的研究进展

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东江老人 发表于 2022-3-7 01:02:58 | 只看该作者 打印 上一主题 下一主题
 
在人类脑功能的研究中，多模式监测已变得相当普遍，其中，功能近红外光谱(fNIRS)和脑电图(EEG)的同步测量成为一个备受关注的研究热点。由于没有光电干扰，将这两种无创的脑活动记录程序整合起来是非常容易的。fNIRS和EEG都是头皮定位的程序。fNIRS通过光谱测量来估计脑血流动力学变化，脑电图通过无源电压评估（passive  voltages evaluations）来捕捉大脑电活动的宏观时间动态。这两种技术所提供的“正交”的神经生理学信息，以及研究者对神经血管耦合现象日益增长的兴趣，进一步促进了它们的整合。本文综述了这两种技术的原理和未来发展方向，并对这种灵活、低成本的神经成像模式的主要临床和非临床应用进行了评价。fNIRS–EEG系统利用了两种技术的优势，能够在其他神经成像方式（如功能性磁共振成像、正电子发射断层扫描和脑磁图成像）所不适合的环境或实验场景中进行施测。fNIRS–EEG大脑监测已成为一种有用的多模态脑电和血流动力学研究工具。本文发表在Neurophotonics杂志。
1.引言
人类脑功能研究已成为科学界的一大兴趣热点。由于大脑活动可以提供多种生理信息，多年来，已有多种技术被研发出来，用于研究自不同神经生理机制的大脑信号。由于一直缺少一种特定的技术来记录由这些信号产生的整个频谱信息，大脑状态的多模态同步监测方法在过去十年中变得越来越普遍。在多模态监测中，功能近红外光谱(fNIRS)和脑电图(EEG)的整合受到越来越多的关注。fNIRS是一种相对较新的神经成像技术，以其轻量便携、成本较低的优势，逐渐成为使用甚广的监测大脑活动的工具。fNIRS是一种基于头皮的光学光谱测量方法，它使用光源和探测器来测量脑组织中的血流动力学变化。fNIRS可以记录血液氧饱和水平(BOLD)，即由于激活的大脑区域的氧需求增加而在大脑中发生的代偿性血流动力学反应。fNIRS依赖于对后向散射光的差分测量，它对近红外光谱范围内两种主要振荡吸收发色团的浓度变化敏感:含氧和脱氧血红蛋白(O2Hb和HHb)。O2Hb和HHb在近红外(650 ~ 900 nm)范围内具有不同的吸收光谱。这种特性，加上水在相同波长范围内的低吸收率，使测量这些物质的相对浓度和振荡成为可能。多年来，fNIRS技术已成为一种广泛应用于不同人群和实验条件下的脑成像方法。
EEG是一项神经学和神经成像领域相对成熟的技术，它通过头皮定位电压的被动测量，来捕捉大脑电活动的宏观时间动态。设置适合捕捉宏观的时间动态脑电活动通过被动测量头皮定位电压。EEG系统广泛应用于临床和非临床情境中，用以诊断和监测大脑功能及功能障碍。
脑电活动与其对应的血流动力学并没有完美的时空对应关系。它们的相互作用是通过神经血管耦合机制介导的，可以使用联合技术进行研究。相反，如果假设一个神经血管耦合模型，可以从多模态测量中获得更高的神经信号估计精度。这两种记录程序有很多优点：fNIRS和EEG技术能较好地抵御运动伪迹，而且无明显的物理限制，尤其是与功能磁共振成像(fMRI)、正电子发射断层扫描(PET)或脑磁图(MEG)相比。因此对更偏自然类型的认知任务及在广泛的受试人群(例如，从婴儿到老年人)中都是可行的。此外，近红外光谱和脑电图不涉及暴露在高强度(>1 T)磁场或电离辐射。而且，硬件成本显著低于大多数其他功能性脑成像方法。
本综述的结构如下:
第一部分描述近红外光谱和脑电图的物理原理、起源和发展。
第二部分分析两种技术耦合的主要优势，并阐述fNIRS脑电图测量的主要非临床和临床应用。
最后，介绍近红外与脑电整合的局限性、挑战和未来发展方向。
有必要强调的是，在应用部分，本综述主要为读者提供一个关于多模态方法应用领域和研究目的的概览，并非进行元分析或者对具体研究发现进行深入探究的目的。
2.技术，原理和演化
2.1 fNIRS
近红外光在人类大脑研究中最常见的应用就是fNIRS。fNIRS测量近红外光谱范围(650至950 nm)内脑组织光学特性的变化，以估计与神经活动相关的HHb和O2Hb浓度的波动。事实上，HHb和O2Hb是这个光谱范围内主要的时变发色团，它们提供不同的吸收光谱。这种特性，再加上水在相同波长范围内的低吸收率和高组织扩散特性，使直接从头皮测量这些物质的相对浓度成为可能。基于血红蛋白波动测量，fNIRS可以记录BOLD效应，这是由于激活的大脑区域的氧需求增加而在大脑中发生的代偿性血流动力学反应。由于BOLD响应的低频特性(<0.1 Hz)，fNIRS信号存在固有的低时间分辨率性能。功能性MRI测量BOLD效应主要是因为其对HHb的敏感性及其顺磁特性，而fNIRS可以解耦BOLD响应中的HHb和O2Hb波动[图1(a)]。还可以进一步计算与脑血容量(CBV)变化相关的总血红蛋白改变(HbT)。
Jöbsis曾报告，近红外光能够穿过脑组织，这允许使用前向散射测量(transillumination)对组织中的氧气变化进行无创的连续监测。Transillumination主要用于儿童，对成人大脑的研究效果有限;它被后向散射模式程序所取代。近红外光谱系统的发展进展迅速，到20世纪80年代中期，首次使用后向散射方法对大脑氧合进行了研究。
标准的fNIRS测量依赖于入射光(使用功率为~ 1mw的光源)，并在后向散射几何结构中检测它(通过高灵敏度的光探测器，达到单光子灵敏度能力)，其耦合(通道)在高度扩散头结构中产生典型的灵敏度模式[图1(b)]。fNIRS通常依赖于通过光纤或纤维束向头皮内射入和探测光线。光纤在电方面绝缘于受试者，且它们可以使光源和探测器离头皮足够远。不同的仪器技术程序被开发出来，并用于近红外光谱监测。具体可以识别出三个主要类别，为时域(TD)、频域(FD)和连续波(CW)记录系统。TD系统使用非常短的光脉冲(picoseconds)，而FD系统使用无线电频率调制的光(50 MHz)来研究感兴趣的组织。由于其简单的技术特点，CW系统是临床和非临床环境中最广泛的系统。CW系统依赖于测量通过组织的光的CW成分。它们可以估计血红蛋白和氧合随时间的变化（通过使用先验微分路径长度因子的改进的Beer Lambert方程），但它们不能在通道水平上提供组织光学特性的绝对估计（吸收和减少散射系数）。当空间分辨光谱方法被采用，它们可以测量区域脑氧饱和度(rSO2)和部分组织氧提取(FTOE)随时间的变化。
本文主要介绍了连续波测量方法及其在fNIRS与EEG联合中的应用。整篇文章中提到和/或描述近红外光谱时，我们指的是CWfNIRS，除非明确提到TD或FD系统。
由于光的灵敏度在给定的光源-探测器对上呈指数衰减(在几厘米之内)，fNIRS提供了非常好的定位能力，平行于头皮表面。然而，它需要多个optodes(源和探测器)来适当地覆盖兴趣区[图1(c)]。影响fNIRS测量的一个问题是它对头皮相关(脑外)血红蛋白振荡的高度敏感性。然而，这种混杂因素可以通过研究多种光源-探测器距离的测量来克服。fNIRS根据源探测器的距离提供不同的深度灵敏度。一般来说，在成年人中，3厘米或以上的距离对脑外和脑相关的血流动力学波动都很敏感。相反，短距离(约1.5厘米)只对脑外血流动力学成分敏感，因为它们的敏感性模式不到达大脑皮层。这一特性使得创建大脑活动地形图必须使用较长距离通道或者长短距离通道相结合的方式。基于通道的地形近红外成像可以达到良好的深度灵敏度（距离头皮约3厘米，使用较长的光源探测器距离），然而，血红蛋白波动的深度定位是有限的。
