赞成的意见

+灵敏度方面的金标准：允许单光子计数

+高达107

+类似APD[11]的高速

+可与APD相比的动态范围，但低于SPD

反对的论点

-极易受到环境光的影响，高光强度会导致

设备

-大型、笨重的设备

-对磁场敏感

-需要高压电源（安全）

-需要冷却和电压稳定

SPD（单刀双掷）

赞成的意见

+非常小的包装

+仅需要低电压-可安装在头部

+易于使用，无需稳压或冷却[13]

+抗环境光照

+对磁场不敏感

+高动态范围高达100 dB[13]

+快速：支持速度高达100 Mhz[13]

反对的论点

-低灵敏度

-更高的跨阻抗增益降低了SNR和带宽

-无内部放大，前置放大器必须为低噪声且精心设计

APD

赞成的意见

+中等或小包装

+比PD更高的灵敏度

+内部收益从10到几百

+抗环境光照

+对磁场不敏感

+高达60 dB的良好动态范围[13]

+比SPD更快：支持频率>100 Mhz[13]

反对的论点

-需要几个100V的高压（安全）

-需要稳定的电源

-由于内部增益依赖于温度/偏置电压，因此需要冷却[13]

表2.3：用于fNIRS仪器的PMT、SPD和APD NIR检测器的比较。

光倍增器管如滨松R928或R936主要用于

关于fNIRS装置的第一篇出版物（Cope 1991[21]和Rolfe等人2000[30]）。最近，PMT在频分仪器中得到了应用，但几乎没有

16第2章。技术现状

已使用，大部分已被雪崩光电二极管取代。

雪崩光电二极管和硅光电二极管都常用于当今的

NIRS仪器方法，首选SPD趋势。关于

APD，文献中使用的大多数检测器由滨松制造，其中滨松C5460-01最受欢迎[18–20，45，50]。对于硅光电二极管，许多

工作组使用诸如OPT101[14、53]或OPT209[44]的Burr-Brown传感器，

光电二极管公司[15，59]和西门子[49]的探测器。

2.5.3光传导

虽然硅光电二极管和发光二极管可以直接应用于头部，

白光光源、激光二极管、雪崩光电二极管和光电倍增管传统上需要光纤与头皮之间的光传导。步骤索引

纤芯直径≈0.5mm的多模光纤通常用于引导光

从光源到头部。从头皮到探测器的传导

通常是直径较大的光纤束，例如≈2.5−3 mm[20，50]和高

数值孔径最大化收集的光量[11]。

纤维必须通过带或帽上的纤维固定器连接到头部，并添加

重量，通常会降低移动性和舒适性。此外，良好的光耦合

必须确保从发射源到光纤的损耗最小化。

当光源和探测器直接放置在头部时，几何设计

探头的温度稍受限制，潜在的加热和电气危险

必须考虑。另一方面，光损失最小，用户移动性

限制较少。

由于这项工作的目的是设计一种移动近红外光谱仪器

需要它们的源/探测器没有计划，因此不会进一步

此时评估。

2.5.4信号放大

由于检测到的光信号中的功能性NIRS信号非常弱，因此应用了低噪声放大和信号提取技术。一种常用的方法是

同步（锁定）检测，这将在后面的章节中详细讨论。使用

锁定检测增强了SNR，但也增加了系统复杂性。使用快速照明

调制时，只能使用具有适当带宽的光电探测器。

为了增加仪器的动态范围，可变/可编程增益放大器

可以使用。

2.5.5探头设计

在过去几年中，发表了几种不同的光学探针设计方法。

因为探头的良好耦合是高性能和

信号质量，许多探头设计的目的是尽量减少头发阻塞和运动影响。

发表在文献中的设计方法包括

•锥形和圆柱形单探头，用于固定在EEG帽/发网上

链式补丁[15，49]，

•带缓冲材料的柔性PCB上的多探头和多方位探头

[12, 14, 30, 53, 58, 59],

2.6.应用领域17

•探头集成到头盔和头盔式耳机[48，52]中，并固定在机械上

安装结构安装[20]。

具有缓冲材料的柔性PCB具有层压板的缺点从而促进通过毛发的阻塞。出于这个原因

柔性PCB探针设计仅应用于前额。

2.6应用领域

脑活动NIRS仪器的当前和未来应用领域

评估可分为三个重叠的主题：大脑研究、临床背景

以及脑机接口研究。

基础大脑研究

对视觉、躯体感觉、听觉、听觉和听觉进行了大脑激活研究，

运动和语言系统以及认知表现（参考文献见[14]）。2003年，Izzetoglu等人进行了功能活动监测，作为一项措施

在飞机着陆情况和战争等复杂任务中的认知工作量

管理[60]。据评估，精神病学研究在漫射光学方面仍有很大的发展空间

技术[13]，使用fNIRS进行脑功能障碍评估和研究[12]

新生儿认知研究[48]是进一步相关的应用领域。总而言之

对fNIRS用于基础生理、生化和常规临床的兴趣

自20世纪70年代中期以来，应用程序稳步增加[30]。

临床应用

最初的主要临床兴趣在于长期监测脑氧合

新生儿和高危婴儿[3，21]。最新的神经学应用是

帕金森氏症脑深部刺激时血流动力学反应的研究

患者、癫痫患者诱发癫痫发作期间的大脑激活、言语流畅性

阿尔茨海默病患者的认知任务，精神分裂症患者的前额叶大脑激活

患者（参考文献见[14]和[13]）以及最近对肌萎缩侧索硬化症（ALS）状态的检查（参考文献参见[19]）。其他潜在应用包括

皮质血流监测与血管源性脑病变的早期诊断

[51]、脑创伤和外科干预监测[45]以及对氧气和葡萄糖供应严重减少导致的脑缺血的无创监测[56]。

脑机接口

在过去十年中，越来越多的工作组将fNIRS技术用于BCI任务，并证明其在BCI环境中的适用性（例如[20，50，61–64]）。实验

在实际和想象的任务中，运动皮层活动可以被利用

作为脑机接口控制信号，用于中风、脊髓损伤导致的严重瘫痪患者

或ALS[17，62]。性能输出优化的认知工作量评估

已经完成了上下文敏感系统的研究[60]，并提出了近红外光谱技术

用于与EEG杂交，以作为混合BCI中分类性能改善的大脑开关[16，64]。fNIRS在脑机接口应用中的应用前景广阔

因为其紧凑、坚固、安全的使用和长期适用性。与…对比

脑电图，几乎不需要训练。作为一个非常年轻的研究领域，fNIRS

BCIs被评估为有前途的新模式