茗創(chuàng)科技專注于腦科學(xué)數(shù)據(jù)處理事镣，涵蓋（EEG/ERP, fMRI,結(jié)構(gòu)像,DTI,ASL, ,FNIRS）等啡氢，歡迎留言討論及轉(zhuǎn)發(fā)推薦繁仁，也歡迎了解茗創(chuàng)科技的課程，數(shù)據(jù)處理服務(wù)及腦科學(xué)工作站銷售業(yè)務(wù)授账，可搜索我們的微信公眾號（茗創(chuàng)科技）咨詢枯跑。
主流fNIRS數(shù)據(jù)分析工具箱有：Homer2惨驶，NIRS-SPM，F(xiàn)C-NIRS敛助，NIRS_KIT粗卜。
Homer2：可以用來處理 .nirs格式 的近紅外數(shù)據(jù)，如信號預(yù)處理（偽影檢測纳击、基線校正续扔、濾波等）、血氧濃度變化评疗、添加mark测砂，觀測信號功率譜等。該軟件的優(yōu)點(diǎn)是：用戶界面友好和整合的process ?stream函數(shù)百匆。缺點(diǎn)是僅支持.nirs的格式，而且每次處理完數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)會被覆蓋呜投。關(guān)于更多Homer的知識可以去查看手冊或查看這個(gè)網(wǎng)址：https://homer-fnirs.org/documentation/#v23
軟件下載：
https://www.nitrc.org/projects/homer2
軟件引用：
Huppert, T.J., Diamond, S.G., Franceschini, M.A. and Boas, D.A. (2009). “HomER: a review of time-series analysis methods for near-infrared spectroscopy of the brain.” Appl Opt 48(10): D280-98
NIRS-SPM：由韓國生物成像信號處理（BISP）實(shí)驗(yàn)室開發(fā)加匈，NIRS-SPM繼承了SPM軟件的風(fēng)格。在早期的近紅外分析仑荐，NIRS-SPM受眾范圍寬廣雕拼。主界面如下圖所示，該軟件主要包括四個(gè)功能組塊:
1.數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化(data conversion)與空間配準(zhǔn)(spatial registration);
2.GLM 模型確定與參數(shù)估計(jì)(model specification and estimation);
3.統(tǒng)計(jì)推斷(Inference)與結(jié)果顯示;
4.時(shí)間序列分析(temporal processing)等功能粘招。
我們之前推過一期關(guān)于NIRS_SPM個(gè)體水平的激活過程啥寇。
軟件下載：
https://www.nitrc.org/frs/?group_id=621
軟件引用：
Ye, J. C., Tak, S., Jang, K. E., Jung, J., & Jang, J. (2009). NIRS-SPM: statistical parametric mapping for near-infrared spectroscopy. Neuroimage, 44(2), 428-447
FC-NIRS:?功能如其名，主要用于分析近紅外數(shù)據(jù)的功能連接洒扎。這個(gè)包也是基于MATLAB下開發(fā)的辑甜，有獨(dú)立版和code版，適用于多平臺袍冷×状祝可以查看文獻(xiàn)了解更多關(guān)于他的功能。
軟件下載：
https://www.nitrc.org/frs/?group_id=883
軟件引用：
Xu, J., Liu, X., Zhang, J., Li, Z., Wang, X., Fang, F., & Niu, H. (2015). FC-NIRS: a functional connectivity analysis tool for near-infrared spectroscopy data. BioMed research international, 2015.
