近紅外數(shù)據(jù)處理過(guò)程

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距離上一次在公眾號(hào)發(fā)文已經(jīng)過(guò)去了一周了，總感覺(jué)每天不寫(xiě)點(diǎn)東西，手就顯得生疏不已。有一種感覺(jué)到當(dāng)作家的那些人的不易，閱讀也是一樣，每天不讀文字，也會(huì)失去了一些東西，曾經(jīng)我很迷戀村上春樹(shù)和東野圭吾的小說(shuō)，我記得有些雜志訪談上他們說(shuō)每天都會(huì)寫(xiě)點(diǎn)文字，以來(lái)維持寫(xiě)作的靈感。需要維持和堅(jiān)持一件事，真的太困難，一旦堅(jiān)持下來(lái)，終會(huì)有所收獲吧。共勉~

功能性近紅外腦成像技術(shù)（fNIRS）變得越來(lái)越流行，越來(lái)越多的研究人員發(fā)現(xiàn)了fNIRS的優(yōu)勢(shì)及其許多應(yīng)用。優(yōu)勢(shì)內(nèi)容，可以參考之前寫(xiě)過(guò)的與其它技術(shù)的對(duì)比《 EEG vs MRI vs fMRI vs fNIRS》，對(duì)于應(yīng)用部分，fNIRS的應(yīng)用已經(jīng)數(shù)不過(guò)來(lái)了，有醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域的《fNIRS | 大腦活動(dòng)可以揭示自閉癥特征的嚴(yán)重程度》，也有很多基礎(chǔ)研究的，比如：fNIRS與超掃描、fNIRS與虛擬現(xiàn)實(shí)、fNIRS作為駕駛研究的工具、fNIRS用于神經(jīng)經(jīng)濟(jì)學(xué)和神經(jīng)人體工程學(xué)研究、fNIRS與認(rèn)知科學(xué)等等。

結(jié)果，關(guān)于分析fNIRS數(shù)據(jù)的適當(dāng)方法也有了更多的發(fā)展。當(dāng)前，有很多方法可以分析數(shù)據(jù)，借助廠家的分析軟件或開(kāi)源獨(dú)立的工具箱和Matlab工具箱等。在腦成像的數(shù)據(jù)結(jié)果處理中，可以說(shuō)沒(méi)有絕對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)流程來(lái)進(jìn)行，每個(gè)人可以有自己的處理方式，不論是EEG/ERP還是fNIRS的數(shù)據(jù)亦是如此，但是在預(yù)處理階段，還是很有共性的，該處理的步驟還是需要進(jìn)行處理的。今天我們就來(lái)簡(jiǎn)要談?wù)勵(lì)A(yù)處理 階段的處理過(guò)程。

工具箱：請(qǐng)參考文章《 fNIRS分析工具箱》，當(dāng)然處理文章中提到的工具箱外，還特別推薦NIRS-KIT和FC-NIRS，它是中國(guó)人開(kāi)發(fā)的免費(fèi)工具箱，比較力薦。

在之前我也轉(zhuǎn)載了UCLA發(fā)布在油管上的整套fNIRS技術(shù)的采集到數(shù)據(jù)展示的視頻，可以參閱一下，《 近紅外視頻學(xué)習(xí)筆記系列教程完結(jié)》

一般的工作流程：

每個(gè)工具箱都以各自不同的方式處理，步驟的順序并沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)定，可能在每個(gè)工具箱也有所不同，但是大體上的工作流程都差不多，在這里我僅描述建議的操作順序：

——來(lái)自Pinti et al., 2018

1.采集數(shù)據(jù)過(guò)程

依據(jù)各廠家設(shè)備而定，基本上會(huì)涵蓋實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)部分和頭皮定位問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)部分可以參考之前發(fā)布的文章《近紅外腦功能成像實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(2)》，定位問(wèn)題除了常規(guī)的10-20系統(tǒng)外，還建議閱讀朱朝喆老師最近發(fā)布的經(jīng)顱腦圖譜定位參考。

2.數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換問(wèn)題

每個(gè)廠家所自帶的格式均有所不同，例如日立的.csv、島津的.txt、NIRX的文件夾或.nirs等，但基本上都包含了原始光學(xué)數(shù)據(jù)，通道位置，數(shù)據(jù)時(shí)間戳和可能的事件標(biāo)記等。在openfnirs.org網(wǎng)站上，它有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的格式.snirf，它其實(shí)是Homer3工具箱的通用格式，因此如果你想使用它來(lái)進(jìn)行預(yù)處理的話，就需要進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，可以參考我之前寫(xiě)過(guò)的Homer2的教程—《近紅外分析軟件Homer2教程》以及《  Homer3簡(jiǎn)介和使用》

