時域近紅外光譜儀在固體模型與臨床的應用

固體模型（solid phantoms）是一種用于模擬生物組織光學特性的人造材料，廣泛應用于擴散光子學實驗領域。它們通過精確控制吸收和散射系數，能夠模擬真實組織的光學行為，為儀器校準、實驗室間比較研究、工業標準制定以及多中心臨床試驗提供重要支持。通過分析組織樣固體模型的吸收系數和約化散射系數來衡量固體模型的光學特性，進而研究不同固體模型的復現性，是一種可行的技術手段。

在人腦臨床實驗中，血氧相關的腦功能檢測非常重要。通過實驗的方法對大腦在傳輸特定波長光時的吸收系數和約化散射系數進行獲取后，可以通過數據處理算法來獲得HHb和O2Hb的含量進而算出大腦的血氧含量。

而時域近紅外光譜儀作為核心儀器，在以上兩個領域發揮著重要作用。

固體模型的復現性研究

固體模型的復現性研究主要依靠基于時間分辨漫射光學儀器的光譜測量，重點研究均勻固體模型的制造可重復性。雙波長的時域近紅外光譜儀作為一種可高速捕獲真實時域光譜信息的儀器，可以用于搭建檢測固體模型的光子傳播特性的實驗系統，見圖1。

圖1 基于時域近紅外光譜儀的固體模型光學檢測 (圖片來源：參考文獻[1])

本實驗用的時域近紅外光譜儀的工作波長為685納米和830納米，平均輸出功率約為5毫瓦。激光通過光學探頭傳輸至人體模型。該探頭由兩部分組成：注射端的1.5米光纖和采集端的1.5米光纖，兩者均連接至90度彎曲光學接口。光子通過單光子探測器進行收集。該模塊采用面積為1.7平方毫米的硅光電倍增管（SiPM）。時域近紅外光譜儀設備通過tcspc技術，可對樣品中飛行時間的光子分布進行測量，時間分辨率zui高可達10ps。通過用黑色織物屏蔽探頭，背景噪聲計數（每秒2×10?次）被控制在峰值強度的2到3個數量級以下。為確保測量期間獲得良好的信噪比，光子計數率保持在每秒約10?次。積分時間固定為500毫秒，紅外濾波器對兩個激光器的半高全寬均小于200皮秒。

圖2 固體模型的吸收系數（a）和散射系數(b)計算結果（來源：參考文獻[1]）

當通過時域近紅外光譜儀得到時域光子密度的響應曲線后，可以進行后續的數據處理。這主要通過解半無限均勻介質的光子擴散模型來進行。半無限均勻介質的光子擴散模型方程的解由以下式子給出：

其中c代表光在介質中的速度；D是擴散系數，由光吸收系數和約化散射系數表征；ρ是光源與探測器的距離；z0是等效穿透深度。這個解可以與時域近紅外光譜儀所發出的脈沖曲線進行卷積，而后用zui小二乘擬合從而獲得使得卷積后的曲線zui接近實測曲線的吸收系數和約化散射系數的值。雙波長的時域近紅外光譜儀僅測量兩個波長（685nm和830nm）。此外，也可以通過DOS固定步長的波長掃描方法和PHOOD固定14個波長測量的方法來進行吸收系數和約化散射系數的計算。用時域近紅外光譜儀、DOS和PHOOD測量的方式計算的環氧樹脂固體模型的吸收系數和約化散射系數結果如圖2所示。

人腦臨床實驗

在人腦臨床實驗中，時域近紅外光譜儀相對于CW掃描來說具有的顯著優勢是時域近紅外光譜儀可以探測在時域中不同到達時間的光子數量，從而得到光子飛行時間曲線。

實驗一：

在基于nEUROPt協議的簡易實驗中，將一個黑色聚氯乙烯型圓柱體嵌入模擬人頭平均光學特性的液體擴散介質中，該圓柱體置于光源與探測器之間的中平面位置，其擾動深度深度可在6-40毫米范圍內調節。