通过fNIRS (光散射成像，diffuse optical tomography, DOT)，利用不同光源探测器距离的不同光敏模式，可以实现血红蛋白振荡的层析成像重建。使用高密度光学阵列并结合多源探测器距离(约1.5 - 6cm)，可以从头皮处获得高达3cm的良好层析图像，定位力为2mm，空间分辨率为1.5 cm (HD-DOT)。然而，HD-DOT所需的通道密度高，使得仪器昂贵，而且由于存在许多光电器件，难以实现同时使用EEG记录。因此，在fNIRS-EEG联合测量中，通常采用稀疏光学阵列。
近红外光谱测量和相应的信号处理技术随着时间的推移而发展，它们与功能磁共振成像信号的成熟分析具有共同的特征。block设计、event设计和静息态研究都可以使用。随时间变化的信号分析包括：运动伪迹校正、滤波、平均、去卷积、一般线性模型(GLM)、主成分分析(PCA)和独立成分分析。空间信号分析及相关统计程序一般依赖于滤波、主成分分析、空间聚类和错误发现率控制程序(高斯随机场理论等)。

fNIRS–EEG监测人脑活动和氧合作用的研究进展 第1张图片

图1. (a) fNIRS在任务激活的大脑区域记录的典型BOLD反应示例。报告了每个时间点HHb和O2Hb浓度的平均变化及其可变性(标准误差)。活跃脑区BOLD反应的特征是O2Hb的过度代偿供应与HHb的同时洗脱，典型的比值(O2Hb HHb)为3，只有少量的μmol变化。
(b)位于头皮上的光源探测器对(fNIRS通道)的典型连续波光敏模式(对数刻度)冠状头部切片，覆盖在结构MRI上。光敏模式的计算采用有限元方法。
(c)一个可能的光学阵列和通道平均光敏模式的例子(对数尺度，多个通道的平均)，用于运动和感觉运动皮质成像，覆盖在一个主体结构MRI上，并提取灰质。为了增加近红外光谱技术的可视范围，需要多个光源和探测器。
2.2 EEG
自从1924年首次在头皮上记录人类脑电以来，脑电图(EEG)得到了广泛的发展，并已成为最便宜、最快、适用范围最广的无创脑电生理监测方法，尤其是在临床环境中。脑电图提供了非常高的大脑活动时间分辨率(1毫秒)，通过神经元过程的时间细节来跟踪大脑动力学信息。脑电图信号是由大量神经元同时激活产生的[图2(a)]。在头皮上检测到的典型电压值为μV量级。国际10-20系统是公认的方法，用于将EEG传感器放置于头皮的标准位置。该系统是为了保证同一受试者随时间变化的脑电图测量的再现性和不同受试者测量结果的可比性。高密度阵列的传感器数量从16个到256个不等。为了确保低阻抗(典型的弥漫性脑电图放大器的值:5 kΩ)和与头皮良好的电接触，使用了表面导电凝胶或基于电解质的溶液。研究者也一直在努力寻找提高测量前准备速度和信噪比更好的方法，例如，对干电极或活性电极的测试。干电极不需要使用导电糊状物质，而主动式电极（例如Biosemi设备）直接在头皮上放大脑电图信号，减少环境电噪声的影响。
EEG信号是不同频率和振幅的振荡叠加，具有地形和任务相关的时间特异性。这些振荡被称为脑节律，可以通过频率和时频信号处理来量化和描述[图2(b)]。传统上，脑节律是根据频率来分类的。脑节律的调节已被描述，并被证实与健康的大脑生理活动有关，且节律改变与大脑病理状态有关。第一个被观察到的脑节律是Hans Berger在20秒内通过脑电图观察到的大约10Hz的振荡，即alpha节律（8 - 12Hz），位于闭眼、清醒且放松状态的成年人枕-顶叶皮层区域。这种节律的振幅在睁眼后或觉醒增加期间减小。因此，alpha节律曾被认为与睡意有关。最近，有人提出alpha节律调节在意识知觉中发挥作用，也与注意或任务相关认知神经策略下的感觉门控机制有关。beta波段(15 - 30Hz)传统上被认为是一种运动节律。事实上，beta波在运动和感觉加工及控制、等量收缩中的皮质-脊髓耦合（corticospinal coupling in isometriccontractions）、本体感觉和感觉-运动协调中都被观察到。α和β节律的抑制是该区域参与任务的标志[事件相关去同步化(event-relateddesynchronization,  ERD);图2 (b)]。最近的一个假说认为，beta波存在于大脑在感觉和认知过程中“status quo（维持现状）”时。gamma振荡(30~90Hz)在某些任务和条件下在较小的皮质区域被观察到，包括感觉运动或多感觉整合、刺激选择、特征提取和整合、图形识别（pattern recognition）、疼痛处理、共情、注意和记忆。健康人群在睡眠期间观察到显著的低频活动(delta波段:1~4 Hz)。强烈的delta节律在清醒成年人的静息态EEG中出现，常与神经紊乱有关。最后，在情绪唤醒和工作记忆(WM)任务，以及处理和控制新异和意外刺激中发现了theta波(4~7.5 Hz)。
当一个神经元群的连续振荡的阶段被重置以响应一个外部刺激或事件，一个诱发的反应发生。诱发电位(EPs)或事件相关电位(ERPs)通常通过对一系列刺激的时序锁定进行平均得到的[图2(c)]。假设大脑响应区域对每个刺激的激活都是相同的，而其他大脑区域的激活全部与之无关，因此，这些可能隐藏了感兴趣激活的不相关噪声可以通过平均来抑制[图2(c)]。
3. fNIRS–EEG联合：优势及应用fNIRS-EEG
系统与单独的EEG具有相似的灵活性。两种方法的整合提供了关于大脑皮层的电和代谢-血流动力学信息，并且没有电光干扰。fNIRS-EEG联合采集可以在非实验室环境中进行（例如，自然环境、可移动监测、恒温箱、床边等），且不会对受试者造成严重不适。fNIRS-EEG系统的应用主要包括非临床和临床两方面。与临床应用相比，非临床应用通常采用更密集的光学和电子传感器阵列。图3(a)报告了以往使用fNIRS-EEG结合的测量方法发表的科学论文总数。虽然文献研究可能不能完全概括整个科学成果，但我们发现在过去30年里有90多篇科学论文使用这种多模态脑成像方法。结合这两种技术的科学研究始于90年代早期，并随着时间的推移持续增加，在新世纪初略有下降。由于去年的论文是以2年(2015∼2016年)为基准进行统计的，所以虚线表示的是2019年末的预计出版量。如图3(b)所示，非临床和临床应用的总体科学成果相似，临床研究的论文略多(45%非临床和55%临床)。

fNIRS–EEG监测人脑活动和氧合作用的研究进展 第2张图片

图2. (a)脑电图信号产生的示意图。大量神经元的同步活动产生电场，如果是同步的，电场可以累积产生足够强的信号，可以被放置在头皮上的电极检测到。初级电流主要是树突树对应的突触电位的结果，树突树遵循优先方向，就像锥体神经元一样。神经元被脑组织包围，即传导介质。初级电流激发细胞外电流流过这个介质，并通过脑脊液、颅骨和头皮。这些电流，被称为次级电流或体积电流，到达头皮并产生电压差，由一对脑电图电极检测到。
(b)在视觉引导下，用右手执行手指轻敲任务时，C3(位于左侧运动皮层)处脑电图信号的时频表示示例。对于每个频率，功率表示为相应值在运动前周期的百分比变化，证明在运动过程中(ERD)的α和β节律减少，而在运动开始后的前500毫秒(ERS)内，θ节律增加。
(c)通过模式反转刺激获得的VEP实例。脑电活动采用128通道系统(EGI)记录。
