近紅外光基本概念，原理，紅外光組穿行，硬件設(shè)計(jì)

概括來(lái)說(shuō)，在神經(jīng)元興奮時(shí)，其周?chē)M織中氧合血紅蛋白的濃度上升，脫氧血紅蛋白的濃度下降。這樣的話，通過(guò)檢測(cè)大腦特定部位氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白濃度的變化，就可以了解到該部位的代謝情況的變化，進(jìn)而對(duì)神經(jīng)元的興奮情況窺探一二。近紅外測(cè)的就是特定部位氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的濃度變化。

EEG/MEG腦電圖/腦磁

fmri核磁共振

近紅外技術(shù)采用的方法是，通過(guò)發(fā)射器向腦內(nèi)發(fā)射波長(zhǎng)為600-900nm的近紅外光，并在探測(cè)器處記錄出射光的強(qiáng)度，計(jì)算出光在大腦中穿行時(shí)的衰減量。通過(guò)比較不同時(shí)間點(diǎn)光的衰減量的變化，就可以計(jì)算出兩種血紅蛋白的濃度變化。

將光衰減量記為OD（optical density），入射光光強(qiáng)記為I0，出射光光強(qiáng)記為I1，那么我們規(guī)定：

OD = -log10（I1/I0）

這樣，當(dāng)I0和I1已知時(shí)，OD是可以被計(jì)算出來(lái)的。

而光之所以會(huì)發(fā)生衰減，是因?yàn)樗诖┻^(guò)介質(zhì)時(shí)發(fā)生了吸收和散射。這里明確一下，在利用近紅外技術(shù)觀測(cè)大腦活動(dòng)時(shí)，我們假設(shè)光散射事件造成的衰減在整個(gè)測(cè)量階段是恒定的。那么剩下的就是光的吸收了。

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近紅外設(shè)備主要發(fā)射的是波長(zhǎng)為600-900nm的近紅外光，原因之一是因?yàn)樵诖竽X中占比較大的水對(duì)該波長(zhǎng)范圍的光吸收率較小。

可以解出?HbO2和?HbR，得到與t0時(shí)刻相比，t1時(shí)刻所測(cè)部位的氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的濃度變化。

紅外光組穿行，硬件設(shè)計(jì)

光子組穿行設(shè)計(jì)： 光子組穿行是一種技術(shù)，利用光子的波動(dòng)性質(zhì)，使得光線可以在材料中傳播并保持干涉和散射，即使在復(fù)雜的多散射介質(zhì)中也能保持一定的傳播路徑。這種技術(shù)的應(yīng)用之一就是在生物組織中使用近紅外光進(jìn)行成像和分析。

基本概念： 光子組穿行是指光線在多散射介質(zhì)（如生物組織或散射介質(zhì)）中傳播時(shí)，由于光子的波動(dòng)性質(zhì)，光線可以通過(guò)多次散射來(lái)保持一定的傳播路徑。這種現(xiàn)象可以利用光的相干性和散射理論來(lái)解釋。

1. 光源選擇：
2. 近紅外光源通常使用激光二極管（LED）或激光器。LED在成本、穩(wěn)定性和功耗方面有優(yōu)勢(shì)，而激光器具有更高的光強(qiáng)度和單色性。選擇光源時(shí)需要考慮輸出波長(zhǎng)、功率、光束特性以及穩(wěn)定性。
3. 光傳輸系統(tǒng)：
4. NIR光的傳輸通常需要光纖、透鏡、光纖束等組件。透鏡可用于聚焦或分散光線，而光纖用于將光從光源傳輸?shù)綐悠坊蛱綔y(cè)器處。光線的聚焦度和光損耗是設(shè)計(jì)中的重要考慮因素。
5. 光學(xué)濾波器：
6. 在近紅外光譜范圍內(nèi)，使用適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)濾波器可以選擇特定波長(zhǎng)范圍的光。濾波器有助于排除不相關(guān)的光源和背景干擾。
7. 樣品處理：
8. 樣品可能對(duì)光的吸收和散射產(chǎn)生影響，因此可能需要在樣品與光源或探測(cè)器之間添加適當(dāng)?shù)臉悠肥?、探頭等。
9. 探測(cè)器選擇：
10. 選擇合適的探測(cè)器可以根據(jù)吸收、散射或熒光等效應(yīng)檢測(cè)近紅外光的變化。常見(jiàn)的探測(cè)器包括硅光電二極管（Si-PD）和光電倍增管（PMT）等。
11. 信號(hào)處理與放大：
12. 從探測(cè)器中獲取的信號(hào)可能很弱，因此可能需要放大器來(lái)增強(qiáng)信號(hào)，以便進(jìn)行后續(xù)的分析和處理。信號(hào)處理也可以包括去除噪聲和背景干擾。
13. 數(shù)據(jù)采集與分析：
14. 設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以將從探測(cè)器獲得的信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，并將其傳輸?shù)接?jì)算機(jī)或嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行分析和處理。這可以涉及模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）等組件。
15. 環(huán)境穩(wěn)定性：
16. 硬件設(shè)計(jì)需要考慮環(huán)境因素對(duì)系統(tǒng)性能的影響，如溫度、濕度和振動(dòng)等。適當(dāng)?shù)耐鈿ず透綦x措施可以保護(hù)系統(tǒng)免受外界干擾。
17. 校準(zhǔn)和標(biāo)定：
18. 設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)需要進(jìn)行校準(zhǔn)和標(biāo)定，以確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。校準(zhǔn)可以利用已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)樣品來(lái)進(jìn)行，而標(biāo)定可以在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行。
19. 安全性和合規(guī)性：
20. 在設(shè)計(jì)近紅外光系統(tǒng)時(shí)，要考慮電氣安全、輻射安全以及相關(guān)的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，以確保系統(tǒng)的安全性和合規(guī)性。

總之，設(shè)計(jì)近紅外光硬件需要綜合考慮光學(xué)、電子、信號(hào)處理等多個(gè)方面的因素，以滿足特定應(yīng)用需求并獲得準(zhǔn)確可靠的測(cè)量結(jié)果。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，可能需要進(jìn)行多次測(cè)試和優(yōu)化，以確保系統(tǒng)性能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。