摘要

可穿戴功能性近红外技术（fNIR）是一种非侵入性神经成像技术，价格合理、成本低、用户友好，是研究我们大脑在自然环境下工作的一项有前途的技术。一种实用的用户友好的fNIR设备，允许自然使用（例如，家庭使用），可以为健康、心理、政治/经济和生理影响带来前所未有的机会。与基于实验室的fNIR系统相比，可穿戴fNIR设备带来了额外的要求，包括尺寸、重量和运动/环境伪影，而不牺牲关键性能。此外，为了确保用户友好，必须适当考虑成本、功率、连接性、适应各种应用的灵活性和舒适性。本文综述了自然条件下的可穿戴fNIR，涵盖了为实现fNIR可穿戴性而开发的应用和技术。我们还强调了当前可穿戴fNIR设备的一些剩余挑战，包括有限数量的光电二极管。以及对用户对准和手动事件记录的需要。

关键词：FNIR；功能近红外；可穿戴；认可；脑血流动力学；氧合；自然主义条件

缩写：FNIR：功能近红外；EEG：脑电图；TMS：经颅磁刺激；PET：正电子发射断层扫描；FMRI：功能磁共振成像；MRI：磁共振成像；心电图：心电图

介绍

了解我们的大脑是如何以有形的方式工作的，对健康、心理、生理、政治和经济都有巨大的影响。因此，功能性神经成像已经引起了人们对开发具有不同程度成本、准确性、可用性、空间和时间分辨率的工具的强烈兴趣[1]。功能神经成像最常用的工具之一，脑电图（EEG），是一种以微秒级分辨率测量皮层神经元电信号的技术。然而，它的数据仅限于大脑表面。功能磁共振成像（fMRI）和正电子发射断层扫描（PET）也被用于许多涉及大脑功能或活动的认知研究。然而，当前的系统体积大、速度慢，需要固定受试者以减少运动伪影。此外，PET通常使用放射性示踪剂，这限制了其在自然条件下（即自然、日常条件）的使用。相比之下，与PET、ECG和MRI相比，fNIR（功能近红外光谱）提供了相对快速的响应、合理的空间分辨率和更大的运动耐受性[2,3]。同样重要的是，fNIR可以很容易地以更小的外形尺寸、更低的成本和最小的侵入性实现。这些优点使得fNIR可以作为可穿戴设备在自然条件下部署。这篇综述旨在为可穿戴功能近红外（fNIR）技术、其现状及其在自然条件下的潜在应用提供背景。

FNIR光谱利用红外光探测大脑组织的血流动力学，进而反映大脑的新陈代谢及其功能[4]。FNIR基于脑血中氧血红蛋白和脱氧血红蛋白在两种不同波长下的吸收或散射差异。利用来自其他波长的信号，还可以探测新陈代谢（氧化细胞色素氧化酶）[5]。Jobsis是第一个证明在过度换气期间可以检测成人皮层血流动力学的人[4]；后来，Chance等人于1992年用一个通道进行了第一次fNIR研究，Hoshi等人于1993年用多个同时通道进行了研究[6,7]。常见的fNIR检测模式包括连续波、频域和时域，其中连续波是实施最简单且成本最低的，尽管它提供了氧和脱氧血红蛋白浓度的变化，而不是绝对值[8]。许多可穿戴式fNIR设备采用了连续波模式，以实现紧凑和低成本的设计，这将直接影响其用户友好性和经济性。