上:平均反应锁定刺激电极Oz(简称Cz)，放置在枕骨叶对应的视觉皮层。VEP由一系列在特定延迟下的负-正-负峰值组成。被认为是描述这些波的参数是延迟和这些峰值的振幅，这被称为N(负)或P(正)取决于与特定模板的极性。在VEP的情况下，可以看到N75-，P100-和n135成分。
下:左侧为在p100潜伏期时所有EEG传感器值在头皮上方的插值图。右侧是通过头皮电压分布获得的P100皮层来源，并将其叠加到由单个解剖磁共振图像重建的真实皮层模型上。采用Curry 6.0 (Neuroscan)分析软件进行定位。有关定位程序的概述，请参阅Darvas等人的文献。

3.1非临床应用
在非临床应用中，利用fNIRS-EEG系统的三个主要领域为：脑机接口(18%的非临床应用)、神经血管耦合(35%)和健康脑功能研究(40%)。非临床研究的一个次要领域是睡眠研究(占非临床应用的7%)[图3(c)]。
3.1.1脑机接口
脑机接口(brAIn–computer interface, BCI)是fNIRS-EEG系统的主要应用之一，由于fNIRS-EEG系统灵活性和便携性的特点，它十分适用于BCI。BCIs允许通过脑电图和/或其他记录方式对大脑活动的调制直接控制计算机或外部设备。事实上，已经证明非侵入性的基于脑电图的BCIs允许瘫痪和闭锁综合征患者的脑源性交流。从历史上看，运动皮层脑电图信号中ERD的发现以及alpha和beta节律的事件相关同步(ERS)为BCIs的发展铺平了道路。事实上，在运动想象过程中，大脑在运动皮层中节律的调节是用于特征提取以实现机器控制的第一个参数。然而，仅依靠EEG的BCIs是有局限的，BCI指令的可靠检测与脑电epoch长度是成比例的，难以实现较高的信息传输速率。此外，EEG- BCIs经常将EEG信号错误地归类为命令，尽管受试者没有执行任何任务。最后，脑电图信号通常是来自广泛脑区的神经活动的混合，其中一些可能与BCI的目标任务无关，从而损害BCI的性能。fNIRS-EEG系统与独立脑电图相比显示出更高的敏感性和特异性。fNIRS信号可以作为EEG的联合分类程序，或者可作为EEG激活的预测器。在这两种情况下，使用fNIRS-EEG系统，可以发现更强大的基于脑电图的脑接口分类器，总体上增加了脑接口性能的稳定性。Fazli et al.，Almajidy et al.，和Koo et al.将fNIRS-EEG-BCI联合应用于感觉运动想象。感觉运动想象BCI的目标是识别被试在什么时候想象一个特定的运动任务。Fazli等人估计，基于EEG的BCI控制可以通过之前的fNIRS激活来预测。利用fNIRS预测生成新的、更稳健的、基于脑电图的BCI分类器，在最大限度地减少性能波动和增加BCI总体稳定性的同时，显著提高了分类能力。同时测量14名受试者的fNIRS和EEG (fNIRS在前额运动区和顶叶区有24个测量通道，EEG在整个头部有37个电极)，提高了超过90%的受试者的运动想象分类精度，平均提高了5%的任务表现。Almajidy等人将BCI应用于四项运动想象任务(7名受试者，20个fNIRS通道，8个EEG传感器，位于感觉运动皮层):左手、右手、双手和双脚的想象运动。利用fNIRS测得的O2Hb浓度波动斜率和EEG (8 ~ 30 Hz)的功率谱密度进行特征提取。通过线性判别分析，其分类精度最高可达85%。与EEG-BCI相比，fNIRS-EEG- BCI在分类精度上有明显提高。Koo等人专注于fNIRS-EEG自定进度运动想像的BCI。他们用8个fNIRS通道和6个EEG传感器对6名健康受试者的初级运动皮层进行测量。他们报告说，混合系统的真阳性率约为88%，假阳性率为7%，平均反应时间为10秒。
Khan等人以不同的方式应用了fNIRS-EEG系统。他们尝试在12名受试者中提取并解码四种不同类型的大脑信号。12个fNIRS通道位于前额叶，8个EEG电极位于左右运动皮层。接受BCI实验的受试者被要求执行四种类型的任务:“向前”、“向后”、“向左”和“向右”命令。前后移动的控制指令通过执行算术心算任务来估计，与O2Hb的变化有关。左右方向命令分别与右手和左手点击相关联。利用fNIRS-EEG技术对四种不同的控制信号进行分类，获得了较高的分类精度。
EEG-BCIs也可以通过稳态视觉诱发电位(SSVEP)分类进行。SSVEP是对特定频率的视觉刺激的自然反应。当视网膜被4~80Hz的视觉刺激刺激时，大脑就会产生相同频率或频率倍数的电活动。其目的是辨别什么时候被试在看刺激物，并以高精度检测刺激物的频率。Tomita等人在对13名受试者进行SSVEP分类时，着重研究了fNIRS和EEG的联合使用。作者表明，仅将一个fNIRS通道与EEG测量相结合，就可获得明显的误差率改善。
最后，基于fnirs的先验信息可纳入变分贝叶斯多模态脑电图方法中。作者应用贝叶斯逻辑回归技术，在统一的fNIRS-EEG框架下，将受试者的心理状态解码为空间注意任务。作者发现，基于fNIRS-ERD的解码器比仅基于EEG传感器信号的解码器表现出显著的性能改进(8名受试者，49个fNIRS通道，64个脑电图电极，位于顶叶和枕叶)。
3.1.2神经血管耦合
局部神经活动伴随着复杂的、异质性的生物过程，如电活动的产生和同时发生的代谢变化。电活动和由代谢活动引起的血流动力学振荡之间的潜在联系通常被称为神经血管耦合。通过血管舒张过程，将过度补偿的氧合血流供应给被激活的脑区。fNIRS-EEG联合测量非常适合于数据驱动方法的神经血管耦合监测，以及耦合已知情况下更好的神经激活重建。神经血管耦合的一个重要方面是，脑电活动及其血流动力学反应并没有一个完美的频谱和时空对应关系，也不是线性关系。
神经血管耦合可以在不同的实验设置中评估：静息态、对外部感官刺激的反应，以及操控血流参数和操控脑电状态时。一些研究者通过fNIRS-EEG测量研究了大脑在休息时的神经血管耦合。Keles等人使用一个稀疏覆盖全头的fNIRS-EEG系统(18名受试者，19个记录位置，组合fNIRS和EEG传感器)收集数据。关注频谱-脑电图对神经血管耦合的影响，他们发现在枕叶区域有一个延迟的α激活(8 - 16 Hz)调节，以及一个强烈的β激活(16 - 32 Hz)对血流动力学波动的调节，这是由EEG中的α - β耦合产生的。Nikulin等人也关注了静息状态下特定的脑电图频谱特征与神经血管耦合之间的联系。他们研究了人类脑电图(EEG)中单色超低振荡(monochromatic ultraslow oscillations, 0.07 ~ 0.14 Hz)及其与血流动力学的关系(10名受试者，26个fNIRS通道，58个EEG电极)。他们认为这些振荡可能来自神经元外，反映了大脑血管舒缩。Pfurtscheller等人对9名受试者进行了运动皮质EEG和额叶fNIRS测量，发现清醒休息时缓慢的中央前回HHb浓度震荡可能暂时性地与感觉运动区脑电图波动耦合。Govindan等尝试对自发脑活动中的神经血管耦合进行量化。提出了一种结合fNIRS-EEG采集的神经血管耦合量化方法。他们通过将两个信号划分为1-s epochs，将这两种测量方法纳入一个共同的动态时间框架(DTF)。他们通过计算DTF中两个信号的频谱相干性来量化神经血管耦合的程度。作者在模拟数据及四名婴儿的新生儿脑病低温治疗过程中测试了他们的程序，并取得了积极的结果。特别是，根据他们的测量，发现恢复最好的婴儿神经血管耦合增加。
