موضوع مقاله: طیف‌نگاری کارکردی فروسرخ نزدیک | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # طیف‌نگاری کارکردی فروسرخ نزدیک | مقدمه: تصویربرداری و نوار مغزی از فعالیت مغز به کمک پرتو فروسرخ یا نزدیک به فروسرخ، برای تخمین فعالیت همودینامیکی قشر مغز به‌کار می‌رود که در پاسخ به فعالیت عصبی رخ می‌دهد. | ## بخش 1: طیف‌نگاری کارکردی فروسرخ نزدیک | این روش در کنار نوار مغزی یکی از پرطرفدارترین روش‌های تصویربرداری عصبی غیر تهاجمی است که می‌تواند به صورت قابل حمل به‌کار برده شود؛ این سیگنال اغلب با سیگنال تصویر برداری وابستگی میزان اکسیژن خون مقایسه می‌شود و قادر به اندازه‌گیری تغییرات غلظت اکسی هموگلوبین و دی اکسی هموگلوبین است؛ اما فقط می‌تواند از مناطق نزدیک به قشر مخ اندازه‌گیری کند. این روش همچنین ممکن است به عنوان توپوگرافی نوری شناخته شود و گاهی اوقات برای سادگی با عنوان NIRS نیز شناخته می‌شود. هنگامی که نور از سر عبور می‌کند، به‌طور متناوب توسط بافتی که از آن می‌گذرد، پراکنده شده یا جذب می‌شود. از آنجا که هموگلوبین یک جذب‌کننده چشمگیر نور فروسرخ نزدیک است، می‌توان از تغییرات میزان نور جذب شده برای اندازه‌گیری قابل اعتماد غلظت هموگلوبین بهره‌گیری کرد. روش‌های مختلف fNIRS همچنین می‌توانند از روش انتشار نور برای برآورد حجم خون و اکسیژن رسانی بهره گیرند. این یک روش ایمن و غیرتهاجمی است و می‌تواند در کنار دیگر روش‌های تصویر برداری نیز به‌کار رود. fNIRS یک روش تصویربرداری غیرتهاجمی است که شامل کمی‌سازی (اندازه‌گیری) غلظت کروموفور است. غلظت کروموفورها از اندازه‌گیری میرایی نور فروسرخ نزدیک یا تغییرات زمانی یا فازی به دست می‌آید. نور طیف fNIRS از مزیت پنجرهٔ نوری فروسرخ نزدیک (فاصله طیفی ۷۰۰–۹۰۰ نانومتر) بهره می‌برد. در این پنجره نوری پوست، بافت و استخوان تقریباً شفاف هستند و هموگلوبین اکسیژن‌دار (Hb) و هموگلوبین فاقد اکسیژن (deoxy-Hb) جذب‌کننده‌های قوی این طیف نور هستند. این پدیده اندازه‌گیری تغییرات نسبی غلظت هموگلوبین را به کمک ویژگی میرایی نور در طول موج‌های گوناگون فراهم می‌کند. با بهره‌گیری از قانون بیر- لمبرت اصلاح شده، تغییرات نسبی غلظت می‌تواند به‌عنوان تابعی از کل طول مسیر طی شده فوتون محاسبه شود. به‌طور معمول، ساطع کننده نور و آشکارساز هر دو بر یک طرف سطح جمجمه سوژه قرار می‌گیرند؛ بنابراین اندازه‌گیری‌های ثبت شده از نور پراکنده برگشتی (منعکس شده) پس از طی کردن مسیرهای بیضوی است. fNIRS بیشترین حساسیت همودینامیکی را به تغییراتی که در نزدیکی پوست سر رخ می‌دهند دارد. این آرتیفکت‌های سطحی غالباً با بهره‌گیری از آشکارسازهای اضافی نور که در نزدیکی منبع نور قرار دارند، تشخیص‌پذیر می‌شوند. این قانون دربرگیرندهٔ ارتباط شدت نور جذب شده در اثر عبور از ماده همگن بدون پراکندگی با خصوصیات مواد است. این قانون به‌طور کلی به‌صورت زیر بیان می‌شود: که در آن شدت نور اولیه، I شدت نور عبوری و A مقدار جذبabsorbance ماده است؛ که به صورت زیر تعریف می‌شود: که در آن a ضریب جذب ماده (گاهی نیز با ε نشان داده می‌شود)، b طول نمونه (ظرف نمونه) و c غلظت آن است. تغییرات در شدت نور را