NIRS_KIT:?NIRS-KIT是朱朝喆老師研究團(tuán)隊(duì)胡诗，于2019年發(fā)布的一款同時(shí)支持任務(wù)態(tài)和靜息態(tài) fNIRS 數(shù)據(jù)分析的圖形化界面軟件然眼。該工具箱涵蓋了近紅外數(shù)據(jù)整個(gè)分析流程勺三，包括數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、質(zhì)量檢查、預(yù)處理运授、個(gè)體水平分析、組水平統(tǒng)計(jì)和結(jié)果可視化暇榴。對于任務(wù) fNIRS 數(shù)據(jù)举户，基于 GLM 進(jìn)行個(gè)體層面的分析以檢測與任務(wù)相關(guān)的神經(jīng)激活。對于靜息狀態(tài) fNIRS 數(shù)據(jù)谍憔，可以計(jì)算個(gè)體水平的功能連接 (FC)匪蝙、ALFF/fALFF 和網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)主籍。對于組水平分析，NIRS-KIT 提供了幾種流行的參數(shù)模型和多重比較校正方法逛球。NIRS-KIT 提供多種可視化功能千元，將統(tǒng)計(jì)結(jié)果可視化。今年7月颤绕，NIRS-ICA集成到 NIRS-KIT幸海，NIRS-ICA用于去除 fNIRS 噪聲和提取神經(jīng)活動相關(guān)源，進(jìn)一步豐富了NIRS-KIT數(shù)據(jù)處理的功能奥务。
軟件下載：
https://www.nitrc.org/frs/?group_id=1423
軟件引用：
Hou, X., Zhang, Z., Zhao, C., Duan, L., Gong, Y., Li, Z., & Zhu, C. (2021). NIRS-KIT: a MATLAB toolbox for both resting-state and task fNIRS data analysis. Neurophotonics, 8(1), 010802
對比前面的這幾個(gè)數(shù)據(jù)處理軟件物独，NIRS_KIT是我認(rèn)為最為好用的nirs數(shù)據(jù)處理軟件。該軟件的主界面如下氯葬，幾乎具備了NIRS_SPM挡篓、Homer，F(xiàn)C-NIRS的功能帚称。
下面具體介紹該軟件的使用官研。
(一)軟件下載與安裝
1)支持操作系統(tǒng):Windows7(或windows10)、Linux 和 Mac OS 系統(tǒng)闯睹。
2)軟件依賴:
1戏羽、MATLAB R2012 及以上版本;
2、SPM8 或 SPM12 工具包楼吃。
3)軟件安裝:首先下載NIRS-KIT和SPM安裝包始花，解壓后分別添加到 MATLAB的搜索路徑。然后孩锡，在MATLAB的命令窗口輸入“NIRS—KIT”即可打開軟件主界面酷宵。
(二)功能概覽
NIRS-KIT同時(shí)支持靜息態(tài) fNIRS和任務(wù)態(tài)fNIRS數(shù)據(jù)分析。
按照常規(guī)的分析流程浮创，靜息態(tài) fNIRS 和任務(wù)態(tài) fNIRS 數(shù)據(jù)分析主要包括以下幾個(gè)步驟: 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備忧吟、數(shù)據(jù)檢查、預(yù)處理斩披、個(gè)體水平分析溜族、群組水平分析和結(jié)果可視化。
(三)靜息態(tài)fNIRS 數(shù)據(jù)分析
1.數(shù)據(jù)準(zhǔn)備
fNIRS研究者借助放置在被試頭殼的光源-探測頭可探測被試大腦皮層特定位置的神經(jīng)活動垦沉。實(shí)驗(yàn)過程除了要記錄被試ID煌抒、fNIRS設(shè)備型號、數(shù)據(jù)采樣率等基本信息外厕倍，還要記錄包含腦功能相關(guān)的時(shí)間序列信息寡壮，以及測量位置相關(guān)的空間信息。
不同的采集設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)致格式往往不同，無法直接在NIRS_KIT中進(jìn)行分析况既。在數(shù)據(jù)分析之前这溅，需要利用NIRS_KIT 的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備模塊(data preparation module)，將不同fNIRS設(shè)備采集的光強(qiáng)/血氧數(shù)據(jù)棒仍、不同放置位置與排布的光極數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化整合為統(tǒng)一的NIRS_KIT 數(shù)據(jù)格式(以 MATLAB 的.mat 格式進(jìn)行存儲)悲靴。
(1)腦功能相關(guān)的時(shí)間序列數(shù)據(jù)準(zhǔn)備
