功能性近红外光谱技术的10年发展：CiteSpace知识图谱可视化分析

doi:10.12307/2021.044

中国组织工程研究 ›› 2021, Vol. 25 ›› Issue (23): 3711-3717.doi: 10.12307/2021.044

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功能性近红外光谱技术的10年发展：CiteSpace知识图谱可视化分析

范金1，曾露瑶2，钟冬灵1，李雨谿1，田艳萍1，黄依杰1，金荣疆1

1成都中医药大学，四川省成都市 610075；2福建中医药大学，福建省福州市 350108

收稿日期:2020-03-23 修回日期:2020-03-28 接受日期:2020-08-15 出版日期:2021-08-18 发布日期:2021-02-24
通讯作者: 金荣疆，博士，教授，博士生导师，成都中医药大学，四川省成都市 610075
作者简介:范金，男，1997年生，山西省忻州市人，汉族，成都中医药大学在读硕士，主要从事骨与关节疾病康复的临床与基础研究。
基金资助:
四川省科技计划项目(2019YFS0019)，项目负责人：金荣疆

Development of functional near-infrared spectroscopy in recent 10 years: a visual analysis using CiteSpace

Fan Jin1, Zeng Luyao2, Zhong Dongling1, Li Yuxi1, Tian Yanping1, Huang Yijie1, Jin Rongjiang1

1Chengdu University of Traditional Chinese Medicine, Chengdu 610075, Sichuan Province, China; 2Fujian University of Traditional Chinese Medicine, Fuzhou 350108, Fujian Province, China

Received:2020-03-23 Revised:2020-03-28 Accepted:2020-08-15 Online:2021-08-18 Published:2021-02-24
Contact: Jin Rongjiang, MD, Professor, Chengdu University of Traditional Chinese Medicine, Chengdu 610075, Sichuan Province, China
About author:Fan Jin, Master candidate, Chengdu University of Traditional Chinese Medicine, Chengdu 610075, Sichuan Province, China
Supported by:
the Science and Technology Research Plan of Sichuan Province, No. 2019YFS0019 (to JRJ)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
CiteSpace：是由来自德雷塞尔大学的陈超美教授研发的一款信息可视化的软件，软件利用寻径网络算法和共引分析理论，通过绘制多元、分时、动态的可视化图谱，以探索学科演化的潜在动力机制与学科发展的动态前沿。
功能性近红外光谱技术：是利用近红外光对人体组织的良好通透性，探测出散射后光源能量，通过计算氧合血红蛋白浓度、脱氧血红蛋白浓度、总氧含量来反映大脑皮质血流动力的变化，从而间接反映出脑各部区域的激活情况和功能变化。

背景：功能性近红外光谱技术是一种新兴的无创脑功能活动监测手段，对于脑成像显示出独特的优势，属于脑科学领域中新的研究热点。
目的：以CiteSpace知识图谱为基础，对国际上功能性近红外光谱技术相关研究文献进行计量学分析、共现分析、共被引分析和聚类分析，探索功能性近红外光谱技术近10年研究概况和目前研究热点，以期为未来研究提供一定指导。
方法：以Web of Science中Science Citation Index Expanded(SCI-E)收录的2010至2020年间发表的相关文献记录为研究对象，利用CiteSpace软件分别以作者、国家和机构、关键词作为节点进行共现分析，对被引期刊、参考文献进行共被引分析，并对关键词进行聚类分析、动态前沿演化分析。
结果与结论：①共纳入相关文献1 734篇；发文最多的作者以Fallgatter AJ为代表；发文最多的国家为美国、日本、中国；发文最多的机构为蒂宾根大学、德雷塞尔大学、伦敦大学学院；②预测从心理学和认知神经科学角度出发，借助功能性近红外光谱技术对不同脑区尤其是额叶皮质区的研究、利用功能性近红外光谱技术对大脑相关各种机制的探索、功能性近红外光谱技术对婴幼儿个体差异的检测以及与其他脑功能成像技术相结合所展开的研究仍旧是未来一段时间内的热点；③运用CiteSpace对Web of Science中功能性近红外光谱技术近10年的研究进行文献计量及可视化分析可知，功能性近红外光谱技术发展较为迅速；④此次研究相对直观地揭示了可合作的研究者及机构，并对研究热点进行了预测，为日后功能性近红外光谱技术研究的选题、发展方向等提供了一定参考。

https://orcid.org/0000-0002-0491-5326 (范金)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