3.數(shù)據(jù)預(yù)處理

3.1偽影處理

雖然fNIRS的設(shè)備都有比較好的抗干擾能力，但是在采集過(guò)程中，同樣也不可避免的一部分?jǐn)?shù)據(jù)也會(huì)被偽影干擾，這些偽影可能是系統(tǒng)性偽影（心跳、呼吸燈），也可能是外在因素（運(yùn)動(dòng)），具體可以參考文章《 fNIRS近紅外光信號(hào)質(zhì)量影響因素》。這兩種不同的偽影需要對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞進(jìn)行判斷，第一步就需要對(duì)變異系數(shù)進(jìn)行判斷以刪除信號(hào)不好的通道；第二步就通過(guò)卡閾值的方法進(jìn)行手動(dòng)剔除和自動(dòng)檢測(cè)剔除。后面就可以通過(guò)樣值插值的方法進(jìn)行補(bǔ)救數(shù)據(jù)?？梢詤⒖糎omer2里的函數(shù)部分。

3.2 濾波

對(duì)數(shù)據(jù)濾波是一個(gè)非常常規(guī)的操作，目的就是去掉不需要的頻率信號(hào)并保留屬于fNIRS的頻率信號(hào)，這里跟EEG一樣同樣有多種過(guò)濾器類型可供選擇，但是在大多數(shù)文獻(xiàn)和軟件上自帶的過(guò)濾頻段集中在0.1Hz以下，為什么是這個(gè)數(shù)值？可以參考文獻(xiàn)《Current Status and Issues Regarding Pre-processing of fNIRS Neuroimaging Data: An Investigation of Diverse Signal Filtering Methods Within a General Linear Model Framework》這里闡述了過(guò)濾器的不同選擇

3.3 分段

這個(gè)操作跟做ERP很類似，如果是任務(wù)態(tài)的數(shù)據(jù)，基本上都會(huì)打marker，以提取相同刺激類型的血流動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，通過(guò)疊加平均獲得總體的效果。通常情況下，取刺激前5-10s和后10-20s為節(jié)點(diǎn)進(jìn)行。

3.4 基線對(duì)比

在很多時(shí)候，近紅外的數(shù)據(jù)分析是相對(duì)比對(duì)基線的變化量進(jìn)行的，為什么會(huì)這樣呢?一個(gè)重要的原因是，當(dāng)前使用的近紅外基本上是通過(guò)連續(xù)波發(fā)射的紅外光，僅能測(cè)得當(dāng)前區(qū)域的相對(duì)血流響應(yīng)的變化，因此，確定好基線是一個(gè)非常重要的過(guò)程，不論是采集過(guò)程還是數(shù)據(jù)分析過(guò)程。參考文章《 fNIRS中基線的做法和注意事項(xiàng)》

3.5 將光密度轉(zhuǎn)換為血氧濃度數(shù)據(jù)

修正版的Lambert-Beer定律將fNIRS設(shè)備測(cè)得的光密度轉(zhuǎn)換為含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白濃度的相對(duì)變化。

4、疊加平均（Block Averaging）

對(duì)于任務(wù)態(tài)數(shù)據(jù)的常規(guī)做法，查看隨時(shí)間變化的血氧動(dòng)力學(xué)變化。

5、統(tǒng)計(jì)分析（SPM）

它其實(shí)是參考了fMRI的分析方法，統(tǒng)計(jì)參數(shù)映射是指用于測(cè)試有關(guān)功能成像數(shù)據(jù)的假設(shè)的空間擴(kuò)展統(tǒng)計(jì)過(guò)程的構(gòu)建和評(píng)估。其實(shí)就是把將空間位置與血液動(dòng)力學(xué)的信號(hào)相結(jié)合，查看每條件下的激活區(qū)域，展示大腦區(qū)域。這一部分還很重要和稍有難度，從這里得出相對(duì)應(yīng)beta值后，就可以進(jìn)行后面統(tǒng)計(jì)學(xué)效應(yīng)分析，得出P值，那你的實(shí)驗(yàn)部分就大功告成了，希望都能得出小于0.05的p值。

fNIRS公共數(shù)據(jù)集搜索方法：https://7988888.xyz/eegdata/

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本文作者：陳銳

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