می‌توان به تغییر غلظت نسبی هموگلوبین از طریق قانون اصلاح‌شده بیر-لمبرت ربط داد. این روش همچنین برای تعیین اندازه تغییرات غلظت هموگلوبین، از تغییرات نسبی در میرایی نور و قانون بیر- لمبرت سود می‌برد. در سال ۱۹۸۹، هاماماتسو با همکاری دیوید دلپی از دانشگاه کالج لندن، اولین سامانه تجاری NIRS را با نام NIR-1000 ساختند که یک دستگاه پایش (مانیتورینگ) اکسیژن مغزی بود. در سال ۱۹۹۳، چهار مقاله منتشر شد که امکان‌پذیری fnirs در انسان بالغ را نشان داد. این تلاش زمانی آشکار شد که این گروه، به همراه کارشناس برجسته خود، دکتر هیداکی کویزومی، یک گردهمایی را برای اعلام اصل "توپوگرافی نوری" در ژانویه ۱۹۹۵ برگزار کردند. در واقع، اصطلاح توپوگرافی نوری از مفهوم بهره‌گیری از نور در "نقشه برداری دو بعدی به همراه اطلاعات یک بعدی" یا توپوگرافی گرفته شده است. سپس، هارومی اویشی، دانشجوی دکتری دانشگاه ناگویا، رساله دکتری خود را در سال ۲۰۰۳ با موضوع "الگوهای فعالیت عصبی کورتکس در زبان آموزان با بهره‌گیری از ETG-100" زیر نظر پروفسور تورو کینوشیتا منتشر کرد و چشم‌انداز تازه‌ای دربارهٔ به‌کارگیری fNIRS ارائه کرد. در حقیقت، برای اندازه‌گیری تغییرات دقیق غلظت HbO با قانون بیر-لمبرت اصلاح شده، باید طول مسیر طی شده فوتون را بدانیم. | ## بخش 2: طیف‌نگاری کارکردی فروسرخ نزدیک | با این حال، این سامانه هیچ اطلاعاتی از طول مسیر فوتون ارائه نمی‌دهد، بنابراین تغییرات در غلظت HbO نسبت به طول مسیر ناشناخته است. بسیاری از سامانه‌های تجاری fnirs موج پیوسته، از تخمین‌های طول مسیر فوتون به‌دست آمده از شبیه‌سازی رایانه‌ای مونت کارلو و مدل‌های فیزیکی، برای تخمین تقریبی کمیت غلظت هموگلوبین بهره می‌برند. در این معادله OD چگالی نوری یا میرایی است، I0 شدت نور ساطع شده را نشان می‌دهد و I شدت نور اندازه‌گیری شده می‌باشد. در نتیجه محاسبات به حالت دیفرانسیلی در زمان حل می‌شوند و معادله به معادله زیر کاهش می‌یابد: که d کل طول مسیر تصحیح شده فوتون است. با استفاده از یک سیستم دو طول موجی، اندازه غلظت HbO2 و Hb را می‌توان از حل معادله ماتریسی زیر به دست آورد: fNIRS موج پیوسته به دلیل سادگی و مقرون به صرفه بودن، رایج‌ترین شکل fNIRS است زیرا ارزان‌ترین هزینه ساخت را دارد، با کانال‌های بیشتر قابل به‌کارگیری است و از وضوح زمانی بالایی برخوردار است. با این حال، تفاوت بین تغییرات جذب و پراکندگی را تشخیص نمی‌دهد و نمی‌تواند مقادیر جذب مطلق را اندازه‌گیری کند؛ این بدان معنی است که فقط به تغییر نسبی غلظت HbO حساس است. سادگی و مقرون به صرفه بودن دستگاه‌های مبتنی بر موج پیوسته برای تعدادی از کاربردهای بالینی مطلوب‌ترین روش است: مراقبت از نوزاد، سامانه‌های پایش بیمار، توموگرافی نوری منتشر و غیره. افزون بر این، به لطف توانایی جابجایی آن، سامانه‌های موج پیوسته بی‌سیم گسترش یافته‌اند که این امکان را ایجاد می‌کنند تا افراد در محیط‌های سرپایی، بالینی و ورزشی تحت نظر قرار گیرند. این سامانه میرایی، تغییر فاز و متوسط طول مسیر نور عبوری از بافت را اندازه‌گیری می‌کند. سامانه چند مسافته، که بخشی از fNIRS حوزه بسامد است، نسبت به تفاوت در رنگ پوست