神经血管耦合也可以在时间锁定的大脑对外部刺激的反应中进行评估。Obrig等人在视觉刺激(EEG的视觉诱发电位，VEP)过程中结合了fNIRS和EEG，对15名受试者(枕叶皮层上2个fNIRS通道和5个EEG传感器)对视觉习惯的脑电和血流动力学进行了评估。作者发现，在刺激呈现期间，P100/ N135成分振幅减小，与组织氧合振幅减小密切相关。考虑N75/ P100成分时，神经血管行为不明确。虽然强调了假设神经血管耦合近似于线性现象，他们发现，当计算P100/ N135成分振幅与血红蛋白浓度变化的比值时，VEP成分振幅每增加1 μV, HHb耦合指数为0.2 μmol, O2Hb耦合指数为+0.6 μmol。此外，Fabiani等人通过枕叶皮层fNIRS-EEG测量(fNIRS包括32个光源，8个探测器；EEG包括7个传感器)，以及快速光信号和功能性MRI，研究了视觉刺激引起的神经元和血流动力学变化之间的关系。基于ERP成分的C1位置反应，年轻人(19名)和老年人(44名)均表现出神经元和血流动力学效应之间的非线性(至少二次)关系，在高水平的神经元活动时血流动力学响应降低。
后来的研究着眼于基于血流状态操控的神经血管耦合。Babiloni等人研究了老年人高碳酸血症（hypercapnia）期间血管舒缩反应性和静息态脑电图节律的一致性。对20例患者进行了静息态闭眼fNIRS-EEG记录。双侧额叶fNIRS（2通道）皮质HHb和O2Hb浓度变化评估血管舒缩反应。在不同的脑电图频带下，计算所有电极(19个传感器)的脑电图相干性。高碳酸血症导致O2Hb升高，HHb降低，EEG的整体一致性降低。Vanhatalo等使用fNIRS-EEG系统对12名受试者进行测量，探究人类大脑的血流动力学变化是否产生低频EEG反应。他们在额顶叶区域使用了24个fNIRS通道和6个EEG通道。他们从不同的机理应用无创颅内血流动力学操作:双侧颈静脉压迫、头高位倾斜、头低位倾斜、Valsalva动作和Mueller动作。他们观察到，在所有操作过程中，脑电图的变化都是缓慢的，在中线电极处的振幅最高(高达250 μV)，在顶点周围的电压梯度变化最明显(高达15 μV /cm)。他们对缓慢脑电图振荡的神经元外来源的解释与Nikulin等人后来发现的类似。Dutta等人通过fNIRS-EEG评估了阳极经颅直流电刺激(tDCS)期间的神经血管耦合。基于Hilbert Huang变换的分析程序，他们分析了慢性中风治愈者，发现阳极tDCS在EEG上的不稳定效应与O2Hb反应有关。他们还发现，阳极tDCS开始时O2Hb浓度的首次下降与0.5- 11.25 Hz频段内EEG平均强度的增加之间存在对应关系。
      最后，基于以往提出现象，依赖于数学模型的神经血管耦合方法被提出。Talukdar等人提供了一种基于混合模型的数据驱动方法。他们应用gamma传递函数（gamma transfer functions）来绘制EEG频谱封波，反映在正中神经电刺激期间测量的血流动力学中神经节律的时变强度变化。他们首先使用模拟fNIRS-EEG数据验证了该方法，然后将该程序应用于fNIRS-EEG实验记录(fNIRS包括16个光源和8个探测器, EEG包括30个电极，全头)。通过聚类分析发现，从EEG频谱封波中预测fNIRS血流动力学具有统计学意义。使用gamma传递函数发现，三名受试者fNIRS-EEG数据拟合具有显著的聚类参数。实验数据结果表明，采用多组gamma传递函数可以模拟神经血管耦合关系，该方法可以更好地理解神经血管耦合现象。
3.1.3脑功能
fNIRS-EEG已被用于描述健康脑功能。在这一应用领域中，fNIRS-EEG可以在生态性环境中研究在感觉刺激、语言、动作意图、WM，以及社会互动或压力事件的情绪下的大脑活动在空间和时间上的血流动力学和脑电变化。Ehlis等人对10名受试者进行了fNIRS-EEG测量(额颞区22个fNIRS通道和3个中线EEG电极)，以评估人类听觉感觉门控的皮质相关。感觉门控是指大脑网络抑制大脑对无关环境刺激的反应，以防止信息溢出的能力。声音门控通常是根据反复出现特定的声音刺激后P50波幅(电生理记录中ERP的早期成分)的降低来评估的。将血流动力学数据与电生理信息相结合，发现感觉门控与左前额叶和颞叶皮质血流动力学反应的强度呈正相关。这一结果强化了前额叶皮层可能抑制初级听觉的假设。Takeda等人最近研究了愉快和不愉快听觉刺激对12名受试者前额叶皮层的影响，结合fNIRS-EEG测量和其他自主神经系统监测。作者发现两侧前额叶皮层的血流动力学活动增加，当受到愉快的刺激时，左侧会更活跃，而当受到不愉快的刺激时，右侧会更活跃。愉快和不愉快的刺激都引发更强的alpha波。在感觉相关的大脑反应的研究中，视觉刺激的研究采用了联合测量方法。Jaušovec和Jaušovec利用fNIRS-EEG(多种距离布局8个fNIRS通道和19个EEG传感器，位于左侧额叶)测量了30名男性和30名女性在视觉和听觉刺激过程中大脑处理的性别差异。fNIRS结果显示，男性在执行任务时的氧饱和度高于女性。在脑电活动中，早期诱发的fNIRS反应和P3成分的波幅存在性别差异，视觉刺激比听觉刺激更明显。总的来说，女性的视觉事件分类效率高于男性。
其他多模态实验侧重于感觉运动反应和动作意图范式。Takeuchi等人研究了18名青年受试者右正中神经电刺激时体感皮层的血流动力学反应和神经活动关系。他们开发了一种用于fNIRS和EEG的帽子，全头103个fNIRS和32个EEG通道。基于GLM的血流动力学信号分析显示，刺激呈现时对侧初级躯体感觉区O2Hb浓度增加，随后反应扩散到更广泛的后侧和同侧躯体感觉区。脑电图数据显示，对侧躯体感觉区阳性体感诱发电位(somatosensory evoked  potentials，SEPs)在22 ms潜伏期(P22)达到峰值。fNIRS和EEG地形图显示血流动力学反应与P22的电流源密度显著相关。此外，延时GLM分析强调了层次躯体感觉通路中神经激活的时间顺序。Pfurtscheller等人研究了自发运动行为(如手指运动)的启动是否与缓慢的O2Hb和静息时的脑电波有关。他们用fNIRS和EEG信号(少数通道系统)分析了10名健康受试者在休息时的感觉运动和前额叶区域的HHb和O2Hb。他们发现，静息时O2Hb峰值缓慢波动3秒后，脑电图β波增加，这表明中枢运动皮层神经元的缓慢兴奋性变化可能触发自主运动行为。
一些研究关注重力条件变化过程中与本体感觉相关的大脑状态。重力条件的变化对神经生理过程和相关的神经认知损伤的影响对航空航天应用具有重要意义。Brümmer等人强调了fNIRS-EEG成像在两名受试者非典型重力条件下评估神经生理过程的适应性。Smith等人研究了12名参与者在超重力暴露过程中前额叶皮层活动(32个EEG传感器)和脑氧合(2个fNIRS通道)之间的关系。事实上，人工重力已经被提出作为一种对抗长时间太空飞行的生理失调的方法;然而，超重对中枢神经系统影响评的评估较少。研究人员发现，在超重时，脑电图前额叶皮层的活动显著增加。此外，由于超重力暴露，前额叶皮质氧合显著降低。脑电图前额叶皮层活动与血流动力学变量之间无显著相关性。因此，作者得出结论，EEG前额叶皮层活动的增加可能归因于心理压力，这可能会给使用短臂人体离心机带来问题。