关键词: 功能性近红外光谱技术, 认知, 额叶, 激活, CiteSpace, 可视化分析, 文献计量学, 知识图谱

Abstract: BACKGROUND: Functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) is a new non-invasive monitoring method for brain activities. fNIRS shows unique advantages for brain imaging and belongs to a new research hotspot in the field of brain science.
OBJECTIVE: Based on CiteSpace knowledge map, to conduct metrology, co-occurrence analysis, co-citation analysis, cluster analysis of related international research, in order to explore the progress and hotspots of fNIRS research in the past 10 years, hoping to provide some guidance for future research.
METHOD: The Web of Science was searched for relevant literature included in the Science Citation Index Expanded from 2010 to 2020. Authors, countries, institutions and keywords were taken as nodes for co-occurrence analysis using CiteSpace software. Cited journals and references were used for co-citation analysis, and keywords were clustered and burst-analyzed.
RESULTS AND CONCLUSION: A total of 1 734 papers were included. Fallgatter AJ was the representative of the high yield authors. The high yield countries were the United States, Japan and China. The high yield institutions were Eberhard Karls Universität Tübingen, Drexel University and University College London. From the perspective of psychology and cognitive neuroscience, it is predicted that fNIRS research on the various mechanisms of different brain regions, especially the frontal cortex, fNIRS research on the detection of individual differences in infants and children, and research on fNIRS combined with other brain functional imaging techniques are still hot topics in the future. CiteSpace-based visual analysis of fNIRS literature included in the Web of Science in the past 10 years indicates a rapid development of fNIRS technique. This study directly reveals the authors and institutions that can cooperate, and predicts the research focus of fNIRS, which provide references for future topic selection and research direction of fNIRS research.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

Key words: functional near-infrared spectroscopy, cognition, frontal cortex, activation, CiteSpace, visual analysis, bibliometrics, mapping knowledge domain

中图分类号:

范金, 曾露瑶, 钟冬灵, 李雨谿, 田艳萍, 黄依杰, 金荣疆. 功能性近红外光谱技术的10年发展：CiteSpace知识图谱可视化分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(23): 3711-3717.

Fan Jin, Zeng Luyao, Zhong Dongling, Li Yuxi, Tian Yanping, Huang Yijie, Jin Rongjiang. Development of functional near-infrared spectroscopy in recent 10 years: a visual analysis using CiteSpace[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2021, 25(23): 3711-3717.

图/表（结果） 12

2.1 文献计量学分析截止至2020-01-17，经去重处理后获得文献记录1 734条，近10年来年均发文量约192篇。其中2020年发文量的统计时间为2020-01-01/17，并非一整年发文量的完整统计，不具有代表性，因此未将2020年的发文数量纳入年均发文量的计算，也未将2020年的发文数量与被引频次画入趋势图中。虽然在2010年发文量较少，但近10年发文量、被引频次总体呈逐年上升趋势，见图1。

2.2 作者可视化分析以作者为节点运行CiteSpace，得到节点数为552，连线数为1 119的作者合作关系图谱，见图2。其中每一个节点代表一位作者，节点越大代表该作者发文量越多，节点连线代表作者间的联系或合作关系，作者间的连线多少、颜色、粗细分别表示作者间合作密切程度、发生合作的初始年代以及合作发表论文的频次。结果发现：发文频次前三的作者分别为FALLGATTER AJ 58次、EHLIS AC 45次、IZZETOGLU M 33次。通常情况下研究者用中介中心度来测节点在网络中的重要性，以此来发现和衡量某重要节点。中心度排名第一的为BRIGADOI S，中心度为0.17；第二的为HAEUSSINGER FB、BOAS DA、TSUZUKI D、KATURA T、HAMILTON A、SATO H，中心度都为0.08；第三的为DAN I和TACHTSIDIS I，中心度都为0.06。

2.3 国家可视化分析以国家为节点运行CiteSpace，得到节点数为35，连线数为102的国家合作关系图谱，见图3。发文频次排名前三的国家分别是美国463次、日本221次、中国203次；中心度前三的国家分别是英国0.61、美国0.33、法国0.21。可以看出，此领域中影响力较大的国家集中在欧美等发达国家。中国的发文量虽高但是中心度小影响力不足。

