fNIRS
Jak działa
1) Optody nadawcze emitują światło bliskiej podczerwieni (zwykle co najmniej dwie długości fali z zakresu ~700–900 nm) na skórę głowy. 2) Fotony rozpraszają się w tkance po „banana-shaped” torze i część wraca do optod odbiorczych umieszczonych w odległości ok. 30 mm; głębokość penetracji odpowiada w przybliżeniu połowie tej odległości, sięgając kory. 3) Ze zmian natężenia zarejestrowanego światła, przy użyciu zmodyfikowanego prawa Beera-Lamberta, wyznacza się zmiany stężeń HbO i HbR (rozróżnialnych dzięki różnym widmom absorpcji; punkt izozbestyczny ~810 nm). 4) Odpowiedź hemodynamiczna (wzrost HbO, spadek HbR) jest markerem aktywności neuronalnej. 5) Cechy sygnału są filtrowane, oczyszczane z zakłóceń fizjologicznych (np. kanałami krótkiej separacji ~8 mm) i klasyfikowane, np. modelem uczenia maszynowego, na potrzeby BCI lub oceny stanu poznawczego.
Rozwiązany problem
Umożliwia nieinwazyjny, przenośny i względnie tani odczyt aktywności kory mózgowej w warunkach naturalnych (także w ruchu), wypełniając lukę między mało mobilnym, drogim fMRI a EEG o słabej rozdzielczości przestrzennej i innej (elektrycznej) naturze sygnału.
Komponenty
Diody/lasery emitujące światło bliskiej podczerwieni oraz fotodetektory rejestrujące światło powracające z tkanki, rozmieszczone na skórze głowy (para źródło-detektor tworzy kanał pomiarowy).
Oficjalna
Co najmniej dwie długości fali (jedna poniżej, jedna powyżej punktu izozbestycznego ~810 nm), aby rozdzielić wkład HbO i HbR.
Konwersja natężenia światła na stężenia HbO/HbR przez zmodyfikowane prawo Beera-Lamberta, filtracja, usuwanie artefaktów ruchowych i fizjologicznych oraz ekstrakcja cech.
Oficjalna
Implementacja
Systemowe zmiany krążenia (skóra głowy, ciśnienie, tętno) mieszają się z sygnałem korowym i mogą imitować aktywację.
fNIRS sięga jedynie powierzchownej kory (najczulszy tuż pod czaszką) i nie mierzy struktur głębokich.
Ruch optod i włosy (gęste/ciemne/kręcone) pogarszają kontakt i wprowadzają artefakty.
Wolna odpowiedź hemodynamiczna (szczyt ~5–6 s) ogranicza szybkość dekodowania intencji.
Ewolucja
Frans Jöbsis publikuje w Science, że światło bliskiej podczerwieni przenika tkankę i pozwala nieinwazyjnie monitorować utlenowanie in vivo.
Kilka grup badawczych niezależnie raportuje zmiany stężenia hemoglobiny podczas zadań poznawczych, ustanawiając fNIRS jako funkcjonalną modalność neuroobrazowania.
Wprowadzenie pojęcia „topografia optyczna” i jednego z pierwszych praktycznych, wielokanałowych systemów komercyjnych.
fNIRS zaczyna być wykorzystywany jako modalność sygnału dla interfejsów mózg-komputer, w tym sterowania urządzeniami.
Hiperparametry (konfigurowalne osie)
Liczba par źródło-detektor (kanałów). Więcej kanałów = lepsze pokrycie i rozdzielczość przestrzenna.
Co najmniej dwie długości fali w zakresie ~700–900 nm do rozdzielenia HbO i HbR.
Odległość między optodą nadawczą a odbiorczą; wpływa na głębokość penetracji (~połowa separacji).
Tryb aparatury fNIRS.
Złożoność obliczeniowa
Złożoność czasowa: O(kanały × próbki) na okno. Złożoność przestrzenna: O(kanały × bufor).
Wąskie gardło obliczeniowe
Głównym ograniczeniem nie jest moc obliczeniowa, lecz wolna dynamika odpowiedzi hemodynamicznej (opóźnienie kilku sekund), płytka penetracja (tylko kora) oraz zakłócenia z krążenia w skórze głowy i artefakty ruchowe.
Paradygmat wykonania
Ciągłe, równoległe próbkowanie wszystkich kanałów źródło-detektor.
Ciągła akwizycja sygnału optycznego, bez routingu.
Równoległość
Kanały i cechy można przetwarzać niezależnie/równolegle.
Wymagania sprzętowe
Akwizycja i analiza fNIRS są lekkie obliczeniowo i działają na CPU/urządzeniach wbudowanych; kluczowy jest dedykowany sprzęt optyczny (optody, źródła NIR, detektory).