Functional near-infrared spectroscopy : theory and principles

Near-infrared spectroscopy (NIRS) is a non-invasive neuroimaging tool for studying evoked hemodynamic changes in brain. By this technique, changes in the optical absorption of light are recorded over time and are used to estimate the functionally evoked changes in cerebral oxyhemoglobin and deoxyhemoglobin concentrations that result from local cerebral vascular and oxygen metabolic effects during brain activity. Even though research in the field of functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) has been performed for more than 20 years, consensus on signal processing methods is still lacking. The diversity of the optical imaging instrumentation and imaging procedures along with lack of standardization in the field, makes it an intriguing topic for new arrivals into the field either with neuroimaging experience or without any experience. The aim of this study is to present the fundamental theories and principles of each imaging techniques and provide a robust documentation of primary sources and authorities works. In the first chapter the neurophysiology along with the theory of functional neuroimaging has been reviewed. In chapter two the fundamentals of biomedical optics are presented and discussed. Furthermore, two of most prevalent imaging techniques in Near Infrared Spectroscopy are fNIRS and Diffuse optical tomography which are discussed, main instrumentation and imaging procedures are reviewed.

La spettroscopia nel vicino infrarosso (NIRS) è uno strumento di neuroimaging non invasivo per studiare i cambiamenti emodinamici evocati nel cervello. Con questa tecnica, i cambiamenti nell'assorbimento ottico della luce vengono registrati nel tempo e vengono utilizzati per stimare i cambiamenti funzionalmente evocati nelle concentrazioni cerebrali di ossiemoglobina e deossiemoglobina che risultano da effetti metabolici vascolari cerebrali locali e ossigeno durante l'attività cerebrale. Anche se la ricerca nel campo della spettroscopia nel vicino infrarosso funzionale (fNIRS) è stata condotta per oltre 20 anni, manca ancora il consenso sui metodi di elaborazione del segnale. La diversità della strumentazione di imaging ottico e delle procedure di imaging insieme alla mancanza di standardizzazione sul campo, lo rende un argomento intrigante per i nuovi arrivati ​​sul campo con esperienza di neuroimaging o senza alcuna esperienza. Lo scopo di questo studio è presentare le teorie e i principi fondamentali di ciascuna tecnica di imaging e fornire una solida documentazione delle fonti primarie e dei lavori delle autorità. Nel primo capitolo è stata rivista la neurofisiologia e la teoria della neuroimaging funzionale. Nel secondo capitolo vengono presentati e discussi i fondamenti dell'ottica biomedica. Inoltre, due delle tecniche di imaging più diffuse nella spettroscopia nel vicino infrarosso sono le fNIRS e la tomografia ottica diffusa che vengono discusse, la strumentazione principale e le procedure di imaging vengono riviste.