2.4 机构可视化分析以机构为节点运行CiteSpace，得到节点数为302，连线数为471的机构合作关系图谱，见图4。节点为年轮状，每一个节点代表一个研究机构，节点的大小代表该机构发文量的多少，标签字号的大小代表中心度的高低[5]，节点间的连线代表研究机构间的共现关系，连线粗细代表机构间的关联程度，节点年轮的颜色为蓝色时表示较早的年份，为红色时表示最近的年份。在fNIRS研究领域涉及的机构较多，发文频次排名前三的机构是蒂宾根大学(UnivTubinggen)71次、德雷塞尔大学(Drexel Univ)68次、伦敦大学学院(UCL)60次。中心度前三的机构是伦敦大学学院(UCL)0.38、帕多瓦大学(Padua Univ)0.17、蒙特利尔大学(Montreal Univ)0.16。

2.5 期刊可视化分析在CiteSpace中得到节点数为90，连线数为256的期刊共被引图谱，见图5。每个节点代表一个期刊，节点越大，表示期刊被引用次数越多。发文频次前四的期刊是《NEUROIMAGE》 1 371次、《PLOS ONE》 696次、《HUM BRAIN MAPP》 696次、《J BIOMED OPT》 668次。中心度前四的是《NEUROIMAGE》 0.75、《CEREB CORTEX》 0.15、《NEUROSCI LETT》 0.14、《NEUROPSYCHOLOGIA》 0.14。

2.6 被引文献共被引分析文献共被引是指2篇文献共同出现在了第3篇施引文献的参考目录中，则这2篇文献形成共被引关系。通过共被引频次和中心度两个指标可在一定程度上量化参考文献的学术影响力。在CiteSpace得到节点数为328，连线数为860的文献共被引图谱，见图6。其中频次/中心都排名前五的被引文献分别见表1，2。

2.7 关键词可视化分析
2.7.1 关键词共现分析关键词是文章内容的浓缩和提取，能很好地反映出文献的主题和内容[15]。关键词的共现分析是通
过关键词与关键词之间的共现关系来描述某一学术领域内部
组成关系及其结构，以关键词为节点对其进行共现分析，选择Pathfinder进行剪切，运行CiteSpace软件得到图7。图谱中共有192个节点，712条连接线。图中每一个十字节点代表一个关键词，节点大小代表着关键词出现的频次，节点越大说明频次越高。连线代表两个关键词共现在同一篇文献中，连线越粗代表共现越强。中心度和频次高的关键词代表研究热点。从图谱可以看出，除去与检索策略相关的检索词外，频次前五的关键词是激活(activation)330次、功能性磁共振成像263次、前额叶皮质(prefrontal cortex)250次、大脑(brain)246次、皮质(cortex)178次。关键词共现中心度前五依次是前额叶皮质(prefrontal cortex)0.11、婴幼儿(infant)0.11、激活(activation)0.10、大脑激活(brain activation)0.10、血流量(blood flow)0.10、系统(system)0.09、氧化(oxygenation)0.09、认知(perception)0.09、步态(gait)0.08、皮质(cortex)0.07、儿童(children)0.07、注意(attention)0.07、视觉皮质(visual cortex)0.07。通常认为中心度大于0.1的节点在网络结构中的位置比较重要，在知识结构的演变中具有重要意义[16]。根据关键词的引用频次及中心度综合分析可知，此领域研究的热点关键词为大脑激活、磁共振成像技术、系统、前额叶皮质、婴幼儿、血流量、认知、步态等。

2.7.2 关键词聚类分析关键词聚类分析有助于发现研究领域的分布情况和科学前沿。关键词共现图谱生成后，通过LLR方法对关键词进行聚类分析，图谱中每个色块代表一个聚类，最大的聚类以#0标记。通过LLR聚类方式命名，共形成了9个关键词聚类标签，见图8。图谱中Modularity表示网络模块度，其值为0.419 4 > 0.3，表明网络模块结构较为显著，聚类效果良好[17]，Mean Silhouette表示平均轮廓值，其值为0.512 8 > 0.5，表明聚类间同质性较好，此次聚类为高效的[18]，主要聚类中包含的具体关键词见表3。通过关键词的聚类结果发现，聚类的内容多集中在利用fNIRS来测定个体在不同状态下脑区的变化。