首先，不同fNIRS 的設(shè)備采集到的原始數(shù)據(jù)類型和存儲格式有很大的差異莫其。對于數(shù)據(jù)類型來說癞尚，有些NIRS信號采集設(shè)備輸出原始的光強(qiáng)數(shù)據(jù)(例如日立的 ETG4000/7000，NIRX 的采集設(shè)備)乱陡，而有些設(shè)備可以直接輸出經(jīng)過解算后的血紅蛋白數(shù)據(jù)(例如日立的ETG4000/7000和島津的 LABNIRS 設(shè)備)浇揩，而且每種采集設(shè)備都有各自的存儲規(guī)范和格式，例如島津設(shè)備輸出的原始的時(shí)間序列的數(shù)據(jù)存儲格式為?.txt憨颠，日立機(jī)器輸出的原始數(shù)據(jù)格式為?.csv胳徽，NIRX的設(shè)備輸出的原始數(shù)據(jù)格式為?.w11和 .w12。我們需要對這些數(shù)據(jù)類型不同烙心、存儲格式各異的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換膜廊，以便于數(shù)據(jù)分析時(shí)統(tǒng)一讀取和寫入。
具體的數(shù)據(jù)格式可從下載的工具包中的樣例數(shù)據(jù)預(yù)覽
NIRS_KIT軟件提供將這些常用設(shè)備(島津淫茵、日立和NIRX)不同格式的原始時(shí)間序列數(shù)據(jù)整理成一個(gè)統(tǒng)一的易讀寫的 .mat 格式數(shù)據(jù)的功能。對于數(shù)據(jù)類型為光強(qiáng)的原始數(shù)據(jù)蹬跃，NIRS_KIT會在數(shù)據(jù)讀入后匙瘪，采用修正的比爾-朗伯定律進(jìn)行解算，從而獲得血氧濃度數(shù)據(jù);對于數(shù)據(jù)類型已經(jīng)為血紅蛋白濃度變化的原始數(shù)據(jù)蝶缀，NIRS_KIT 將其讀入并存儲為成NIRS_KIT 規(guī)定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)丹喻。
對于其他一些尚未支持的設(shè)備，NIRS_KIT 提供了手動編輯輸入的功能(圖6)翁都，用戶可以將原始的光強(qiáng)數(shù)據(jù)或血氧數(shù)據(jù)整理成固定格式的 .txt或 .excel文件后輸入碍论，并提供一些必要的參數(shù)(如DPF 值)，然后軟件將自動把該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成NIRS-KIT 所支持的血紅蛋白數(shù)據(jù)格式柄慰。
除此之外鳍悠，NIRS_KIT還支持兩種常用fNIRS數(shù)據(jù)分析軟件的原始或預(yù)處理后的數(shù)據(jù)(NIRS SPM .mat 和 Homer2 .nirs)，可將原有數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換并存儲為NIRS-KIT格式坐搔。另外藏研，SNIRF 格式是fNIRS 領(lǐng)域最新推出的一個(gè)標(biāo)注的數(shù)據(jù)共享格式，NIRS-KIT也支持該格式的光強(qiáng)數(shù)據(jù)作為輸入概行。
(2)空間信息數(shù)據(jù)準(zhǔn)備
1)光極/測量通道的拓?fù)湫畔?zhǔn)備(Topo-maker按鈕)蠢挡。fNIRS 研究中，光極板由發(fā)射極及接收極組成。一對發(fā)射-接收光極形成一個(gè)測量通道业踏。發(fā)射極禽炬、接收極與測量通道的空間拓?fù)湫畔⒃谛盘栙|(zhì)量檢查、結(jié)果可視化勤家、結(jié)果解釋中均具有重要意義腹尖。NIRS-KIT提供了一些常用光極板配置文件(包括3x3、3x5却紧、3x5x2桐臊、3x1及4x4形狀的光極板配置文件)，用戶可以直接選擇合適的配置文件晓殊，將其整合到NIRS-KIT 的 .mat 文件中断凶。
如果在軟件的實(shí)例文件中沒有與用戶要求對應(yīng)的光極板信息，NIRS-KIT 提供了一個(gè)簡單且靈活的 Topo-maker模塊巫俺，支持用戶根據(jù)自己的要求定制任意形狀的光極配置文件(圖9)认烁。
2)光極/測量通道在標(biāo)準(zhǔn)腦空間的三維位置信息。fNIRS實(shí)驗(yàn)中介汹，光極和測量通道在標(biāo)準(zhǔn)的三維腦空間的位置信息對于結(jié)果可視化和對結(jié)果進(jìn)行理論解釋十分重要却嗡，在文章中通常也要求報(bào)告各通道所對應(yīng)的 MNI 坐標(biāo)及解剖分區(qū)。NIRS-KIT提供了一個(gè)配置的模塊嘹承，支持用戶加載從三維定位儀獲取的含有被試個(gè)體空間發(fā)射極窗价、接收極、測量通道及頭殼標(biāo)點(diǎn)與10-20 系統(tǒng)參考點(diǎn)的坐標(biāo)文件叹卷，然后該模塊通過調(diào)用NFRI工具包實(shí)現(xiàn)個(gè)體空間坐標(biāo)到標(biāo)準(zhǔn)腦空間的概率配準(zhǔn)撼港，最終輸出光極/測量通道在標(biāo)準(zhǔn)腦空間對應(yīng)的MNI坐標(biāo)，并將其整合到NIRS-KIT數(shù)據(jù)文件中骤竹。除此之外帝牡，該模塊還支持輸出某一光極/測量通道在幾種常用腦圖譜(AAL、Brodmann area 和 LPBA40)中對應(yīng)的解剖分區(qū)標(biāo)號蒙揣。