حساس نیست و بدون در نظر گرفتن تنوع سوژه‌های مورد بررسی، نتایج ثابت می‌دهد. تغییرات دامنه و فاز سیگنال برگشتی پراکنده، امکان اندازه‌گیری ضریب‌های جذب و پراکندگی بافت را فراهم می‌کند، بنابراین دیگر نیازی به اطلاعات طول مسیر فوتون نخواهیم داشت. همچنین از ضریب‌های به دست آمده، تغییرات غلظت پارامترهای همودینامیک را تعیین می‌کنیم. به دلیل نیاز به لیزرهای مدوله شده و همچنین اندازه‌گیری‌های فازی، دستگاه‌های مبتنی بر سامانهٔ حوزه بسامد از نظر فنی نسبت به دستگاه‌های بر پایه موج پیوسته، پیچیده‌تر هستند. (بنابراین گران‌تر و بسیار کم‌تر جابجا شونده هستند) سامانه قادر به اندازه‌گیری مقدار مطلق غلظت‌های HbO و HbR است. حوزه زمان سامانهٔ حوزه زمان یک پالس کوتاه فروسرخ نزدیک با طول پالسی در مرتبه پیکو ثانیه (حدود 70 ps) تولید می‌کند. از طریق اندازه‌گیری‌های زمان عبور، ممکن است با تقسیم زمان به دست آمده بر سرعت نور، طول مسیر فوتون به‌طور مستقیم به دست آید. اطلاعات مربوط به تغییرات همودینامیکی را می‌ت وان در میرایی، زوال و مشخصات زمانی سیگنال برگشتی پراکنده یافت. برای این فناوری شمارش فوتون معرفی شده، به منظور حفظ خطی بودن ۱ فوتون برای هر ۱۰۰ پالس شمارش می‌کند. دستگاه‌های fnirs حوزه زمان دارای سرعت نمونه برداری آهسته و همچنین تعداد طول موج محدودی هستند. به دلیل نیاز به دستگاه شمارش فوتون، تشخیص سرعت بالا و انتشار دهنده‌های پرسرعت، روش‌های حل شده با زمان گرانترین و از نظر فنی پیچیده‌تر هستند. دستگاه‌های حوزه زمان کاملاً غیرمتحرک، اشغال کننده فضا، پیچیده‌ترین از نظر ساخت، پر هزینه‌ترین، بزرگ‌ترین و سنگین‌ترین هستند. اما با این وجود، بالاترین حساسیت به عمق را دارند و توانایی ارائه دقیق‌ترین مقادیر پایه هموگلوبین و اکسیژن رسانی را دارند. با بهره‌گیری از یک اندازه‌گیری فضایی، سامانه‌های طیف‌سنجی همبستگی پراکنده برای انجام این محاسبه به طول مسیر فوتون نیاز ندارند، با این حال غلظت‌های اندازه‌گیری شده از اکسی-هموگلوبین و دی‌اکسید-هموگلوبین وابسته به ضریب ناشناخته پراکندگی در بافت است. این روش معمولاً در سامانه‌های اکسیژن‌سنجی مغزی که شاخص اکسیژن بافت (TOI) یا شاخص اشباع بافت (TSI) را گزارش می‌دهند، به‌کار می‌رود. این جعبه ابزار فضای نام +nirs را تعریف می‌کند و شامل مجموعه‌ای از ابزارها برای پردازش سیگنال، نمایش و بررسی آماری داده‌های fNIRS است. | ## بخش 3: طیف‌نگاری کارکردی فروسرخ نزدیک | افزون بر این، همچنین به کاربر اجازه می‌دهد پروب‌هایی را طراحی کند که در نهایت می‌توانند بر روی سر سوژه قرار گیرند. کاربرد رابط مغز کامپیوتر fNIRS با موفقیت به عنوان سیگنال کنترلی برای سامانه‌های رابط مغز و رایانه به‌کار رفته است. اتصالات کارکردی میان نواحی مغز از اندازه‌گیری fNIRS می‌توان برای شناخت اتصالات عملکردی مغز بهره‌گیری کرد. به موجب آن همبستگی زمانی بین وقایع مجزا از نظر مکانی می‌تواند تجزیه و تحلیل شود. اتصال عملکردی معمولاً همبستگی بین پاسخ‌های همودینامیک مناطق هدف را که از نظر مکانی مجزا هستند، در نظر گرفته می‌شود. در مطالعات مغزی، اندازه‌گیری اتصالات کارکردی معمولاً برای داده‌های بیمار در