fNIRS

Principles

目录

• 利用 TCSPC 的时间分辨检测进行大脑功能成像
• 用于动态脑成像的先进 fNIRS 仪器

通过 TCSPC 进行时间分辨检测的大脑功能成像

近红外光谱（NIRS）技术能够记录生物组织中深至几厘米的吸收和散射变化。该技术应用于人体头部，可记录心脏跳动、大脑活动时氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白变化引起的飞行时间分布的动态变化。血液动力学对大脑刺激的反应时间为 100 毫秒到几秒钟。通过 TCSPC 进行时间分辨检测，可以更好地分离散射和吸收，并提供比 CW 技术更好的深度分辨率。特别是，飞行时间分布（DTOF）的矩分析和时间窗分析提供了一种区分脑内和脑外氧合变化的方法。

用于动态脑成像的先进 fNIRS 仪器

用于脑功能成像的仪器使用与静态脑成像类似的设置。不过，由于需要快速顺序记录，探测器的信号通常由完全并行的 TCSPC 通道记录。动态脑成像仪器的结构如下图所示。该仪器使用两个 SPC-134 封装来获得 8 个并行记录通道。同时记录头部两个半球的 DTOF。每个半球有 9 根源光纤和 4 根检测光纤。两个不同波长的激光器在时间上进行复用。此外，光纤开关会定期切换每个半球的 9 个光源位置。每个光源位置的 DTOF 采集时间为 95 毫秒。所有 9 个光源位置的一个切换周期在 0.9 秒内完成。序列在 SPC-130、SPC-130EM 或 SPC-150N 模块的 “连续流 “模式下记录。

下图显示了两个不同 DTOF 序列的 20 个步骤，均以每条曲线 100 毫秒的速度记录，以便让人对记录的数据有个印象。

大脑中光学特性的变化来自于飞行时间分布的强度和第一及第二矩。脑刺激实验的典型结果如下图所示。从平均飞行时间曲线可以看出，其变化量级为几皮秒。因此，TCSPC 模块的定时稳定性必须优于一皮秒，才能正确记录大脑对刺激的反应。

根据两个波长的数据以及一个半球的所有信号源和检测器位置计算出的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度在脑内和脑外的深度分辨变化如下图所示。

更多信息、相关应用和参考文献，请参见

bh TCSPC 手册，”弥散光学断层成像 “一章：DOT、NIRS 和 fNIRS “一章。

References

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Products

Application Notes

• 含 Hamamatsu H15620 近红外 PMT 的 273 ps FWHM TCSPC 响应