2.數(shù)據(jù)預(yù)覽與質(zhì)量檢查
在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備結(jié)束后靶溜，我們已經(jīng)獲取了信息豐富且易于讀寫的NIRS-KIT格式的原始數(shù)據(jù)文件。血氧數(shù)據(jù)需要經(jīng)過數(shù)據(jù)檢查和質(zhì)量控制后才能進(jìn)入后續(xù)正式的靜息態(tài)數(shù)據(jù)分析懒震。NIRS-KIT的數(shù)據(jù)查看(Data Viewer)模塊(圖 10)提供了強(qiáng)大的罩息、豐富的可視化功能，以便研究者分別從時(shí)域和頻域來對fNIRS 數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)覽和檢查挎狸，進(jìn)而全面了解數(shù)據(jù)的噪聲分布特征扣汪，幫助確定后續(xù)的預(yù)處理參數(shù)。該模塊的主要功能包括:
1.顯示測量通道的空間拓?fù)浞植枷谴遥梢酝ㄟ^手動輸入通道的編號崭别，或者點(diǎn)擊光極板配置板塊中通道對應(yīng)的編號來便捷地選擇要顯示的通道時(shí)間序列;
2.同時(shí)顯示所選通道時(shí)間序列和對應(yīng)頻譜;
3.用戶可以根據(jù)自己需要選擇顯示HbO2冬筒、HbR、HbT中的某種或者同時(shí)顯示多種信號類型;
4.多個(gè)選中通道的信號同時(shí)顯示;
5.對原始信號進(jìn)行預(yù)處理茅主，預(yù)處理后信號和原始信號可同時(shí)顯示舞痰，方便看到預(yù)處理的效果，以幫助確定最終預(yù)處理步驟與參數(shù);
6.其他的輔助功能诀姚，例如縮放响牛、剪切、顏色配置等赫段。
3.預(yù)處理
在檢查完數(shù)據(jù)呀打，并剔除了質(zhì)量過差的受試者數(shù)據(jù)之后，需對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理糯笙，以減少與神經(jīng)活動無關(guān)的噪聲對血氧信號的影響贬丛。NIRS-KIT 數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊(preprocessingmodule)提供了一些常用的數(shù)據(jù)預(yù)處理功能，包括時(shí)間點(diǎn)剪切(time point trimming)给涕、去漂移(detrending)豺憔、頭動矯正(motion correction)、濾波(filtering)够庙、噪聲回歸(noise regression)和重采樣(resampling)恭应。用戶可以根據(jù)自己需要自由選擇和組合這些預(yù)處理的參數(shù)并自定義預(yù)處理步驟的順序。每個(gè)預(yù)處理功能前面有多個(gè)選項(xiàng)耘眨，其中數(shù)字代表預(yù)處理的順序昼榛，當(dāng)選擇“None”代表跳過該預(yù)處理。
時(shí)間點(diǎn)剪切:在fNIRS靜息態(tài)掃描開始階段剔难，由于被試心理狀態(tài)還未平復(fù)褒纲，最開始采集的一些數(shù)據(jù)往往需要被剔除。另外钥飞，在有些情況下，當(dāng)實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)并未停止 fNIRS 機(jī)器衫嵌，數(shù)據(jù)尾部一些數(shù)據(jù)也需要被刪除。在 NIRS-KIT 的預(yù)處理(preprocessing)模塊中楔绞，用戶可以根據(jù)自己的需要通過該功能對數(shù)據(jù)“頭”和“尾”進(jìn)行裁剪。
去漂移:在某些情況下桦锄，fNIRS的信號隨時(shí)間會產(chǎn)生慢性漂移蔫耽。為消除這些系統(tǒng)性的趨勢變化留夜，NIRS-KIT采用多項(xiàng)式擬合的算法，估計(jì)出一條線性或者非性的變化趨勢图甜，并把它從原始的血氧信號中移除碍粥。其中，Order(階數(shù))為多項(xiàng)式的階數(shù)黑毅，默認(rèn)參數(shù)為一階嚼摩。
