Development and demonstration of a highly accurate brain activation extraction method from fNIRS data by fMRI simultaneous measurement

通过 fMRI 同时测量从 fNIRS 数据中开发和演示高精度大脑激活提取方法

基本信息

批准号：
19K20688
负责人：
岩野孝之
金额：
$ 2.25万
依托单位：
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
财政年份：
2019
资助国家：
日本
起止时间：
2019-04-01 至 2022-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

脳機能計測技術であるfNIRSは、fMRIやPETと比べて、非侵襲、安全、低コスト、高時間分解能、携帯性などの利点があり様々な環境での脳計測を行える可能性を持っているが、皮膚血流の変動などによるアーチファクトの混入という計測上の大きな問題があった。そこで、fNIRSのこの問題点を解決して様々な環境での信頼性の高い脳計測を可能にするため、皮膚血流の影響を受けない手法であるfMRIとの同時計測実験を行った。頭部の向きにより頭蓋内で脳表面が移動し、頭皮から脳表までの距離が変化して、それに伴いfNIRSの光路が変化する可能性を調べるため、仰臥位と腹臥位でMRI撮像を行い、脳表の位置を比較した結果、脳表の位置のずれは1mm未満であり、fNIRSの光路には大きな変化を及ぼさないことが確認できた。頭皮とのプローブの接触面の変化がfNIRSデータに及ぼす影響を調べるため、顎の開閉と眉毛の上下のタスクを行った際のfNIRSデータを取得したところ、双方のタスクにおいて、fNIRSデータの波形は動作の開始後1秒以内の短時間に垂直的に変化し、動作の終了後1秒以内に元の位置に戻った。同時に計測したfMRIデータの変動との有意な相関は無かったため、脳賦活の変化による変動ではなく、頭皮とのプローブの接触面の変化による物理的変化であることが確認された。皮膚血流変化を能動的に引き起こすタスクとして、15秒間の息止めや、15秒間のいきみ（バルサルバ法）を行い、その際のfMRIとfNIRSデータを取得した。双方のタスクにおいて、自律神経由来の血圧変動に呼応する形のfNIRSデータの変動が見られた。fMRIデータでは、脳の灰白質全体においてBOLD信号の変動が見られた。fMRIデータの各時点での灰白質全体のBOLD信号の平均値を差し引くことにより、これらのBOLD変動は小さく抑えることができることを確認した。

与fMRI和PET相比，脑功能测量技术FNIRS具有在各种环境中进行大脑测量的潜力，具有非侵入性，安全性，低成本，高成本，高时间分辨率和可移植性等优点，但是存在一个主要的测量问题，例如由于皮肤血液流量而导致的伪影污染。因此，为了解决FNIRS解决此问题并在各种环境中实现可靠的大脑测量，我们使用fMRI进行了同时测量实验，该技术不受皮肤血流影响。为了调查脑表面在头骨内部移动的可能性，具体取决于头部的方向，从头皮到大脑表面的距离发生变化，而FNIR的光学路径将相应地发生变化，MRI图像在仰卧和俯卧位置上进行，以及大脑表面的位置的比较，并且在那儿的位置不太明显，而不是1MM MM的位置。为了调查用头皮对FNIRS数据的探针接触表面变化的影响，我们从打开和关闭下颌和上下眉毛的任务中获得了FNIRS数据。在这两个任务中，FNIRS数据的波形在操作开始后的1秒内垂直变化了一小段时间，并在操作结束后的1秒内返回其原始位置。与同时测量的fMRI数据的变化没有显着相关性，因此可以证实，物理变化不是由大脑激活的变化引起的，而是由于探针与头皮的接触表面的变化而引起的。随着主动导致皮肤血流变化的任务，我们进行了15秒的呼吸，并获得了15秒的立场（Valsalva方法），并获得了fMRI和FNIRS数据。响应于两项任务中的自主神经系统血压波动，观察到FNIRS数据的变化。 fMRI数据显示了大脑灰质跨大脑信号的变化。通过在fMRI数据中的每个时间点减去灰质上的平均粗体信号，可以证实这些大胆波动可以保持较小。