2.7.3 关键词动态前沿演化图谱 Citespace的时区视图(Time Zone)侧重从时间维度上来反映研究前沿的演进轨迹，将关键词共现知识图谱转换为Time Zone时区视图，进一步分析
fNIRS研究领域的热点历史演变情况和前沿，见图9。时区视
图是由一系列表示时区的条形区域组成，时区按时间顺序从
左向右排列，越靠近左下角，表示出现的时间越早，反之，出现于右上角表示出现的时间越近，节点出现的时区为该关键词首次出现的年份，图中关键词字体越大，表示关键词出现频次越多，连线表示两关键词在同一篇文献的共现关系，连线越多，表示关键词之间的相互作用越紧密。根据关键词的时区视图，可以发现fNIRS研究大致可分为两个阶段：第一阶段(2010至2013年)是关键词集中出现的时间段，这一时期主要的关键词有“前额叶皮质，大脑激活，功能性磁共振，脑电，婴儿，干扰，分辨率，可塑性，认知，语言，脑卒中，认知神经科学，刺激，康复”等，表明这个阶段的研究以提高fNIRS分辨率、降低噪声干扰、将fNIRS结合功能性磁共振、脑电等其他脑功能成像技术来检测不同人群在任务刺激下大脑激活为重点。第二阶段(2014至2020年)的主要关键词是“脑机接口，执行功能，一致性，性别差异，机制，经颅磁刺激，恢复，抑郁，个体差异，神经科学，联系”等，表明此阶段的研究热点逐渐演化为对执行功能、脑机接口、与脑相关的各种机制的研究。但研究热点较分散，未形成较为高频的关键词。