頭動矯正:某些實(shí)驗(yàn)范式中被試需要做一些頭部動作(例如言語交流、轉(zhuǎn)頭等)矿瘦，或者受試者為嬰幼兒和兒童時(shí)枕面，如果佩戴的光極帽松散，被試的頭部動作可能會導(dǎo)致光極探頭與頭皮發(fā)生相對位移缚去。fNIRS信號中典型的運(yùn)動偽跡在時(shí)間序列上是明顯的跳變潮秘，且HbO2與HbR會向同向跳變;空間分布上，如果是剛性光極板病游，頭動可能造成整個(gè)光極板與頭皮發(fā)生相對位移唇跨，跳變會同時(shí)反映在多個(gè)測量通道。目前軟件提供了兩種頭動矯正方法來減小頭動對信號的影響衬衬。其中一種為基于相關(guān)信號的改善方法(correlation-based signal improvement买猖，CBSI)，該方法假設(shè)正常狀態(tài)下HbO和HbR兩種信號成分的波動方向相反滋尉，而頭動會引起兩種信號同向變化玉控。另一種頭動矯正方法(temporal derivative distribution repair, TDDR)可以有效地去除各種跳變噪聲(spike artifacts)和基線漂移(baseline shifts)除了事后去除頭動影響之外，我們還可以事先預(yù)防或減小其影響狮惜。比如對實(shí)驗(yàn)范式進(jìn)行優(yōu)化高诺，盡量避免過多或過大的頭部動作虱而，例如搖頭牡拇、抬眉等;實(shí)驗(yàn)時(shí)間不宜過長，光極帽要有較好的包裹性(泳帽)與舒適性(海綿墊片)剔蹋，以緩解被試因不適感造成的頭部動作泣崩。
濾波:采集到的fNIRS信號中律想，除了我們感興趣區(qū)的信號之外著洼，還會有一些生理的噪聲(例如呼吸身笤、心跳等)，可以通過濾波的方式盡量減小其影響娇钱。NIRS-KIT 支持高通(high-pass)文搂、低通(low-pass)和帶通(band-pass)三種濾波模式。用戶可以根據(jù)自己要求選擇對應(yīng)濾波模型硝皂，設(shè)置高頻/低頻截止頻率稽物。濾波范圍需要用戶根據(jù)自己的目的和噪聲信號的分布特征來定。例如，對于靜息態(tài)腦功能數(shù)據(jù)來說农猬，在0.01-0.08Hz的低頻震蕩具有重要的信息意義斤葱，可以反映靜息狀態(tài)下大腦自發(fā)的神經(jīng)活動模式揍堕。NIRS-KIT 提供了三種常用的濾波器類型來完成上面的濾波功能芹血，分別是有限脈沖響應(yīng)濾波器(finite impulse response filter幔烛， FIR filter)、無限脈沖響應(yīng)濾波器(infinite impulse response filter, IIR filter)和快速傅里葉變換濾波器(fast Fourier transform filter狡恬，F(xiàn)FT filter)弟劲。另外需要注意的是，在進(jìn)行比率低頻振幅(fALFF)計(jì)算前报嵌，應(yīng)該進(jìn)行帶通濾波以去除無關(guān)信號并保留整個(gè)神經(jīng)活動所在的頻段锚国，頻段的選擇可以參考靜息態(tài)功能磁共振(resting-state fMRI)的 fAlFF分析時(shí)的頻率(一般是0-0.25Hz)。
噪聲回歸:fNIRS信號采集過程中豺总，近紅外光在到達(dá)大腦皮層前喻喳，需穿過頭皮谦去、顱骨鳄哭、腦膜與腦脊液等淺層組織妆丘。而這些淺層組織中也有血管，其中的血流變化對光子的吸收和散射也會反映到NIRS信號中宣脉。為應(yīng)對這一問題塑猖，有研究者在實(shí)驗(yàn)中配置短間隔導(dǎo)(1.5cm左右)同步記錄淺層噪聲，然后通過回歸的方法去除其影響蜡励。NIRS-KIT的預(yù)處理模塊提供了相應(yīng)的功能凉倚，如果研究者在實(shí)驗(yàn)過程中配置了短導(dǎo)稽寒，可以借助該模塊去掉淺層噪聲杏糙。
重采樣：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是受試者在不同的機(jī)器上以不同的時(shí)間采樣率獲取到的時(shí)候，我們需要把所有被試的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成相同的采樣頻率以便后續(xù)分析负芋。另外，有時(shí)需要對過高時(shí)間采樣率下獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行降采樣以便減少處理時(shí)間和所占用的內(nèi)存锨天。這里提供了相應(yīng)的功能病袄，使用戶可以根據(jù)自己的需要對原有數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣益缠。自定義的處理方法:在進(jìn)行fNIRS信號預(yù)處理的時(shí)候，除了以上幾種預(yù)處理方法外胰伍，用戶可能有一些特異的處理需求骂租。為此，NIRS-KIT 在預(yù)處理模塊宿刮，提供了一個(gè)更加靈活的自定義接口云茸。用戶可以參考軟件提供的實(shí)例文件來制作自定義的函數(shù)标捺，然后通過添加自定義的預(yù)處理接口，來完成其特定信號處理目標(biāo)闺兢。
ICA（獨(dú)立成分分析）:?將信號分解成多個(gè)源脚囊，去除 fNIRS 噪聲后悔耘，提取神經(jīng)活動相關(guān)源。ICA模塊提供了時(shí)間序列看峻，頻域互妓，空間域這三種可供選擇的顯示方案车猬。通過設(shè)置Singal Type珠闰，Source Num Specify，ICA-Settings承绸，可將源信號分成多個(gè)子成分。再通過Mode功能自動將噪聲源識別出來并剔除荡澎，達(dá)到ICA去偽影的效果摩幔。