传统上，为fNIR认知测试设计的许多心理任务都是在临床环境中进行的，这些环境和混杂因素与自然条件不同，并不反映我们的日常事件[9]。为了在自然条件下进行认知测试，几个小组开发了可穿戴的fNIR系统[8]。例如，Almajidy等人开发了多通道NIRS系统[10]。Piper等人后来开发了一种可佩戴的多通道fNIRS系统，用于使用头帽自由移动的受试者[11]。Strangman等人开发了一种可穿戴设备，该设备带有多模态生理监测器，带有生物电位导线；64 NIRS光电64个NIRS光电二极管（典型的光电二极管由光源和检测器对组成）；力、加速度、陀螺仪和温度传感器；以及连接到商用呼吸计的能力[12]。Kassab等人开发了一种可穿戴fNIRS EEG系统，该系统具有128个fNIRS通道、32个EEG通道、两个辅助心电图（ECG）通道和一个以帽形式进行校正的加速计[13]。然而，尽管可穿戴fNIR技术取得了技术进步，但使用帽子固定受试者身上的光电二极管会使其长期使用（例如，日常家庭使用）感到不舒服[14]。作为一种替代设计，Pinti等人[15]展示了fNIR在自然环境中的应用，该环境中采用了无光纤、多通道可穿戴设备，该设备以耳机的形式连接到便携式处理单元。Wyser等人后来开发了一种模块化可穿戴设备，该设备具有灵活的形状因子，允许光电源和探测器之间的多个距离；它还具有多种波长[16]。怀瑟的光电模块大约有四分之一大小，允许使用帽子以外的头套；然而，仍然有一个有点笨重的控制单元。

除了研究小组开发的可穿戴fNIR设备外，bitbrain.cn尽管其中许多设备在实验室环境中使用非常灵活、准确和方便，但它们往往成本高昂（从几千美元到数万美元）且相对较大，使得使用这些设备进行人口研究具有挑战性。

可穿戴fNIR[5]的进展使认知科学、社会科学、生理学（特别是神经发育，如注意力缺陷/多动障碍或自闭症谱系障碍）[17]、心理学、脑机接口、医学筛查（如中风）[18-20]和许多其他领域的新研究成为可能[6-21]。近年来，fNIR的大量有趣应用得到了证明，包括专业小提琴手演奏二重唱[22]、演员共同行动[23]、预期脑力劳动任务的受试者[24]、参与问题解决和空间导航的受试人员[25-28]、对手持和虚拟现实导航设备做出反应的受试人[29]、，患者对麻醉剂的脑血流动力学反应[30]、伴侣的神经反应以及眼对眼接触期间的同步[31]。此外，可穿戴式fNIR还显示了识别具有较高前额叶皮层活动以保持姿势稳定性的帕金森综合征患者[32]和创伤性脑损伤患者[33]的能力。大脑-计算机接口[34]以及与fNIR混合系统的相关性[35]也已得到证实。总之，可穿戴式fNIR允许进行前所未有的研究和诊断。然而，其中许多研究仅限于实验室或诊所（使用可穿戴式fNIR[29]的校园导航除外），而不是在自然条件下（即家庭）。

方法

鉴于可穿戴式fNIR技术的前景、挑战和进步，已发表了许多关于可在自然环境中部署的可穿戴式近红外技术的优秀评论[5，21，36]。我们对最近的进展进行了系统的搜索，并总结了以下在自然环境中使用可穿戴fNIR技术发布的各种应用，以及使fNIR从实验室转移到自然环境的特征。我们的搜索基于在科学网中输入关键词“可穿戴fNIR”、“功能性近红外自然环境”和“fNIR自然”来搜索该主题的相关出版物。在1900-2019年间，共发现了30个匹配项和20个独特的相关出版物。