在注意与WM的神经相关性研究方面也做了一些工作。buti等人通过使用16通道fNIRS和19通道EEG系统研究和描述了9名受试者持续注意过程中的神经相关性。两种模式的结果很一致，在执行任务的过程中，两种模式都在额叶中上和颞叶区域表现出较高的大脑活动。Jaušovec和Jaušovec通过改变fNIRS-EEG(分别为8和19通道)的大脑活动模式，研究了训练对30名参与者WM任务的影响。WM训练显著提高了所有流体智力测试的表现。在WM期间，训练组脑电图脑活动模式的变化主要在theta和alpha波段。训练后大脑活动的血流动力学模式从右脑高半球的激活转变为额叶两侧的平衡活动。脑电和血流动力学模式提示训练对WM有影响。
此外，fNIRS-EEG系统被应用于语言相关过程的研究。语言包括听觉和视觉任务以及更复杂的大脑机制。因此，多模态脑成像方法几乎是表征其特征的必要条件。fNIRS-EEG协同配准结合了高时间和空间分辨率，为语言实验中的功能连接研究提供了独特的机会。测量脑电和代谢活动是必要的，多模态方法应是无创性的，特别是对儿童。Wallois等人回顾了同时使用fNIRS和EEG的优点，它可以更好地理解语言过程中涉及的大脑机制。
情绪感知也是一个适合使用多模态方法的研究领域。与其他方法相比，fNIRS在情绪研究方面具有许多优势，尤其是与EEG相结合。在监测大脑活动的不同方法中，fNIRS特别适合测量前额叶皮层的活动，这是参与情绪处理的区域之一。Balconi等使用fNIRS-EEG(前额叶，6通道fNIRS系统和16通道EEG系统)研究了情绪图像的大脑处理。20名研究对象被要求观察和评价情感图片。然后，多模态测量与自我报告数据相关，如主观评估的效价(积极与消极)和唤醒度(高与低)。负效价条件下右侧前额叶O2Hb增加，表明情绪模式的特定效价(负)诱发了相关的偏侧化效应。此外，脑电图活动，特别是在theta和delta波段，与负性情绪模式下右侧的血流动力学反应有关。血流动力学与皮质脑电图之间的相关性分析发现了重要的效应。Hoshi等也研究了愉快与不愉快情绪的反应。19名受试者分别观看了消极、积极和中性图片。同时测量fNIRS(前额16个通道)、ERPs(6个EEG电极)、全身血压和脉搏率。发现不愉快情绪伴双侧腹外侧前额叶皮质O2Hb增加，而非常愉快情绪伴左背外侧前额叶皮质O2Hb减少。Herrmann等采用fNIRS-EEG系统（分别为22通道和4通道），对16名受试者的枕叶皮层的激活情况进行了研究，枕叶皮层受积极、消极情绪刺激调节。ERP结果显示，无论是积极刺激还是消极刺激，枕叶皮质的早期后叶负波都有所增加。此外，积极和消极刺激下的枕叶皮层HHb显著低于中性刺激。这一结果可以通过在观看带有情绪内容的图片时发生的选择性注意来解释。使用fNIRS作为心理状态分析的替代技术也已被研究，并与其他传统技术如EEG和外周动脉张力测定法（peripheral arterial tonometry）相比较。7名受试者被处以应激与恢复任务，在额叶区域记录了6通道fNIRS和10通道EEG信号。fNIRS结果显示，所有对特定刺激敏感的受试者在应激期间前额皮质HbT增加，在愈恢复阶段HbT降低。
fNIRS-EEG记录也非常适合于研究社会互动。
在Konvalinka和Roepstorff中，对社会互动过程中大脑状态的相关研究方法进行了综述。所回顾的研究使用fMRI、EEG或fNIRS，记录定量血流动力学相互耦合或大脑节律的调节，个体内部或人际之间，并整合各种概念框架。在社交互动方面，采用近红外光谱(fNIRS)和脑电图(EEG)的超扫描方式，使用同一仪器可记录多名受试者。fMRI双记录线圈的超扫描方法已经被描述过。这种方法非常适合研究社交互动，因为不需要跨设备校准，不存在同步问题，而且实验设计很容易实现。
3.1.4睡眠
多模态fNIRS-EEG记录可适用于睡眠期间的长时间大脑监测，因为该系统具有灵活性和便携性。结合fNIRS-EEG测量被应用于睡眠阶段或清醒到睡眠过渡的研究。在这种情况下，EEG主要提供不同睡眠状态的信息(如非REM期、REM期或觉醒-睡眠过渡)，而fNIRS则估计不同阶段血红蛋白的血流动力学波动。Pierro等人利用位于前额叶的两个多距离探测器，研究了五名受试者在睡眠期间大脑HHb和O2Hb浓度的自发低频振荡(LFOs)的振幅和相位。有趣的是，通过运用相量代数，他们能够估计CBV和脑血流速度的振荡。通过利用两种血红蛋白的相位差异，他们发现，相对于清醒和快速眼动睡眠状态，非快速眼动睡眠期间HHb与O2Hb的LFOs相位超前更大（∼π∕2）。波幅分析强调了在非快速眼动睡眠中，相对于清醒和快速眼动睡眠状态，两种形式的血红蛋白都受到抑制(振幅最大下降87%)。相关的CBV和CBFC振荡在睡眠期间保持相对相位差，在非快速眼动睡眠期间其振幅减弱。总之，作者强调了矢量代数在睡眠阶段LFO研究中的作用。已有研究描述了睡眠状态转换时的脑内血流动力学。通过研究9名受试者的额叶区域(1个fNIRS通道和7个EEG通道)，观察到睡眠开始时HbT浓度下降和睡眠结束时HbT浓度升高，效应平均持续3秒。结果表明，相对于睡眠而言，清醒时大脑灌注出现过度代偿性的增加。
Pizza等人是唯一研究睡眠中fNIRS-EEG时间关系的人。他们利用8个近红外光谱(fNIRS)通道和4个脑电图(EEG)通道，考察了3名受试者睡眠周期性下肢运动(PLMS)相关的同步信号变化。PLMS是一种发生在睡眠期间的运动障碍。他们发现PLMS经常与大脑血流动力学中振幅的增加有关，而且还与脑电图特征的改变有关。

fNIRS–EEG监测人脑活动和氧合作用的研究进展 第3张图片

图3. (a) 1990年至2016年发表的科学论文数量，5年为一个周期。从宏观应用领域(非临床应用和临床应用)和总体数量两方面进行统计。虚线表示预计在2019年底发表的数量，因为最后一个时间周期仅包括两年内(2015年至2016年)发表的论文。(b)按宏观应用领域分类的饼状图。(c)非临床研究论文各领域分类饼图。(d)临床研究论文各领域分类饼图。
3.2临床应用
临床研究主要集中在新生儿(占临床应用的37%)和癫痫(占27%)[图3(d)]。虽然应用略少，但fNIRS-EEG在术中环境中应用良好(手术，16%)。次要临床应用为康复(占临床应用的8%)、儿童发展(6%)和精神病学(6%)。
3.2.1 新生儿
对危重早产儿和足月婴儿进行持续的神经功能监测是必须的。由于其无创性和便携性，EEG是最适合持续监测脑电活动的技术。的确，振幅整合脑电图（amplitude-integrated electroencephalography , aEEG）经常使用在新生儿重症监护病房：有限数量的EEG通道放置于新生儿头皮上，通常只有一对，在双侧顶叶或者中间区域，数据以半对数时间压缩标度（semilogarithmic timecompressed scale）显示。EEG的有效性在早产儿、足月婴儿缺氧缺血和疑似癫痫发作的婴儿中已被证实。在这种情况下，fNIRS被用来无创地收集表征代谢活性的参数，通常使用少量的光极。HHb和O2Hb、rSO2和FTOE的变化提供了一种持续监测脑氧失衡的方法。关于新生儿脑状态的近红外研究，值得强调的是，尽管与本综述的主题并不严格相关，但FD-NIRS和扩散相关光谱(DCS)联合测量在fNIRS和新生儿群体中引起了极大的兴趣。事实上，FDNIRS-DCS系统允许定量评估早产儿和患有缺氧脑病或先天性心脏病的婴儿的脑血流。
fNIRS技术与EEG技术的结合可能成为未来新生儿脑监测的发展方向。目前，两种不同的传统fNIRS和EEG系统通常同时进行同步测量。特别是，在双侧顶叶或颞叶区域的近红外传感器很少与脑电图一起应用。