4.個(gè)體水平分析
在完成靜息態(tài)fNIRS 數(shù)據(jù)預(yù)處理之后，用戶可以通過靜息態(tài) fNIRS 個(gè)體水平分析模塊(圖18)進(jìn)行個(gè)體水平分析椒涯，例如計(jì)算個(gè)體水平的功能連接(functional connectivity狱意，F(xiàn)C)详囤、腦網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)(network metrics)和低頻振幅(ALFF/fALFF)藏姐。
功能連接:靜息功能連接主要測量不同腦區(qū)之間的時(shí)間序列的相關(guān)性。NIRS-KIT 靜息態(tài)個(gè)體水平分析模塊支持感興趣區(qū)到感興趣區(qū)(ROI2ROI)杨蛋、感興趣區(qū)到全腦(ROI2Whole- brain)及腦區(qū)通道水平(whole brain channel-wise)的功能連接分析逞力。
網(wǎng)絡(luò)指標(biāo):網(wǎng)絡(luò)圖論指標(biāo)主要刻畫腦網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜的拓?fù)鋵傩裕缇植康暮腿X的有效性和模塊化指標(biāo)等。用戶可以在“Network Metrics”界面定義感興趣的網(wǎng)絡(luò)揩抡，然后NIRS- KIT會計(jì)算出對應(yīng)功能連接矩陣(functional connectivity matrix)户侥，作為后續(xù)分析的輸入。然后調(diào)用現(xiàn)在廣泛使用的腦網(wǎng)絡(luò)計(jì)算工具包 GRETNA加載生成的功能連接矩陣來計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的圖論指標(biāo)捅膘。
低頻振幅:ALFF和 fALFF 是靜息態(tài)功能分析時(shí)的兩個(gè)重要指標(biāo)添祸，反映局部自發(fā)腦活動的強(qiáng)度。我們將這兩個(gè)靜息態(tài)功能指標(biāo)添加進(jìn) NIRS-KIT中寻仗。另外刃泌，NIRS-KIT 提供 ALFF 和 fALFF 的標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)輸出:mALFF、ZALFF俗扇、mfALFF和zfALFF(圖19)除抛。
5.群組水平分析
群體水平分析主要是為了基于多個(gè)個(gè)體進(jìn)行比較或相關(guān)分析，并作出群體水平的推斷帽馋。NIRS-KIT 的 Group-level Statistics 模塊中提供了常用的統(tǒng)計(jì)參數(shù)模型來實(shí)現(xiàn)群體水平分析(圖20)，主要包括:單樣本t檢驗(yàn)(one-sample t- test)、雙樣本(獨(dú)立)t檢驗(yàn)(two-sample ttest)攻泼、配對樣本t檢驗(yàn)(paired t- test)淆游、相關(guān)分析(correlation analysis)已亥、方差分析(包括獨(dú)立測量和重復(fù)測量 ANOVA)传趾，和群組水平的平均(average)榕订。由于功能連接矩陣(functional connectivity matrix)的個(gè)體分析指標(biāo)為導(dǎo)與導(dǎo)之間的連接強(qiáng)度值族壳，其數(shù)據(jù)組織方式與其他指標(biāo)不同功茴，因此在進(jìn)行群體水平分析時(shí)篮绿，需要事先勾選主界面左上角的“FC Matrix”選框進(jìn)行后續(xù)分析吼虎。
對于研究不關(guān)心的但有可能對分析結(jié)果產(chǎn)生影響的無關(guān)變量(例如歹颓，性別、年齡和訓(xùn)練時(shí)間)肉津，可以作為協(xié)變量添加到這些統(tǒng)計(jì)模型中回歸掉這些因素對統(tǒng)計(jì)結(jié)果的影響(圖21)趣斤。NIRS-KIT在群體水平分析時(shí)提供了兩種常用的多重比較矯正方法玄渗，為FDR矯正和Bonferroni矯正(圖21)钧大。此外，用戶還可以通過定義一個(gè) mask 在感興趣的通道范圍內(nèi)進(jìn)行多重比較矯正(圖21)芬为。
6. 結(jié)果可視化
在最后的結(jié)果可視化階段恋拷，NIRS-KIT 的結(jié)果可視化模塊(圖22)提供了豐富的群組水平(同樣也適用于個(gè)體水平)的結(jié)果可視化功能诀豁。對于靜息態(tài)fNIRS 的ROI2全腦功能連接、低頻振幅的結(jié)果可視化未妹，可以使用2D 和 3D 兩種可視化功能來分析結(jié)果白对。
