[脑机搬运工] fNIRS 功能性近红外光监测原理与应用(功能性近紅外光監測原理

近红外光基本概念，原理，红外光组穿行，硬件设计

概括来说，在神经元兴奋时，其周围组织中氧合血红蛋白的浓度上升，脱氧血红蛋白的浓度下降。这样的话，通过检测大脑特定部位氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度的变化，就可以了解到该部位的代谢情况的变化，进而对神经元的兴奋情况窥探一二。近红外测的就是特定部位氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度变化。

EEG/MEG脑电图/脑磁

fmri核磁共振

近红外技术采用的方法是，通过发射器向脑内发射波长为600-900nm的近红外光，并在探测器处记录出射光的强度，计算出光在大脑中穿行时的衰减量。通过比较不同时间点光的衰减量的变化，就可以计算出两种血红蛋白的浓度变化。

将光衰减量记为OD（optical density），入射光光强记为I0，出射光光强记为I1，那么我们规定：

OD = -log10（I1/I0）

这样，当I0和I1已知时，OD是可以被计算出来的。

而光之所以会发生衰减，是因为它在穿过介质时发生了吸收和散射。这里明确一下，在利用近红外技术观测大脑活动时，我们假设光散射事件造成的衰减在整个测量阶段是恒定的。那么剩下的就是光的吸收了。

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近红外设备主要发射的是波长为600-900nm的近红外光，原因之一是因为在大脑中占比较大的水对该波长范围的光吸收率较小。

可以解出∆HbO2和∆HbR，得到与t0时刻相比，t1时刻所测部位的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度变化。

红外光组穿行，硬件设计

光子组穿行设计： 光子组穿行是一种技术，利用光子的波动性质，使得光线可以在材料中传播并保持干涉和散射，即使在复杂的多散射介质中也能保持一定的传播路径。这种技术的应用之一就是在生物组织中使用近红外光进行成像和分析。

基本概念： 光子组穿行是指光线在多散射介质（如生物组织或散射介质）中传播时，由于光子的波动性质，光线可以通过多次散射来保持一定的传播路径。这种现象可以利用光的相干性和散射理论来解释。

1. 光源选择：
2. 近红外光源通常使用激光二极管（LED）或激光器。LED在成本、稳定性和功耗方面有优势，而激光器具有更高的光强度和单色性。选择光源时需要考虑输出波长、功率、光束特性以及稳定性。
3. 光传输系统：
4. NIR光的传输通常需要光纤、透镜、光纤束等组件。透镜可用于聚焦或分散光线，而光纤用于将光从光源传输到样品或探测器处。光线的聚焦度和光损耗是设计中的重要考虑因素。
5. 光学滤波器：
6. 在近红外光谱范围内，使用适当的光学滤波器可以选择特定波长范围的光。滤波器有助于排除不相关的光源和背景干扰。
7. 样品处理：
8. 样品可能对光的吸收和散射产生影响，因此可能需要在样品与光源或探测器之间添加适当的样品室、探头等。
9. 探测器选择：
10. 选择合适的探测器可以根据吸收、散射或荧光等效应检测近红外光的变化。常见的探测器包括硅光电二极管（Si-PD）和光电倍增管（PMT）等。
11. 信号处理与放大：
12. 从探测器中获取的信号可能很弱，因此可能需要放大器来增强信号，以便进行后续的分析和处理。信号处理也可以包括去除噪声和背景干扰。
13. 数据采集与分析：
14. 设计一个数据采集系统，可以将从探测器获得的信号转化为数字数据，并将其传输到计算机或嵌入式系统进行分析和处理。这可以涉及模数转换器（ADC）等组件。
15. 环境稳定性：
16. 硬件设计需要考虑环境因素对系统性能的影响，如温度、湿度和振动等。适当的外壳和隔离措施可以保护系统免受外界干扰。
17. 校准和标定：
18. 设计后的系统需要进行校准和标定，以确保测量结果的准确性和可靠性。校准可以利用已知浓度的标准样品来进行，而标定可以在实际应用中进行。
19. 安全性和合规性：
20. 在设计近红外光系统时，要考虑电气安全、辐射安全以及相关的法规和标准，以确保系统的安全性和合规性。

总之，设计近红外光硬件需要综合考虑光学、电子、信号处理等多个方面的因素，以满足特定应用需求并获得准确可靠的测量结果。在设计过程中，可能需要进行多次测试和优化，以确保系统性能达到预期目标。