低氧输送可能是早产和足月新生儿脑损伤的原因。目前，脑冷却是新生儿窒息的首选治疗方法，近红外光谱(fNIRS)联合脑电图(EEG)可能是监测低体温过程中CBV、脑氧合和脑电活动的一种有价值的方法，可能揭示其疗效。此外，一些研究考察了fNIRS-EEG监测对窒息的预后价值，但没有结论性的结果。在生命的前72小时内，fNIRS在监测大脑氧饱和度以指导治疗方面的功效也在临床试验中得到了研究:在fNIRS指导治疗的婴儿中，EEG结果证明，大脑缺氧的负担减轻了。近红外光谱(NIRS)和脑电图(EEG)已被用来描述婴儿大脑功能的变化。在观察到癫痫发作的神经损伤患者中，经常发生短暂的血流动力学事件。在早产儿中，联合技术可能会对大脑功能提供新的见解，以识别出出生后潜在的脆弱状况，并更好地理解所需的治疗。事实上，脑电图活动的成熟程度增加与脑氧提取的变异性降低有关，并伴随着FTOE的增加。此外，出生后一小时的氧合可能是大脑脆弱的一个生物标志。
在产后过渡期间，即出生后的前15分钟内，fNIRS和EEG提供的有用信息可能有助于指导复苏。起初低脑活动(即低脑电图活动)的新生儿在出生后立即过渡期间同时显示低rSO2值，需要复苏的受损新生儿表现出与未受损新生儿不同的大脑活动。此外，fNIRS-EEG联合脑监测已被用于监测动脉转换手术中深低温循环停止时的脑功能。重症监护病房的一个重要问题是了解婴儿对他们所接受的痛苦治疗的反应。一种测量婴儿大脑对周围伤害和感觉刺激的反应的多模态方法已经被测试。通过fNIRS和EEG同时检测(1)大脑反应，(2)通过肌电图检测戒断反射活动，(3)通过脉搏血氧仪、心电图和呼吸检测自主反应，(4)通过视频监测的行为活动对两种刺激测量的敏感性和特异性均为100%。值得注意的是，对体感和伤害性刺激反应的单试次分析表明，在个体水平上，电生理和血流动力学反应并不总是同时发生。这一结果强调了对新生儿进行EEG-fNIRS综合脑监测的必要性。对于感官刺激，一种综合方法也可以成功地应用于研究新生儿对其他形式刺激的大脑反应，例如光刺激时的视觉反应，以及在正常发育过程中监测大脑的感觉处理能力。比如婴儿在出生后6个月内的声音处理。
3.2.2儿童
fNIRS-EEG记录也用于监测患病或受伤儿童(学龄前和小学年龄)的大脑状态。fNIRS-EEG监测特别适合于研究儿童的大脑反应，而不会引起严重的约束和不适。这对患有神经发育问题的儿童尤其重要。
Zennifa等人使用无线fNIRS-EEG联合记录监测了智力发育迟缓儿童的无约束认知状态。Marx等人通过神经反馈方法研究了fNIRS对儿童注意缺陷多动障碍(ADHD)的治疗。该研究对ADHD患儿前额叶皮层O2Hb进行了测量和反馈。将fNIRS-神经反馈与EEG（皮层慢电位）和肌电图(electromyographic , EMG)信号(即左右冈上肌的肌肉活动)反馈进行比较。该任务被用来增加或减少前额叶皮层的血流动力学活动(fNIRS)，产生SCP的正或负转换(EEG)，或增加或减少肌肉活动。作者指出，根据不同指标，fNIRS和EEG或EMG训练后4周和6个月ADHD症状明显减轻。
fNIRS-EEG测量也用于儿童创伤性脑损伤(TBI)的监测。事实上，儿童在TBI后通常会发生继发性弥漫性脑肿胀。Adelson等人对严重TBI儿童使用fNIRS，并将Hb、O2Hb和HbT波动与颅内压(ICP)、平均动脉压(MAP)和脑电图指标进行比较。研究人员发现HbT增加，ICP和MAP参数变差，表明损伤后脑血管扩张增加。他们还注意到，在临床癫痫发作前数小时，创伤后癫痫发作前出现了一种无法解释的快速脑氧过度。研究人员得出结论，fNIRS可以与EEG和其他方法相结合，用于监测儿童创伤后脑损伤。
3.2.3癫痫
fNIRS-EEG可以长时间连续监测，因为不需要过度限制受试者。这一特点在癫痫患者的研究中具有至关重要的意义。fNIRS-EEG同步测量被广泛应用于癫痫患者。
注意，本节中的研究是通过将它们细分为两种研究：一种是关注记录的信号的时间特征的研究(通常使用较少的fNIRS-EEG传感器)，另一种是对信号的空间信息内容更感兴趣的研究(通常使用较多的fNIRS-EEG传感器)。该划分并不是基于临床方面进行的，例如是否存在间歇性放电、局灶性癫痫和/或全身性癫痫。
Steinhoff等人进行了一项试验研究，他们将近红外光谱(fNIRS)记录与视频脑电图(video-EEG)相结合，对两名中颞源性顽固性癫痫患者进行术前评估。两个近红外传感器被放置在额叶上。同侧测量结果显示癫痫发作期间血饱和度明显降低，并出现峰值。基于视频脑电图和近红外光谱的结果，选择性海马杏仁核切除术的良好结果证实了正确的偏侧化。
在过去的二十年中进行的联合研究主要是为了评估fNIRS在癫痫患者中的有效性，主要关注在不同时间尺度和大脑位置的癫痫发作前、发作期间和发作后的血流动力学机制。关于使用fNIRS-EEG记录识别局灶性癫痫发作和癫痫样放电的良好回顾，请参阅参考文献。
Adelson等人结合fNIRS-EEG研究颅周期脑氧合。记录突发事件，并在发作前、发作内和发作后评估血氧可用性。这项研究是初步的，只包括两名患者（年龄差异很大），并且只使用了几个光极。他们发现，发作前1到10小时大脑氧合增加。持续发作活动和孤立发作事件与脑氧可用性降低相关。不同类型癫痫发作的脑氧可用性存在差异。seal通过同时记录fNIRS和video-EEG研究额叶头皮的血流动力学变化是否可以预测颞叶癫痫发作。一个近红外光谱传感器被放置在6名患者第一次记录到癫痫的同侧。rSO2在癫痫发作前5分钟左右阶段增加，接近发作时下降。癫痫发作后，rSO2再次增加，过度氧化状态持续约35分钟。Sokoloff等研究了20例围期危重新生儿。他们通过同时的近红外光谱(fNIRS)和视频脑电图(video-EEG)估计了大脑和全身的rSO2。与基线和发作后阶段相比，癫痫发作期间rSO2下降(基线81.2 vs .发作期77.7 vs .发作后79.4)。FTOE在癫痫发作期间最高。此外，他们评估了服用苯巴比妥对婴儿的影响。给药后，脑rSO2升高，FTOE下降，与苯巴比妥剂量呈单调关系。Roche-Labarbe等人研究了儿童失神癫痫期间的代谢/血流动力学大脑活动。他们用fNIRS-EEG系统测量HHb、O2Hb和HbT(左额区1个fNIRS通道，11个电极根据10-20系统定位)。他们记录了6例广泛棘慢波发放(generalized spike-and-wave discharges, GSWD)患者的额叶血流动力学波动。GSWD与额叶区组织氧合增加有关(在GSWD发生前10秒开始)，随后是一个强的脱氧阶段，氧合和CBV再次增加，最后回到基线。Watanabe等人研究了12例难治性癫痫患者在癫痫发作期间的区域CBV。采用8通道或24通道近红外光谱分别对9名受试者和3名受试者进行测试。用倍镁瑞德注射液诱发癫痫发作。在所有病例中，rCBV在癫痫发作后迅速增加。rCBV的增加持续时间为30 ~ 60 s。Shichiri等监测了两名有症状性癫痫患者的CBV，这些患者的癫痫放电在脑电图中未被识别。fNIRS监测显示右额叶CBV升高，发病前10 min开始，持续3 h。