2D結(jié)果可視化(2D Visualization):在2D結(jié)果可視化中，光極板配置文件是必需的(附圖22)抬探。如果在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備中子巾，光極板配置信息被整合進(jìn)了轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)中，最終生成的個(gè)體水平或群體水平的分析結(jié)果文件中自帶光極板配置信息小压，這里只需要在輸入文件框中選擇分析結(jié)果文件线梗，NIRS_KIT 會自動讀取光極板配置信息。如果在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備模塊未整合光極板信息怠益，用戶可以在2D結(jié)果可視化“Add probe set”選框處選擇添加對應(yīng)的光極板配置文件(光極板配置文件的獲取請參看數(shù)據(jù)準(zhǔn)備部分)仪搔。當(dāng)NIRS_KIT 讀取到分析結(jié)果文件和光極板配置信息后，會首先根據(jù)光極板配置信息生成一個(gè)空白的畫板蜻牢，然后把統(tǒng)計(jì)量對應(yīng)的顏色值投射到該空白畫布上烤咧。有插值和不插值兩種顯示模式偏陪。
3D 結(jié)果可視化(3D Visualization):在3D 結(jié)果可視化中(圖24)，每個(gè)測量通道在標(biāo)準(zhǔn)腦空間的MNI坐標(biāo)信息是必須的(如何獲取該信息可參考數(shù)據(jù)準(zhǔn)備部分)煮嫌。NIRS-KIT 提供了三種 3D 可視化的選項(xiàng):一種是將每個(gè)測量通道分析結(jié)果直接投射到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的皮層模板上(例如笛谦，ICBM152)，然后設(shè)置顯示參數(shù)并導(dǎo)出結(jié)果圖片;第二種顯示方式是使用提供的 NFRI工具包中的nfri_mni_plot 函數(shù)將每個(gè)測量導(dǎo)的統(tǒng)計(jì)值畫在三維的玻璃腦上(圖24)昌阿。另外饥脑，NIRS-KIT 的結(jié)果可視化模塊還提供一種更加靈活的顯示方式，將輸入的統(tǒng)計(jì)分析經(jīng)過計(jì)算后懦冰，輸入一個(gè)廣泛使用的 NIFTI格式的文件灶轰。然后用戶可以將該 NIFTI 文件加載進(jìn)某些腦影像可視化工具中進(jìn)行顯示，例如MRIcroGL9或者 Surfice刷钢。用戶可以根據(jù)自己的需要來自由選擇某一種三維結(jié)果顯示方式笋颤，這里僅以用nfri_mni_plot 函數(shù)所生成的結(jié)果圖作為示例來展示靜息態(tài) zfALFF的組水平分析結(jié)果，其他的 3D 腦空間的結(jié)果顯示將在任務(wù)態(tài) fNIRS 結(jié)果可視化部分進(jìn)行展示闯捎。
對于channel-wise 的功能連接矩陣的結(jié)果可視化，NIRS-KIT 的 Matrix Visualization模塊同樣支持2D和3D 的可視化功能瓤鼻。用戶可以通過設(shè)置顯著性閾值來只顯示某些顯著的邊秉版，還可以定義子網(wǎng)絡(luò)，或者對測量通道的顯示順序進(jìn)行重新排列茬祷，生成2D效果清焕。對于channel wise的功能連接矩陣的3D可視化，用戶可以通過加載含有分析結(jié)果的 .mat文件祭犯，并且添加含有每個(gè)通道 MNI 坐標(biāo)信息的 excel 文件秸妥，然后 NIRS-KIT 通過計(jì)算會輸出一個(gè)節(jié)點(diǎn)(node)文件和一個(gè)邊(edge)的文件。最后沃粗，用戶可以把 node 和 edge 文件輸入到外部的腦連接可視化的軟件中進(jìn)行顯示和輸出合適的結(jié)果文件粥惧，例如BrainNet Viewer，生成效果圖如圖26最盅。
(四)任務(wù)態(tài) fNIRS 數(shù)據(jù)分析
在NIRS-KIT 中任務(wù)態(tài)NIRS數(shù)據(jù)分析與靜息態(tài)數(shù)據(jù)分析有許多相似之處突雪，以下內(nèi)容將略過重疊的部分，著重講解任務(wù)態(tài)數(shù)據(jù)處理獨(dú)特的部分涡贱。
1.數(shù)據(jù)準(zhǔn)備
數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段與靜息態(tài) fNIRS 無異咏删，請參考靜息態(tài) fNIRS 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備模塊。
2.數(shù)據(jù)預(yù)覽與質(zhì)量檢查
NIRS-KIT 為任務(wù)態(tài)fNIRS 數(shù)據(jù)信息預(yù)覽專門提供了一個(gè)界面问词，用戶可以在左下側(cè)通過手動輸入或?qū)胧孪葴?zhǔn)備好的任務(wù)設(shè)計(jì)信息來獲得任務(wù)參考波和任務(wù)頻率(圖27督函，其中虛線為任務(wù)參考波的時(shí)間序列和對應(yīng)的頻譜分布信息)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)信息的定義請參考任務(wù)態(tài) fNIRS 個(gè)體水平分析部分。
