研究显示：fNIRS采用二波段组合信噪比更高
尧利书
学术前沿
2022-10-27
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信噪比是指一个设备或系统中信号与噪声的比例。如在音频放大器中，我们希望的是该放大器除了放大信号外，不应该添加任何其它额外的东西。因此，信噪比应该越高越好。


利用近红外光测量血红蛋白浓度长度（本研究中为血红蛋白浓度与光程长度的乘积）的信噪比（signal-to-noise ratio ，SNR）取决于波长组合和分析方法。


虽然当入射光功率增加时，信噪比会增加，但出于安全标准的考虑，光功率应该受到限制。近红外脑功能成像技术（fNIRS）就是利用600-900nm近红外光进行脑功能成像的，那在光功率一定的情况下，当波段组合和信噪比究竟有什么关系呢？


日本学者Tsukasa FUNANE等人通过研究二波段、三波段和四波段组合的信噪比回答了这个问题，结果发现，在这三种设置中，二波段信噪比更高。


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该研究通过各种公式和算法，比较了650-900nm、695-830nm区间范围内，多个波长组合中，两波段、三波段和四波段的信噪比。


Table 1 和 Table 2分别为两个区间范围内理论上的最小误差波长组合。


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下图显示了695至830nm范围内，当（a）780和830nm和（b）695和830nm两个波长固定而另一个波长（水平轴）改变时，氧合、脱氧和总血红蛋白浓度长度的估计误差。


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图（b）中的氧合和脱氧血红蛋白的误差比图（a）中的小，而图（a）和图（b）中的总血红蛋白的误差大致相同。这是因为695nm和830nm的波长组合比780nm和830nm的波长组合对氧合和脱氧血红蛋白的信噪比更好。


当只用两波段时，误差分别为δ（△CoxyL）=11.61、δ（△CdeoxyL）=6.02和δ（△CtotalL）=7.78 mM·mm；


当使用三波段时（其中两个波段为780和830nm），误差分别为δ（△CoxyL）=16.22-34.63、δ（△CdeoxyL）=8.97-32.83和δ（△CtotalL）=9.60-11.66mM·mm；


当三波段中的两个波段为695和830nm时，误差分别为δ（△CoxyL）=13.13-17.42、δ（△CdeoxyL）=6.64-9.02和δ（△CtotalL）=9.88-13.70mM·mm。


需要注意的重要一点是，信噪比总是随着额外波长的增加而降低，主要原因是由于各波长的光功率降低，导致光源的信噪比变差。


该研究结果表明，波长组合对fNIRS采集信噪比有影响，当波长两端在650-900nm范围内时，CoxyL和CdeoxyL的信噪比最大。


当总入射功率一定时，使用较少波长时血红蛋白浓度长度变化的信噪比更高，应适当控制各波长的测量误差。


脑科学与神经调控
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▼ 参考文献

Tsukasa FUNANE, Hirokazu ATSUMORI, Hiroki SATO，et al.Relationship between Wavelength Combination and Signal-to-Noise Ratio in Measuring Hemoglobin Concentrations Using Visible or Near-Infrared Light[J].OPTICAL REVIEW Vol.(2009) 442–448.

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