此外，更复杂的近红外光谱分析被用于癫痫活动的检测。Machado等人比较了TD和基于GLM方法的时频域(小波)方法来检测癫痫活动期间的血流动力学反应。利用脑电图检测癫痫发作放电时间。这个研究基于一位癫痫患者，通过使用不同的信噪比的两种真实模拟进行了测试。对于fNIRS，小波分析比TD分析更具体。43个fNIRS通道(21个光源和8个探测器)分别位于右额区、双侧矢状窦旁区和双侧中央沟。19个电极的EEG按10 - 20系统放置。在10岁的癫痫患者中发现CBV的局灶性增加，与术后证实的癫痫源性病灶一致。
Pouliot等人利用高密度fNIRS-EEG记录(超过100个fNIRS通道和19个EEG传感器)研究了后癫痫。在脑电图上标记尖峰和癫痫，并用标准的血流动力学反应函数进行卷积，用于GLM分析。在检查的9名患者中，有7名患者的癫痫发作(3名患者)和尖峰发作(7名患者)的GLM结果对癫痫灶广泛敏感，并且在5名患者身上存在特异性。Hbb反应局限于枕叶或顶叶区域。同一组还报告了fNIRS-EEG记录和分析，用于监测颞叶和额叶癫痫发作。作者发现癫痫发作时双侧CBV和O2Hb增加，Hbb下降，接着Hbb上升。此外，他们发现当癫痫活动局限于颞叶时，早期远端额叶和/或顶叶区域的血流动力学发生了不均匀的变化。额叶癫痫发作的血流动力学改变包括偏侧化和局部CBV和O2Hb的增加，以及异质性Hbb反应。此外，在同源对侧区域观察到快速的血流动力学改变，即使没有明显的传播性癫痫活动。
其他涉及fNIRS-EEG测量的研究是针对致痫灶的定位。Watanabe等研究了在32例难治性癫痫患者的长期脑电图监测中使用多通道fNIRS(24通道)来评估CBV变化。目的是找到引起癫痫的病灶。在96%的病例中，fNIRS显示癫痫病灶侧明显的高灌注，而单光子发射计算机断层SPECT显像显示69%的病例高灌注。Peng等人同时对40名耐药局灶性癫痫患者进行了一项fNIRS-EEG研究，该研究使用了大范围的双侧覆盖(64个光源和16个探测器，19个EEG电极)。他们绘制了癫痫发作间期放电引起的血红蛋白波动的地形图。他们报告了62%的新皮质癫痫患者在癫痫病灶被确定的情况下HHb的显著变异。对难治性癫痫患者的术前调查也进行了研究。Gallagher等人记录了fNIRS-EEG信号，以评估起病区位置(28个fNIRS通道位于右额双侧矢状窦旁区和双侧中央沟，18个EEG电极)。一名患者接受了长时间的记录，并将结果与其他手术前技术进行了比较。结果表明，fNIRS-EEG联合应用可提高始发区定位的准确性。在最近的一项研究中，评估了fNIRS-EEG对顽固性癫痫男孩的术前可用性。在这项研究中，他们将受试者在执行表达和接受性语言任务时获得的高密度fNIRS(11个探测器和46个光源)结果与使用fMRI获得的结果进行了比较。该案例研究说明了fNIRS对患有癫痫和认知或行为问题的儿童的语言功能定位有积极作用的潜力，以及在术前评估中它比fMRI有潜在的优势。
Arca Diaz等人研究了fNIRS在治疗有轻微或无临床表现的癫痫持续状态婴儿的有效性。同时监测EEG活动和脑rSO2。他们发现抗癫痫药物影响rSO2波动和EEG癫痫发作的频率。他们认为fNIRS可以用来衡量具有类似疾病表现的患者抗癫痫药物的效果。在另一项最近的研究中，Visani等人评估了皮质性肌阵挛患者单侧手部运动时的血流动力学和脑电图信号。使用TD-fNIRS-EEG(感觉运动区16个fNIRS通道，以C3和C4为中心，19个脑电图传感器)和fMRI对10名进行性肌阵挛性癫痫患者和12名健康对照组进行了测量。分析运动任务中α和β波段的HHb、O2Hb、BOLD变化和ERD/ERS。在患者组，TD-fNIRS和fMRI数据高度相关。TD-fNIRS和fMRI显示，与对照组相比，患者组的血流动力学改变更小，运动后β反弹最小或不存在。
3.2.4外科手术
fNIRS-EEG由于其轻量级的特性，尤其在使用少量通道系统时，适用于术中监测。联合测量在全身麻醉下颈动脉内膜切除术(CEA)中应用于监测脑功能和氧合，通常采用灵活的单通道或多通道fNIRS系统。监测的目的是预测围手术期需要动脉分流的脑缺血。事实上，CEA过程中的夹持会导致脑血流发生重大变化，从而导致脑损伤。在颈动脉CEA中，使用fNIRS测量rSO2，并监测双侧EEG信号。de Letter等人以EEG为金标准，旨在评估fNIRS脑血氧测定在CEA期间对缺血的敏感性和特异性。脑血管rSO2在夹持期间的变化与脑电分析数据进行比较。在rSO2下降5%的临界值下，灵敏度为100%，特异性为44%。他们的结论是，fNIRS rSO2指标单独不足以获得良好的过程特异性，需要进一步验证。同样的方法和相似的结果也被其他研究者调查过。Moritz等人将fNIRS-EEG与经颅多普勒(TCD)和颈内动脉压(残端压，SP)测量相结合。脑电图测量基于SEP估计。在48例区域麻醉下接受颈动脉手术的患者中，当神经功能恶化时假设有脑缺血。在夹持过程中，记录最小rSO2及其百分比变化、SEP振幅百分比变化、TCD平均速度百分比变化、TCD平均速度百分比变化和SP的平均变化。数据分析突出了TCD和rSO2百分比变化以及SP测量的最佳性能。SEP监测的性能较低。Mauermann等用双侧fNIRS-EEG研究了90例单侧CEA患者。评估脑rSO2的变化。CEA颈动脉交锁术中rSO2的普遍下降与脑电图的分流需要有关。
Pennekamp等人在一项前瞻性群组研究中进行了fNIRS-EEG和TCD测量。通过预先确定的脑电图alpha、beta、theta或delta活动的变化，选择性地放置腔内分流器。估计额叶rSO2和平均血流速度(TCD)。ROC分析显示，全身麻醉时CEA检测脑缺血的最佳临界值为rSO2下降16%，平均速度下降48%。作者发现，fNIRS和TCD测量具有中等的敏感性，但具有很高的特异性。他们建议近红外光谱测量可以适用于排除患者不必要的分流使用。Perez等人发现，在夹持过程中，手术侧和对侧的rSO2显著低于基线值(分别为17.6%和9.4%)。分流术后，对侧rSO2恢复到基线，而手术侧rSO2明显低于基线(9.0%)，直到术后移除分流。在夹紧时，手术侧和对侧处理的脑电图也低于基线(分别为19.9%和20.6%)。然而，在分流激活后，处理后的脑电图回到双侧基线值。在研究过程中，他们发现rSO2监测器在临床上比脑电图监测器(20.0%失败率)更可靠(4.4%失败率)。作者的结论是，基于fNIRS的脑血氧测定在手术中区分手术侧和对侧比单独的EEG更好。他们还强调了在CEA期间预测脑缺血的综合指标来决定是否进行颈动脉分流的可能性。
fNIRS-EEG系统也被应用于心脏手术的监测。事实上，各种研究已经证明，许多接受心脏手术的患者都有中枢神经系统受损的证据。尽管有证据表明脑栓塞是此类患者围手术期中枢神经系统发病的主要原因，但脑灌注压和血流的改变也会影响栓塞损伤的程度。Nollert等用fNIRS-EEG评估了41例接受体外循环心脏手术的患者。用近红外光谱估计HHb和O2Hb。神经心理测试(如minimental-state test)表明4例患者术后存在可逆性神经心理缺陷。这些患者的HHb和O2Hb浓度变化支持了心脏手术后患者的神经心理缺陷可能是由术中脑缺氧引起的假设。
此外，fNIRS-EEG还可应用于低体温、常温及关节镜肩关节手术中主动脉弓修复过程中脑功能及氧合监测。
3.2.5精神病学