3.預(yù)處理
任務(wù)態(tài)fNIRS數(shù)據(jù)的預(yù)處理與靜息態(tài)fNIRS數(shù)據(jù)的預(yù)處理過程基本無異辰狡，請參考以上靜息態(tài) fNIRS預(yù)處理部分锋叨。值得注意的是，在進(jìn)行任務(wù)態(tài)數(shù)據(jù)預(yù)處理的時(shí)候搓译，需要特別注意濾波時(shí)要保留任務(wù)頻段的信號悲柱。
4.個(gè)體水平分析
任務(wù)態(tài) fNIRS 個(gè)體水平的分析流程主要包括:
1、GLM模型定義;
2些己、GLM參數(shù)估計(jì)產(chǎn)生每個(gè)實(shí)驗(yàn)條件對應(yīng)的β值;
3豌鸡、計(jì)算感興趣的效應(yīng)值。
NIRS-KIT Task Individual Analysis 模塊(圖28)支持以簡單快捷的方式完成以上任務(wù)態(tài)個(gè)體水平分析段标。首先涯冠，在添加預(yù)處理的數(shù)據(jù)之后，需要定義 GLM 模型逼庞。Task Individual Analysis 模塊支持有兩種方式輸入實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)信息來構(gòu)建GLM模型:如果每個(gè)被試的設(shè)計(jì)信息是一樣的蛇更，用戶可以在界面中“Design Type”(設(shè)計(jì)類型)選擇“Same”(相同)進(jìn)行手動輸入每個(gè)條件的 condition name(條件名稱)、onset time(起始時(shí)間)和duration(持續(xù)時(shí)間)來構(gòu)建GLM模型(圖28);當(dāng)被試的設(shè)計(jì)信息不一樣赛糟，手動輸入費(fèi)事費(fèi)力且易出錯派任，這里我們提供了一種簡潔快速的模型構(gòu)建方式。用戶需事先按照要求(參照示例文件)構(gòu)建好一個(gè)含有每個(gè)被試的設(shè)計(jì)信息的.mat文件璧南，然后將界面“Design Type”類型選擇為“Different”(不同)掌逛，加載該.mat 文件即可快速實(shí)現(xiàn) GLM模型的構(gòu)建(圖28)。在模型創(chuàng)建過程中司倚，NIRS-KIT 還支持將一些無關(guān)變量(如淺層噪聲的時(shí)間序列)作為協(xié)變量加入到GLM 中(圖28,Add covariate)豆混。當(dāng)模型構(gòu)建完成之后，用戶可在左側(cè)“Sub list”(子表)選框點(diǎn)擊對應(yīng)的受試者編號在右側(cè)“Design Matrix”(設(shè)計(jì)矩陣)欄看到該被試對應(yīng)的設(shè)計(jì)矩陣动知。
當(dāng)模型構(gòu)建完成后點(diǎn)擊“Run”(運(yùn)行)即可快速完成模型估計(jì)皿伺，并產(chǎn)生每個(gè)被試所有通道在每個(gè)條件下對應(yīng)的β值。
最后盒粮，用戶可以在“Contrast Manager”板塊定義需要的 Contrast Vector(對比矢量)來估計(jì)單個(gè)條件的激活強(qiáng)度鸵鸥、多個(gè)條件的平均強(qiáng)度值、或者兩條件之間的差異值丹皱。
值得注意的是妒穴，用戶可以分別去運(yùn)行任務(wù)態(tài)個(gè)體水平分析的不同分析步驟，也可以在該界面一站式定義好所有設(shè)置种呐，把個(gè)體水平分析的所有步驟一次運(yùn)行完畢宰翅。
5.群組水平分析
任務(wù)態(tài) fNIRS 的組水平分析與靜息態(tài) fNIRS 的組水平分析無異弃甥，請參考前面靜息態(tài) fNIRS 組水平分析部分爽室。
6.結(jié)果可視化
靜息態(tài)fNIRS 的低頻振幅(ALFF)結(jié)果可視化可同樣用于任務(wù)態(tài) INIRS結(jié)果。
基于matlab的fNIRS工具箱為數(shù)據(jù)分析提供了很大的方便。但是在使用這些工具箱之前阔墩，我們首先需要掌握fNIRS相關(guān)的生物學(xué)意義及信號的特征嘿架，同時(shí)我們也要掌握近紅外研究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的要求以及實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)⌒ン铮可以細(xì)讀朱朝喆《近紅外光譜腦功能成像》耸彪，了解近紅外腦功能成像實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理細(xì)節(jié)。軟件包下載有困難的朋友可郵件：Solely_Blade@icloud.com尋求支援~~
參考資料：朱朝喆《近紅外光譜腦功能成像》
