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平均值为6.53±0.99[46，47]。
Okada等人在四个模型[31]上比较了模型的实验测量值和蒙特卡洛法和有限元法的数学预测
12第2章。技术现状
根据不同类型的组织中的部分光路长度和源探测器间距确定灵敏度分布（见图2.8）。
图2.8：源探测距离为30mm的模型和空间灵敏度分布图，图取自
[31].
他们发现
•在较小的检测位置（≤15 mm），平均光程长度约为
等于表面层（皮肤、头骨）的部分平均光路长度
其中空间灵敏度分布被限制在该表面层。
•在中间位置（≥15 mm，≤25 mm），部分平均光路长度
脑脊液（CSF）和灰质（GM）层的厚度随着检测而增加
位置
•在大的检测位置（≥25mm），表面的部分平均光程长度
GM层保持大致恒定，而CSF层的GM层增加
具有源检测器间距。
他们得出的结论是，对于50mm的源探测器间距，光的消耗大约为
65%的路径在头皮和颅骨中，约35%在脑脊液中，仅约
5%位于大脑皮层灰质。然而，灰质的贡献
层估计为NIRS信号中吸收变化的至少20-30%。
在文献中，通常使用的源探测器距离导致大脑活动清晰
根据频域经验法则，信号在3–4 cm之间，连续
大脑最大敏感度的深度约为
源探测器分离距离[13]。
2.5现有fNIRS技术回顾
作为CW fNIRS系统设计的准备，有关NIRS仪器的文献
审查了发展方法。表A.1和A.2（见附录A）总结
工作组开发的工具的一些重要和可比较的特点
全世界
可以看出，几乎所有仪器都基于CW技术，约三分之二的仪器使用锁定方法来提高信噪比[18-20、30、44、45、48–
53]. 虽然一些仪器使用时分复用（TDM）技术，一次仅激活一个NIRS信道[15、32、38、45、49、52–55]，但其他仪器使用频率编码的同时发射和带通滤波器提取或基于软件的解调方案[19]，从而实现所有信道的连续测量。根据不同类型的组织中的部分光路长度和源探测器间距确定灵敏度分布（见图2.8）。
图2.8：源探测距离为30mm的模型和空间灵敏度分布图，图取自
[31].
他们发现
•在较小的检测位置（≤15 mm），平均光程长度约为
等于表面层（皮肤、头骨）的部分平均光路长度
其中空间灵敏度分布被限制在该表面层。
•在中间位置（≥15 mm，≤25 mm），部分平均光路长度
脑脊液（CSF）和灰质（GM）层的厚度随着检测而增加
位置
•在大的检测位置（≥25mm），表面的部分平均光程长度
GM层保持大致恒定，而CSF层的GM层增加
具有源检测器间距。
他们得出的结论是，对于50mm的源探测器间距，光的消耗大约为
65%的路径在头皮和颅骨中，约35%在脑脊液中，仅约
5%位于大脑皮层灰质。然而，灰质的贡献
层估计为NIRS信号中吸收变化的至少20-30%。
在文献中，通常使用的源探测器距离导致大脑活动清晰
根据频域经验法则，信号在3–4 cm之间，连续
大脑最大敏感度的深度约为
源探测器分离距离[13]。
2.5现有fNIRS技术回顾
作为CW fNIRS系统设计的准备，有关NIRS仪器的文献
审查了发展方法。表A.1和A.2（见附录A）总结
工作组开发的工具的一些重要和可比较的特点
全世界
可以看出，几乎所有仪器都基于CW技术，约三分之二的仪器使用锁定方法来提高信噪比[18-20、30、44、45、48–
53]. 虽然一些仪器使用时分复用（TDM）技术，一次仅激活一个NIRS信道[15、32、38、45、49、52–55]，但其他仪器使用频率编码的同时发射和带通滤波器提取或基于软件的解调方案[19]，从而实现所有信道的连续测量。
2.5.现有fNIRS技术的审查13
应该指出的是，许多工作组使用外部桌面锁定放大器
例如来自Ametek系列[18、50]或外部ADC/数据采集仪器，
e、 g.National Instruments或Keithley DAQ USB或PCI设备[18、19、49、50、53]。这样的
NIRS仪器不是独立工作的，并且通常不是便携式的。
仅发现两台独立的仪器为
移动部署[15]，[56]。
在Scholkmann等人对CW功能近红外光谱和成像仪器和方法的综述[11]中，对第一个商业
可以找到市场上的工具（参见附录图A.1）。这些的种类
仪器范围从
•适用于局部检测某些大脑区域的源/探测器较少的系统
覆盖整个头部的系统
•少数仪器使用带有集成组件的传感器贴片
使用光纤和柔性头帽的仪器
•大多数fNIRI设备尺寸较大，静态，很少连接到
提供无线数据传输的对象
