Functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) has been widely utilized for non-invasive neuroimaging of the brain in cognitive research that measures the temporal changes in oxy- and deoxy-hemoglobin concentrations. Due to improvements in portability and resolution, fNIRS research has begun to expand towards dynamic applications such as neuro-rehabilitation, neuro-feedback, and brain-computer interface technology. However, the intrinsic vulnerability of fNIRS to motion artifacts (MA) reduces measurement accuracy, which in turn necessitates complex post-processing. In the present study, we demonstrated that our proposed real-time motion sensor-based algorithm for motion artifact compensation (RT-MAC), which extracts MAs based on hemodynamic modeling of an individual’s cerebrovascular system, is effective for real-time brain imaging applications. In the use case of clinical applications with fNIRS system we present a direct assessment method of cerebral autoregulation (CA) using a multichannel continuous-wave near-infrared spectroscopy (CW-NIRS) device in the prefrontal cortex. We introduce a new metric termed ‘time-derivative hemodynamic model (DHbT)’, which is the time-derivative of total-hemoglobin concentration change that reflects the changes of cerebral blood volume and cerebral blood flow. Although the absolute levels and the variations of systolic and diastolic BPs and mean arterial pressure showed no significant difference between subjects with frequent symptom of orthostatic intolerance and the healthy control subjects, the proposed model showed a distinct difference in slope variation and response time of DHbT between the two groups. Thus, these results clearly demonstrate the feasibility of using CW-NIRS devices as a CA performance assessment tool.
기능적 근적외선 분광법 (fNIRS)은 옥시 및 디옥시 헤모글로빈의 시간에 따른 농도 변화를 측정하여 비침습적으로 뇌 활성화 이미지를 얻어 인지연구분야에 광범위하게 사용된다. fNIRS의 휴대성과 해상도의 향상으로 재활, 뉴로 피드백 및 두뇌-컴퓨터 인터페이스의 활용 목적으로 응용분야의 확대가 시작되었다. 그러나, 동잡음에 취약한 fNIRS의 고유한 특성은 측정 결과의 정확도를 감소시키고, 이는 결과적으로 복잡한 후처리 과정을 필요로 하게 된다. 본 연구에서는 개인의 뇌 혈관계의 혈류 역학 모델링을 기반으로 한 실시간 모션 센서 기반의 동잡음 보상 알고리즘 (RT-MAC) 이 실시간 뇌 영상 복원에 효과적이라는 것을 보여 주었다. 또한, 본 연구는 fNIRS 시스템을 이용한 임상 적용 사례로 전두엽 피질에서 연속파 근적외선 분광기 (CW-NIRS) 장치를 활용한 대뇌 자동 조절 (Cerebral autoregulation: CA)의 직접적 개별 능력 평가 방법을 제시하였다. 대뇌 혈액량과 뇌 혈류의 변화를 반영하는 총 헤모글로빈 농도 변화의 시간 미분 수치인 'time-derivative hemodynamic model, DHBT' 이라는 새로운 측정 기준을 소개하였다. 수축기 및 이완기 혈압의 절대 수치와 변화 및 평균 동맥압은 기립성 불내성 증상이 빈번한 피험자군과 건강한 대조군 사이에 유의 한 차이가 없었으나 DHbT의 기울기 변화와 반응 시간에 뚜렷한 차이를 보였다. 따라서 이러한 결과는 CA 성능 평가 도구로서 CW-NIRS 장치를 임상평가에 사용 가능성을 분명히 보여 주었다.