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引言

材料方法

讨论

fNIRS作为一种新兴的脑功能活动监测手段，凭借其无创、便携、对实验室要求低、以及对大脑成像具有较好的时间和空间分辨率可以实时准确地反映大脑皮质的神经功能活动，得到了越来越多的关注。
3.1 发文量分析近10年间，fNIRS领域年均发文量约为192篇，年发文量整体呈稳定增长趋势，研究热度逐年上升，fNIRS日益成为一个重要的研究领域，该领域发文量的迅速增长可能与近年来脑科学领域的研究热度上升有关。
3.2 作者分析研究者之间相互合作交流较为紧密，以作者Brigadoi S为中心的合作交流与中心性较高的作者Boas DA、Hamilton A、Tachtsidis I等均有合作，其在fNIRS领域的研究主要侧重于借助fNIRS来测量个体在完成不同认知任务时前额叶皮质血流动力学的变化进而对其可能的机制进行研究[19-21]、利用fNIRS间接对神经元代谢活动进行检测及对fNIRS数据中运动伪影校正的研究等[22-25]，其团队的研究结果对fNIRS研究领域和未来的发展产生了一定的影响。
3.3 国家分析美国和英国是fNIRS研究中影响力较大的国家，与各国间均有交流合作关系。其中，美国、英国、日本、中国及法国的交流尤为密切。美国的研究方向多集中于降低fNIRS噪声的方法、fNIRS用于脑-计算机接口的可行性研究以及婴幼儿大脑皮质血流动力学的相关研究等[25-30]；发文频次和中心度较高的英国、美国和日本在fNIRS的研究中处于较为重要的地位，而且都是发达国家，这表明在一定程度上发达国家引领着fNIRS的发展。而中国的发文量虽然为第三，但是中国与其他国家的合作不紧密而且中心度较小仅为0.06，需要进一步加强国际间的交流与合作。
3.4 机构分析研究机构多为发达国家的综合性大学，高产机构——蒂宾根大学与中心度较高的机构——伦敦大学学院之间联系紧密，机构间的相互合作有利于该领域的发展及更多科研成果的出现。相比国外研究机构，国内在fNIRS研究中的高产机构为北京师范大学，发文频次为50，其研究方向侧重于静息态脑功能连接的fNIRS和功能性磁共振成像技术定量比较与评估[31-32]、以及利用fNIRS对工作记忆任务下多动症儿童脑区血氧含量变化的研究等[33-34]。此外，结合作者分析可发现影响力相对较大的研究者BRIGADOI S与发文频次较多的FALLGATTER AJ和EHLIS AC均来自德国蒂宾根大学，这也是蒂宾根大学成为该领域高产机构的原因之一。
3.5 期刊与被引文献共被引分析《NEUROIMAGE》杂志的发文频次和中心度均较高，是fNIRS领域中最具影响力的期刊，其IF值为5.812，被引文献频次前五和中心度前五的文献中有70%的文献均被该期刊所收录，并且此刊与《PLOS ONE》《HUM BRAIN MAPP》《J BIOMED OPT》等期刊间均有不同程度的合作，推动了fNIRS研究成果的相互交流，其发表的相关文章反映了该研究领域的基础，如2012年所刊登的对fNIRS发展和应用领域进行综述的文章以252的被引频次成为该领域引用次数最高的文献，为fNIRS的深入研究奠定了基础，其所关注点代表了该领域前进的研究方向，为后来的研究人员提供重要的参考价值和研究方向。被引频次及中心度排在前五的文献，其研究内容主要集中在fNIRS的发展、fNIRS和功能性磁共振的定量比较、功能性磁共振与fNIRS相结合来探索血氧水平依赖信号与脑血流动力学之间的关系及利用fNIRS对婴幼儿这一特殊群体展开的提高fNIRS有效性的研究等。
3.6 关键词的共现、聚类及动态前沿演化综合分析此次研究的关键词共现分析的结果表明，通过fNIRS来检测个体完成不同任务时相关脑区的激活情况为当前热点。近些年来的研究通常是将大脑划分为额叶、颞叶、顶叶、枕叶等区域进行分区研究，其中借助fNIRS对个体在不同认知任务情况下前额叶皮质区血流动力学变化的研究较多[35]，表明fNIRS对额叶与认知功能相关的研究具有一定的优势性。通过关键词聚类分析显示部分研究借助fNIRS来探测与平衡相关的运动训练对大脑可塑性的影响以及相应脑区氧合功能调节与执行功能的改善情况[36-37]。此外，在fNIRS的研究中通常会将个体在静息状态下所测得的fNIRS数据与个体在任务状态下所得数据形成对照，以此对任务状态下脑区的激活情况进行判断[38-39]。在心理学与认知神经科学领域中，利用fNIRS来检测不同研究对象在学习与记忆、情绪、注意力、语言、空间知觉、决策、思维等任务状态下展现出了较好的优势。由于fNIRS技术的无创和操作简便，能较容易地应用于婴幼儿[40]，目前在婴幼儿fNIRS研究中主要侧重于对仪器设计、探针开发、方案优化、数据分析和解释等方面，但是还没有标准化的方法来分析多通道系统的数据[41]。关键词动态前沿演化分析显示fNIRS研究大致分为两个阶段，关于fNIRS的研究多侧重于以下几方面：如借助fNIRS来探测脑卒中或抑郁症患者在任务状态下脑区的激活情况，通过对fNIRS所得数据进行分析从而研究促使疾病康复的可能因素，利用fNIRS对大脑相关的各种机制进行探索，借助fNIRS对抑郁症患者进行诊断以及评价其治疗效果等。
对于fNIRS的研究从19世纪70年代就已经出现了，研究热度逐年增加，21世纪开始出现突增。根据关键词的共现、聚类及动态前沿演化综合分析现热点关键词为大脑激活、磁共振成像技术、前额叶皮质、脑卒中、婴幼儿、抑郁症、康复等，预测从心理学和认知神经科学角度出发借助fNIRS对不同脑区尤其是额叶皮质区的研究、利用fNIRS对大脑相关的各种机制探索、fNIRS技术对婴幼儿个体差异的检测以及与其他脑功能成像技术相结合所展开的研究仍旧是未来一段时间内的热点。在fNIRS领域中早期主要是对fNIRS的成像原理、降噪方法以及数据采集和处理方法的研究[42-43]，而近些年来研究者们广泛将fNIRS用于实时监测大脑活动的变化，以此反映出不同任务情况下不同脑区的激活情况，从而对脑神经的可能机制进行研究[44-46]。因此，fNIRS是一种较为理想的脑成像研究工具，
3.7 局限性此次研究利用CiteSpace软件，分析概述了fNIRS领域的研究现状及发展趋势，但仍存在一定局限性。此次研究仅对Web of Science单个数据库进行数据的采集处理，这可能会在一定程度上造成结果偏倚，因此对该领域的概述还存在一定局限性，需进一步完善。
3.8 结论此文创新点在于首次应用CiteSpace对2010至2020年Web of Science核心集收录的fNIRS相关文献记录进行了计量学和可视化分析。fNIRS发展较为迅速，从心理学和认知神经科学角度出发借助fNIRS对不同脑区尤其是额叶皮质区的研究、利用fNIRS对大脑相关的各种机制探索、fNIRS技术对婴幼儿个体差异的检测以及与其他脑功能成像技术相结合所展开的研究仍旧是未来一段时间内的热点。研究者可以利用fNIRS无创、便携等优点对不同疾病展开深入的探索，有望在不同领域中取得重大突破。此次研究相对直观地揭示了可合作研究者及机构，并对研究热点进行了预测，为日后fNIRS研究的选题、发展方向等提供了一定参考。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

功能性近红外光谱技术的10年发展：CiteSpace知识图谱可视化分析

Development of functional near-infrared spectroscopy in recent 10 years: a visual analysis using CiteSpace

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