•全头成像系统约10000美元至100000美元
在下文中，将讨论NIRS仪器的一些关键组件。
2.5.1 NIR光发射器
理想的光源在近红外波段提供多种单色波长
在较高的穿透深度下，每一个都具有相对较高的功率[13]。同时
辐射差异应该最小：如果没有额外的强度监视器
对于询问光束，不能辨别辐射强度的波动
由于组织中发色团浓度的变化而引起的吸收变化。
最后，光源的辐射光谱应该尽可能尖锐地达到峰值，理想情况下是单色的。然而，如果已知发射光谱
可以使用平均方法来校正消光系数[11]。准直
对于检测器处的强度来说，输入光的功率比
入射光本身，因为散射过程在组织的最初几毫米内迅速进行
使准直询问光束漫射[21]。
对于进入组织的近红外光发射，主要有三种类型的光源：
•激光二极管（LD）
•发光二极管（LED）
•白色光源（例如氙气闪光灯或石英卤素灯），带单色器/干涉滤光片
迄今为止，白光光源的使用还没有得到证实白色光源的使用迄今尚未被记录，
它们很大，最重要的是散热量大。这使得它们不适合
fNIRS仪器应用。另外两种选择-激光二极管和发光
二极管-都常用于近红外光谱仪器中，每个二极管都有各自的优点和
缺点（见表2.2）。
用于fNIRS仪器的激光二极管包括Sanyo
DL7140-201和日立HL8325G[45]、垂直腔表面发射激光器[52]和
激光二极管实验室LA68和STC LA8[3]。[21]中提供了市售脉冲高功率激光二极管的表和比较。
14第2章。技术现状
LDs公司
PRO+夏普辐射峰值：相干、几乎单色光发射
+脉动操作允许ns脉冲宽度，峰值功率高达10W[30]
反对的论点
-通常在大型包装中，小型化更具挑战性
-更高的安全要求，防止眼睛受损
-工作范围较窄
-可用波长有限，价格在695−775 nm之间[11]
-半导体结的极端加热通常需要光纤携带
进出组织的光[53]
LED指示灯
赞成的意见
+可提供2个或更多单独可控波长的封装
+由于光子是非相干/未准直的，进入组织的较高发射是
可能比具有相同最大允许暴露量的LD更高[19]
+易于调整，具有比LD更宽的工作范围
+可提供更大的变化，在波长选择方面提供更大自由度
+最小功耗和最小散热问题
CON-更宽的发射光谱：典型值。带宽25−50 nm
-比LD低的光功率输出消耗比
表2.2：用于fNIRS仪器的LED和LD的比较。
特别是在最新的方法中，经常使用发光二极管。工作
小组选择了来自Epitex[14，15，38，49，53，54，57]的多波长LED，例如
Epitex L760/850，来自光电二极管[19、20、58]的不同型号，如OD-7860、APT0101或APT-0010，或来自滨松，如L6112-01[50]等。
最佳NIR波长的选择至关重要，将在
第3.4.1小节。
2.5.2 NIR光探测器
主要有三种类型的探测器可用于探测来自
组织：
•光电倍增管（PMT）
•硅p-i-n光电二极管（SPD）
•雪崩光电二极管（APD）
在PMT中，基于外部光电效应，光子从光电阴极表面释放电子，然后由强电场加速，从而提高其动力学
能量这些高能电子从一系列倍增极中敲出次级电子，这些倍增极本身被电场加速，从而使电流倍增
由入射光产生高达106
至107
[11].
在SPD和APD中，基于内部光电效应产生自由电荷载流子
效应：入射光子被半导体结吸收，从而提高
电子转换为更高的能量，产生漂移的电子-空穴对
光电流。
雪崩光电二极管使用与PMT类似的原理：在APD结上施加大电场，加速由
光子吸收。这些自由载流子再次加速并产生更多载流子
通过碰撞电离，产生所谓的雪崩效应。通过应用
高达几百伏，内部放大范围为几百倍
[11] 可以实现。
光电二极管没有内部信号放大。新兴的光电流必须
2.5.现有fNIRS技术的审查15
在两种可能的操作模式中，通过外部电路放大：光伏
模式下，不施加偏置电压，并在大范围内测量产生的光电流
负载电阻。信号对光功率的响应是对数的
比在光电导模式中慢，但能够实现更高的动态范围。在光电导模式下，在半导体结上施加反向电压，从而降低
结的电容，因此响应时间，但也增加暗电流。通过小负载电阻测量所得电流，输出电压为线性
相对于入射光功率。
在这一点上应当指出，虽然其他光电二极管类型是可用的，
硅半导体是最有利的，因为它们的灵敏度更高
与其他（例如GaAs光电二极管）相比，NIR光谱中的噪声特性[54]。
检测器的选择很大程度上决定了仪器的灵敏度
最大采样率和动态范围[13]，必须考虑
NIRS应用的优势和劣势（见表2.3）。
项目管理团队
赞成的意见
+金标准（t） |
