通过使用表面近红外光谱 (NIRS) 测量的互易信息提高任务功能磁共振成像的灵敏度

1.研究背景

功能磁共振成像 (fMRI)在临床研究中具有广泛的用途。 fMRI 信号的一个主要问题是在低频范围 (<0.15 Hz) 中存在全身生理波动，这显着降低了任务诱导的对神经元激活的血流动力学反应的检测能力。在本研究中，QY球友会评估了一种简洁且计算效率高的方法，该方法通过考虑整个脑血管系统中的动态，从任务 fMRI 信号中去除系统性低频振荡 (sLFO)。此研究利用与近红外光谱 (NIRS) 同时记录指间HBO信息，并将检查 a) 功能对比度噪声比 (CNR)、b) 灵敏度和 c) 特异性的改进由此产生的 fMRI 激活图在单个主题和组级别。

2.研究方法

2.1 被试

共8名有效被试被招募，其中男性5名，女性3名。

2.2 实验材料

实验包含视觉刺激，但无具体描述。

2.3 实验过程

被试者先完成静息态扫描，随后是 4 分钟的连续减法实验和五次 3 分钟的视觉刺激接收，间隔 2 分钟的休息。

2.4 数据采集和处理

MRI数据由 Siemens TIM Trio 3T 扫描仪采集。NIRS数据使用 ISS Imagent（ISS, Inc., Champaign, IL）在 690 和 830 nm 处以 25 Hz 采集速率连续记录。在 fMRI 扫描期间，具有 MRI 兼容光纤的近红外扫描仪（Imagent, ISS, Inc., Champaign, IL）同时运行。 NIRS 数据通过放置在右指尖和覆盖右前额叶皮层区域的前额上的探针收集。指尖探头的源-检测器距离为 1.5 cm。 NIRS 数据以 6.25 Hz 的采样率和两个波长（690 和 830 nm）收集。在后处理步骤和带通滤波至 0.01-0.2 Hz 的过程中，NIRS 信号被转换为氧合血红蛋白 (HBO) 和脱氧血红蛋白 (HBR) 浓度变化的时间序列。

3.实验结果

延迟的指尖 HBO 信号更好地解释了 fMRI 信号的时间方差（p<0.05），相对于零滞后 HBO 信号的平均附加解释方差为 8%（图1A）。最佳延迟指尖 NIRS HBO 信号的解释方差得到改善，尤其是在大脑皮层的大量灌注区域和大血管，如上矢状窦和侧窦。该结果表明，对外周 NIRS-HBO 回归器应用最佳延迟允许调整每个体素中的血液到达。与激活掩码外的体素相比，指尖 NIRS-HBO 信号的时间延迟处理从激活掩码内的体素时间序列中去除了更多差异（图1B-C）

图1. 延迟和非延迟指间HBO信号的解释能力。

图3. Maxcc (a)和ALFF (b)的增加值所对应的有效体素空间分布

4.结论

考虑系统性低频噪声相对到达的时间延迟对于从 fMRI 数据中最佳去除噪声至关重要。 RIPTiDe 方法可以表征任何输入生理噪声建模回归器的体素特定时间延迟

5.文献名称及DOI号

Erdoğan, S.B., Tong, Y., Hocke, L.M., Lindsey, K.P. and Frederick, B.D.B., 2017, May. Improving sensitivity of task-iMRI by use of reciprocal information from peripheral near infrared spectroscopy (NIRS) measurements. In 2017 25th Signal Processing and Communications Applications Conference (SIU) (pp. 1-5). IEEE.

DOI:10.1109/SIU.2017.7960701