后果

可穿戴fNIR应用

（表1）总结了fNIR在自然环境中的不同应用。我们根据应用领域将结果分为四类：即健康、心理、政治/经济和生理应用。在每个更广泛的类别下，也可以有子类别。例如，在卫生领域，有与监测/筛查和预防应用相关的子类别。这些子类别下的示例应用包括fNIR应用于监测早产儿大脑健康（缺氧）[37]、心脏和血管手术期间的神经活动、脑血管疾病、癫痫和头痛[38]。此外，fNIR还可用于预测肥胖的可能性，并可能用于预防肥胖[39]。此外，它还可以用于研究决策，这可以在营销、广告、学习和培训优化中找到应用它可以通过理解个人从事各种任务时的需求，在营销、广告、学习和培训优化方面找到应用[5]。通过捕获认知能力/极限（即保持性能的最大大脑活动），可以最大限度地提高操作员效率，同时最小化人为错误[5，40]。为了研究社会互动，人们采用了一种叫做超扫描的技术。超扫描是指同时扫描交互对象的大脑。这是一种研究社会互动和神经功能的方法，已经在行为和其他活动中的前额叶皮层激活中得到了证明[4]。结合虚拟现实和fNIR，可以控制受试者在动态环境中的体验[5]。fNIR还可以作为研究工具，用于研究各种活动、决策和认知状态下的大脑激活，在这些状态下，选择性注意力和体力工作与执行处理（例如，在行走时在小卡片上平衡乒乓球）相竞争[40，41]。它还被应用于区分受试者正在听故事的哪一部分，并理解想象而非可理解的交流言语背后的神经机制[41，43]（表1）。

生物医学科学与研究

表1:fNIR在自然环境中的不同现场应用总结。

可穿戴fNIR要求

与基于实验室的fNIR系统相比，可穿戴fNIR设备具有额外的要求。在实验室里，受试者更加稳定，环境也得到了很好的控制。如果受试者参与活动，预计会有更多的运动。由于fNIR设备的光学检测模块的灵敏度，不明运动将表现为噪声。一般来说单元越重，由于惯性，它越倾向于移动，导致更多的运动伪影（即噪声），并增加连接电线/电缆上的应力。为了减少运动伪影，已经尝试应用校正算法[44]，结合加速度计和陀螺仪等运动传感器，并优化光电二极管的尺寸和质量[2]。几个小组研究了光电二极管源和探测器之间距离的影响[10]，一些小组使用了短通道（5mm至1cm）[16，45]来校正由于浅表组织和运动造成的伪影。还实施了无线设计，以消除连接电线/电缆[21，33，41]，以提高舒适度并消除对受试者活动的限制。

生物医学科学与研究

表2：可穿戴式fNIR设备所需的关键功能总结及其相应的理由。

此外，许多可穿戴式fNIR设备采用帽来固定光电二极管，尽管长时间使用帽可能会导致不适。更小和更灵活的形状因子（例如头带）可以为用户提供舒适度，并为光电二极管提供稳定性[5，15，26]。

最后，模块化设计可以简化安装在主体上的组件数量，从而降低可穿戴fNIR设备的整体重量、尺寸和成本。此外，模块化设计的使用可以方便地更换零件，因此出于卫生或性能原因，可以使用一次性部件[1,5,16,51]。我们总结了由可穿戴fNIR设备实现的搜索文献中的关键特征（表2）。

尽管在可穿戴式fNIR设备方面取得了巨大的技术进步，但对于一个真正用户友好、家庭使用的可穿戴系统，仍有一些挑战需要解决。虽然现有的算法和传感器可以帮助校正运动伪影，但校正仍有改进的空间。此外，为了捕获尽可能多的神经活动，fNIR设备应该在不同的大脑区域具有广泛的覆盖范围。因此，多个光电二极管必须遍布大脑所在的整个头部表面。对于低成本、低功耗的fNIR设备来说，增加光电二极管的数量通常是困难的，因为每个额外的光电二极管都会增加设备的成本和功耗。为了减少所需的光电二极管数量，光电二极管对准至关重要。一种有助于对齐不同大脑区域以实现不同的目标功能的方法，包括与背外侧前额叶皮层对齐以实现工作记忆和注意力，与操作部对齐以实现语言生成，与运动皮质对齐以实现发音，将有助于准确评估认知和行为功能[31，48]。此外，头发经常会妨碍获得高质量的fNIR信号。为了探测头皮上可能存在毛发的区域，Khan等人已经证明了一种可以将毛发推开的刷子状结构。[3]。一些研究小组还采取了只关注前额叶皮层（PFC）的方法，这一点已被证明对大脑发育至关重要