圖3 不同擾動深度下對比度隨時間門的變化（圖片來源：參考文獻[3]）

上圖是黑色聚氯乙烯型圓柱體嵌入人頭模擬介質時，在6mm-30mm的不同擾動深度下，對比度隨時間門的變化曲線圖。其中對比度的數值計算可以用以下公式表達：

其中N(d,w,T;λ)表示在宏觀（實驗）時間T下，具有時間延遲d和寬度w的時間窗口內收集到的光子數量。N0(d,w,λ)表示在相同時間窗口和相同波長下收集的光子數量。

本實驗結果表明，隨著擾動深度增加，監測人腦光吸收系數對比度的z佳時間門會向更長時間方向偏移，但對比度會不可避免地減弱。在這個實驗中，時域近紅外光譜儀的時間門控功能至關重要。

實驗二：

使用近時域紅外光譜儀（工作在690 nm和830 nm)，單通道（源探測器距離為20 mm)位于人腦監測點C3的中心，并以1 Hz采集數據。實驗分為三個階段：首先是20秒靜息狀態，此時記錄初始腦活動信號；而后是20秒任務期，被檢測者的右手以 2 Hz頻率進行手指敲擊運動；zui后是40秒恢復期，停止運動，觀察信號恢復。

圖4 手指敲擊腦臨床實驗HHb和O2Hb濃度變化圖

圖4中展示的HHb和O2Hb濃度是根據吸收系數得出來的。690nm是HHb的光譜吸收峰所對應的波長，830nm則對應O2Hb的吸收峰。通過實驗測量得到690nm和830nm的探測光分別對應的吸收系數，結合HHb和O2Hb在這兩個波長下的消光系數可以建立一個方程組解出HHb和O2Hb濃度C,方程見公式（5）。

時域近紅外光譜儀TD-NIRS

星朗浩宇/昊量光電作為國內專業的光電設備代理商，推出了測量精確的時域近紅外光譜TD-NIRS儀器NIRSBOX。

圖5 NIRSBOX時域近紅外光譜儀

NIRSBOX是一種緊湊的雙波長時域近紅外光譜TD-NIRS系統，非常適合研究和監測生物介質中的光學特性。時域近紅外光譜儀TD-NIRS囊括了超過20年的漫反射光學和單光子計數的研究經驗，可定制定制電子和光學組件。時域近紅外光譜TD-NIRS旨在成為即插即用的解決方案，且裝置具有很高的測量精度，可忽略的預熱時間和出色的測量穩定性。

NIRSBOX軟件可獲得不同深度的TD-NIRS測量，檢索原始數據(如光子飛行時間分布)或輕松獲取實時人體功能信息，如絕對血紅蛋白濃度和組織氧飽和度。

NIRSBOX配件使它適應各種各樣的應用，從記錄大腦功能激活到長期監測大腦和肌肉血流動力學。

時域近紅外光譜儀TD-NIRS產品特點：

穩定性——超過14小時的測量誤差小于1%。

高精度——該方法的準確性已通過MEDPHOT學設備評估協議的驗證。

再現性——高重現性檢索光學參數(μa， μs ')對組織模擬的光學仿體，一個月的波動小于2%。

圖6 NIRSBOX時域近紅外光譜儀的軟件界面

星朗浩宇/昊量光電是NIRSBOX系列產品的代理商，歡迎各位技術專家、學者、商務人員與我們交流時域近紅外光譜儀的相關技術、應用和商務信息。如果您對于任何光電相關產品感興趣或者有任何問題，都歡迎通過電話、電子郵件或者微信與我們聯系。

本文資料參考文獻：

[1]Zhao F, Levoni P, Frabasile L, et al. Reproducibility of identical solid phantoms[J]. Journal of Biomedical Optics, 2022, 27(7): 074713-074713.

[2]Yamada Y, Suzuki H, Yamashita Y. Time-domain near-infrared spectroscopy and imaging: a review[J]. Applied Sciences, 2019, 9(6): 1127.

[3]Torricelli A, Contini D, Pifferi A, et al. Time domain functional NIRS imaging for human brain mapping[J]. Neuroimage, 2014, 85: 28-50.