采用fNIRS-EEG测量可用于进行精神障碍评估。fNIRS-EEG记录有助于研究自然环境下的精神障碍人群。已有研究考察了双相情感障碍、精神分裂症和游戏成瘾的神经相关因素。双相情感障碍患者的fNIRS研究表明，与重度抑郁症患者或健康受试者相比，在语言流利性任务中前额叶活动较低，且近红外光谱反应发生改变。EEG显示，gamma, beta和alpha波段活动的改变与额叶异常激活和额颞-顶叶连通性缺陷有关。
已有研究使用fNIRS-EEG系统考察精神分裂症患者可能的语言感知神经生理标记。特别是，fNIRS与ERPs结合，这在以前被证明是研究精神病人语言处理能力的有用工具。向22名患者呈现字面的、隐喻的或无意义的句子，EEG分析显示精神病人N400和左半球激活均发生改变。与对照组不同的是，相关分析显示精神病人的fNIRS-ERPs关联较弱。最后，有研究对日本游戏成瘾人群进行了fNIRS-EEG研究。结果显示，在游戏过程中，O2Hb的下降与成瘾受试者的beta波段功率的下降相关，但alpha波段功率没有变化。
虽然目前研究较少，但表明联合fNIRS-EEG测量对精神病患者的评估是可行的。
3.2.6康复
康复是神经系统疾病急症后护理的基本组成部分。fNIRS-EEG监测恢复期脑活动，对不限制患者活动的情况下提供脑功能信息有很大帮助。fNIRS-EEG监测已被应用于康复目的，无论是监测功能性大脑恢复，还是通过依赖于先前描述的BCI技术的程序，主要用于步态康复。Pittaccio等人研究了早期被动运动在刺激控制下肢的大脑皮层区域中的潜在作用。他们通过fNIRS-EEG(64通道-传感器)系统监测了4名受试者在下肢主动和被动活动过程中运动和躯体感觉区域的大脑活动。记录过程的空间相关性分析强调了两种测量中主动和被动活动的相似模式，特别是在对侧运动前区。结果表明，被动运动可以提供与自主控制类似的处理方式的躯体感觉信息。fNIRS-EEG也已通过BCI用于急性后神经运动恢复。脑卒中运动康复BCI包括强化训练，将与患者移动麻痹肢体意图相关的大脑活动与辅助装置引导的麻痹肢体运动的偶发感觉反馈联系起来。在一项对照研究中，BCI训练被证明可以显著改善脑卒中患者的严重麻痹的运动表现。
4.fNIRS-EEG:目前的局限性和未来的发展方向
fNIRS-EEG系统发挥了这两种技术在不适合其他神经成像模式的情况下进行的优势，这种多模态方法是评估脑电活动和血流动力学/氧合状态的有用工具。鉴于近30年来fNIRS-EEG在多个领域的应用和持续发展的势头，多模态技术的前景是可观的。
与fMRI等其他技术相比，必须提到的是，fNIRS-EEG测量对大脑皮层深层活动的敏感性较差。此外，结合这两项技术的主要局限在于在同一个头皮表面分布双方光电器件的矛盾，布局位置不足可能影响到器件的机械可靠性，尤其是在使用大量传感器的情况下。EEG通常需要使用凝胶、盐水和/或膏状物来保持电极在原位并降低阻抗，而良好的fNIRS信号依赖于机械刚性和与头皮表面适当的光电耦合。事实上，标准的fNIRS通过光纤束将光注入和检测头皮。光纤允许受试者电绝缘。然而，光纤与EEG电线结合，可能会给受试者带来不适，从而折损轻量化、便携性和灵活性的优势。事实上，标准的fNIRS探测器很难直接放置在受试者的头上，特别是有EEG凝胶存在的情形下。这是由于所采用的敏感探测器的高电压偏差，如光电倍增管或硅雪崩光电二极管。这也导致了在受试者头部放置电极和光电器件的准备时间很长。虽然这种局限性可以通过增加光学贴片和电极帽的机械稳定性和可靠性来部分克服，但这两种系统都需要在受试者头皮上精确放置数十个电极/光电器件。可以采用不同的程序和技术进步来跨越这些限制。从fNIRS的角度来看，使用发光二极管、硅光电倍增管(SiPM)和/或硅光电二极管(SPDs)可以增加空间可用性，避免使用光纤/束。在脑电图中使用干电极可以避免导电膏。值得一提的是，很少有人尝试创建fNIRS-EEG组合解决方案，而这两种技术的应用常常基于两个独立的电缆系统。据我们所知，市场上缺乏稳定舒适的fNIRS-EEG帽子的可用解决方案。虽然在过去的10年里取得了一些进展，但还没有一个完美的解决方案，大多数研究团队都自己制作帽子。考虑到本综述中所报道的研究中所使用的光电二极管和电极数量的巨大可变性，这一点是显而易见的。这个问题是fNIRS-EEG记录在临床和非临床环境中广泛使用的一个明显的限制因素。
联合测量系统的机械结构发展，将为开发更加稳定和易于穿戴的fNIRS-EEG系统提供契机。便携式、无光纤、特别是无线的fNIRS-EEG装置的发展，将推进该系统应用到更多日常生活场景。这对于诊断大脑功能异常是至关重要的，因为人为的和严格约束环境可能会干扰患者的行为和生理状态。此外，无线系统绝对更适合临床环境。
5. 结论
本文对近红外光谱(fNIRS)、脑电图(EEG)以及fNIRS-EEG联合系统进行了介绍和讨论。此外，多模态测量在临床和非临床上的主要研究领域被列出。fNIRS依赖于光谱测量，可以提供血流动力学波动和大脑氧合的估计，而EEG可以有效地用于测量脑电活动的时间动态。因此，fNIRS和EEG提供了不同的物理和生理信息，以其灵活、轻量级的优势应用于很多大脑研究领域。
在非临床应用中，fNIRS-EEG通过测量人类大脑功能的时空血流动力学和电活动，研究评估了大脑对外部感官刺激(听觉或视觉)或更复杂的大脑功能(如语言、运动意图、WM和情绪)的反应。fNIRS-EEG也被应用于社会互动研究。在脑功能领域的一个有趣的应用是研究重力条件变化时的脑状态本体感觉。此外，BCI清楚地显示了多模态fNIRS-EEG记录的有益作用。多模态BCI主要应用于感觉运动成像和SSVEP分类。fNIRS- EEG系统还被用于研究神经血管耦合。采用三种不同的实验方法，用fNIRS-EEG评估神经血管耦合。一些研究小组采用静息状态范式研究神经血管耦合。另一些人则根据任务相关反应来评估神经血管耦合。进一步研究了依赖于血管外或电操作(通过阳极tDCS)的神经血管耦合。fNIRS-EEG在非临床环境中的一个次要应用领域是睡眠研究。
在临床环境中，fNIRS-EEG因其便携性、重量轻、适合长期监测而被广泛应用于新生儿监测。一般来说，在新生儿和整体临床研究中，与非临床应用相比，使用更稀疏的光极和电极阵列。fNIRS-EEG已被应用于新生儿出生后立即监测脑缺氧或脑活动及氧合情况。采用fNIRS-EEG同步监测深低温停循环。对疼痛治疗的反应和感觉相关的大脑反应的程度进行评估。fNIRS-EEG在临床中的另一个重要应用是癫痫患者监测。在这一领域，与新生儿相似，fNIRS-EEG灵活性对于连续记录至关重要。许多研究集中于癫痫发作前、发作中和发作后的血流动力学机制。一些研究是为了提高对癫痫活动的时间检测，而另一些研究是针对致痫灶的识别。此外，fNIRS-EEG还可用于研究婴儿轻微癫痫持续状态及皮质肌阵挛监测。联合测量也已应用于CEA术中监测脑功能及氧合情况，也有其他手术环境，如低温或常温下的主动脉弓修复手术、肩关节镜手术。其他临床应用包括康复、儿童发展(智力迟缓、ADHD和TBI)和精神障碍(双相情感障碍、精神分裂症和游戏成瘾)。
多模态技术的局限性包括fNIRS使用的光纤、EEG使用的导电凝胶的共存带来的问题，以及缺少标准化帽子。fNIRS-EEG未来的技术趋势可能会充分利用结合系统的灵活性和可移植性，用于临床和非临床环境，通过使用高灵敏度的半导体光探测器(如SiPM)直接位于头皮上进行fNIRS，以及在便携式、无纤维、甚至是带有标准化帽子的无线设备，都可能突破目前的局限。

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