حالت استراحت و همچنین داده‌های ثبت شده در پارادایم‌های تحریک انجام می‌شود. با توجه به هزینه کم، قابل حمل بودن و رزولوشن زمانی بالای fNIRS، در سنجش با fMRI، این روش در برخی پژوهش‌ها سودمندتر است. نوزادان نارس را می‌توان زیر پایش قرار داد تا کم‌اکسیژنی مغزی و پراکسیژنی مغزی را با الگوهای مختلف فعالیت کاهش داد. همچنین این یک کمک مؤثر در ایجاد گذرگاه فرعی قلبی-ریوی است و برای بهبود نتایج بیمار و کاهش هزینه‌ها و اقامت درازمدت بسیار سفارش می‌شود. افزون بر جایگاه‌های استاندارد الکترودها، می‌توان کانال‌های تفکیک کوتاه را هم افزود. از آنجا که کانال‌های تفکیک کوتاه، سیگنال ناشی از پوست سر را اندازه‌گیری می‌کنند، سیگنال لایه‌های سطحی را که آرتیفکت به‌شمار می‌آیند را می‌توان حذف کرد. تصویر برداری عصبی کارکردی به‌کارگیری از fNIRS به عنوان یک روش تصویر برداری عصبی عملکردی متکی به اصل همبستگی عصبی-عروقی است که با نام پاسخ همودینامیک یا پاسخ وابسته به سطح اکسیژن خون (BOLD) نیز شناخته می‌شود. طبق این اصل، فعالیت عصبی یک ناحیه مغز با تغییرات مرتبط در جریان خون مغزی موضعی مرتبط است. fNIRS مزایای مختلفی در هزینه و توانمندی حمل نسبت به fMRI دارد، اما به دلیل محدودیت در قدرت گسیل کننده نور نمی‌تواند برای اندازه‌گیری فعالیت قشر بیش از ۴ سانتی‌متر به‌کار رود و دارای رزولوشن مکانی محدود تری است. با این روش همبستگی عصبی میان فردی (درون مغزی) در موقعیت‌های گوناگون اجتماعی بررسی می‌شود، که ثابت می‌کند fNIRS یک روش مناسب برای بررسی تعاملات اجتماعی زنده مغز به مغز است. مزایا و معایب مزایای fNIRS در میان روش‌های تصویر برداری مغز عبارتند از: غیرتهاجمی بودن، روش‌های کم هزینه، ایمنی کامل، رزولوشن زمانی بالا، سازگاری کامل با دیگر روش‌های تصویربرداری و نشانگرهای متعدد زیستی همودینامیکی. برای fNIRS این موارد عبارتند از: حساسیت کم به فعالیت‌های عصبی، تفکیک مکانی کم و عمق نفوذ کم. مسیرهای آینده علی‌رغم محدودیت‌های اندک، دستگاه‌های fNIRS نسبتاً کوچک، سبک، قابل حمل و پوشیدنی هستند. برای نمونه، آنها توانایی کاربرد در درمانگاه‌ها، پایش وضعیت کلی سلامت، یک محیط کاملاً طبیعی و به عنوان یک ردیاب سلامتی را دارند. در نهایت، افراد در معرض خطر در بیمارستان‌ها می‌توانند از مانیتورینگ عصبی و توانبخشی عصبی به کمک fNIRS، بهره‌مند شوند. Fnirs در مقایسه با دیگر روش‌های تصویر برداری عصبی مقایسه روش‌های تصویر برداری عصبی نکته مهمی است که باید مورد توجه قرار گیرد. هنگام مقایسه این روش‌ها، مهم است که به رزولوشن زمانی، رزولوشن مکانی و درجه آزادی حرکت توجه کنیم. EEG (الکتروانسفالوگراف) و MEG (مگنتوآنسفالوگرافی) وضوح زمانی بالایی دارند، اما وضوح مکانی کمی دارند. از تحرک و همچنین رزولوشن زمانی بالایی برخوردار هستند و از رزولوشن مکانی پایینی برخوردار هستند. اسکن‌های PET و fMRIها با هم گروه‌بندی می‌شوند، با این حال تفاوت آن‌ها با دیگر اسکن‌های تصویربرداری عصبی از همدیگر مجزا است. | ## جمع‌بندی | همه این اسکن‌های تصویربرداری عصبی دارای ویژگی‌های مهم و ارزشمند هستند که بسته به اهداف مورد نظر باید در موقعیت مناسب به‌کارگیری شوند.