固体模型（solid phantoms）是一种用于模拟生物组织光学特性的人造材料，广泛应用于扩散光子学实验领域。它们通过精确控制吸收和散射系数，能够模拟真实组织的光学行为，为仪器校准、实验室间比较研究、工业标准制定以及多中心临床试验提供重要支持。通过分析组织样固体模型的吸收系数
和约化散射系数
来衡量固体模型的光学特性，进而研究不同固体模型的复现性，是一种可行的技术手段。
在人脑临床实验中，血氧相关的脑功能检测非常重要。通过实验的方法对大脑在传输特定波长光时的吸收系数
和约化散射系数
进行获取后，可以通过数据处理算法来获得HHb和O2Hb的含量进而算出大脑的血氧含量。
昊量光电推出了时域近红外光谱仪，在以上两个领域发挥着重要作用。
时域近红外光谱仪在固体模型与临床的应用
固体模型（solid phantoms）是一种用于模拟生物组织光学特性的人造材料，广泛应用于扩散光子学实验领域。它们通过精确控制吸收和散射系数，能够模拟真实组织的光学行为，为仪器校准、实验室间比较研究、工业标准制定以及多中心临床试验提供重要支持。通过分析组织样固体模型的吸收系数和约化散射系数来衡量固体模型的光学特性，进而研究不同固体模型的复现性，是一种可行的技术手段。
在人脑临床实验中，血氧相关的脑功能检测非常重要。通过实验的方法对大脑在传输特定波长光时的吸收系数和约化散射系数进行获取后，可以通过数据处理算法来获得HHb和O2Hb的含量进而算出大脑的血氧含量。
而时域近红外光谱仪作为核心仪器，在以上两个领域发挥着重要作用。
固体模型的复现性研究
固体模型的复现性研究主要依靠基于时间分辨漫射光学仪器的光谱测量，重点研究均匀固体模型的制造可重复性。双波长的时域近红外光谱仪作为一种可高速捕获真实时域光谱信息的仪器，可以用于搭建检测固体模型的光子传播特性的实验系统，见图1。
图1 基于时域近红外光谱仪的固体模型光学检测 (图片来源：参考文献[1])
本实验用的时域近红外光谱仪的工作波长为685纳米和830纳米，平均输出功率约为5毫瓦。激光通过光学探头传输至人体模型。该探头由两部分组成：注射端的1.5米光纤和采集端的1.5米光纤，两者均连接至90度弯曲光学接口。光子通过单光子探测器进行收集。该模块采用面积为1.7平方毫米的硅光电倍增管（SiPM）。时域近红外光谱仪设备通过tcspc技术，可对样品中飞行时间的光子分布进行测量，时间分辨率zui高可达10ps。通过用黑色织物屏蔽探头，背景噪声计数（每秒2×10⁴次）被控制在峰值强度的2到3个数量级以下。为确保测量期间获得良好的信噪比，光子计数率保持在每秒约10⁶次。积分时间固定为500毫秒，红外滤波器对两个激光器的半高全宽均小于200皮秒。
图2 固体模型的吸收系数（a）和散射系数(b)计算结果（来源：参考文献[1]）
当通过时域近红外光谱仪得到时域光子密度的响应曲线后，可以进行后续的数据处理。这主要通过解半无限均匀介质的光子扩散模型来进行。半无限均匀介质的光子扩散模型方程的解由以下式子给出：
其中c代表光在介质中的速度；D是扩散系数，由光吸收系数和约化散射系数表征；ρ是光源与探测器的距离；z0是等效穿透深度。这个解可以与时域近红外光谱仪所发出的脉冲曲线进行卷积，而后用zui小二乘拟合从而获得使得卷积后的曲线zui接近实测曲线的吸收系数和约化散射系数的值。双波长的时域近红外光谱仪仅测量两个波长（685nm和830nm）。此外，也可以通过DOS固定步长的波长扫描方法和PHOOD固定14个波长测量的方法来进行吸收系数和约化散射系数的计算。用时域近红外光谱仪、DOS和PHOOD测量的方式计算的环氧树脂固体模型的吸收系数和约化散射系数结果如图2所示。
人脑临床实验
在人脑临床实验中，时域近红外光谱仪相对于CW扫描来说具有的显著优势是时域近红外光谱仪可以探测在时域中不同到达时间的光子数量，从而得到光子飞行时间曲线。
实验一：
在基于nEUROPt协议的简易实验中，将一个黑色聚氯乙烯型圆柱体嵌入模拟人头平均光学特性的液体扩散介质中，该圆柱体置于光源与探测器之间的中平面位置，其扰动深度深度可在6-40毫米范围内调节。
图3 不同扰动深度下对比度随时间门的变化（图片来源：参考文献[3]）
上图是黑色聚氯乙烯型圆柱体嵌入人头模拟介质时，在6mm-30mm的不同扰动深度下，对比度随时间门的变化曲线图。其中对比度的数值计算可以用以下公式表达：
其中N(d,w,T;λ)表示在宏观（实验）时间T下，具有时间延迟d和宽度w的时间窗口内收集到的光子数量。N0(d,w,λ)表示在相同时间窗口和相同波长下收集的光子数量。
本实验结果表明，随着扰动深度增加，监测人脑光吸收系数对比度的z佳时间门会向更长时间方向偏移，但对比度会不可避免地减弱。在这个实验中，时域近红外光谱仪的时间门控功能至关重要。
实验二：
使用近时域红外光谱仪（工作在690 nm和830 nm)，单通道（源探测器距离为20 mm)位于人脑监测点C3的中心，并以1 Hz采集数据。实验分为三个阶段：首先是20秒静息状态，此时记录初始脑活动信号；而后是20秒任务期，被检测者的右手以 2 Hz频率进行手指敲击运动；zui后是40秒恢复期，停止运动，观察信号恢复。
图4 手指敲击脑临床实验HHb和O2Hb浓度变化图
图4中展示的HHb和O2Hb浓度是根据吸收系数得出来的。690nm是HHb的光谱吸收峰所对应的波长，830nm则对应O2Hb的吸收峰。通过实验测量得到690nm和830nm的探测光分别对应的吸收系数，结合HHb和O2Hb在这两个波长下的消光系数
可以建立一个方程组解出HHb和O2Hb浓度C,方程见公式（5）。
时域近红外光谱仪TD-NIRS
上海昊量光电作为国内专业的光电设备代理商，推出了测量精确的时域近红外光谱TD-NIRS仪器NIRSBOX。
图5 NIRSBOX时域近红外光谱仪
NIRSBOX是一种紧凑的双波长时域近红外光谱TD-NIRS系统，非常适合研究和监测生物介质中的光学特性。时域近红外光谱仪TD-NIRS囊括了超过20年的漫反射光学和单光子计数的研究经验，可定制定制电子和光学组件。时域近红外光谱TD-NIRS旨在成为即插即用的解决方案，且装置具有很高的测量精度，可忽略的预热时间和出色的测量稳定性。
NIRSBOX软件可获得不同深度的TD-NIRS测量，检索原始数据(如光子飞行时间分布)或轻松获取实时人体功能信息，如绝对血红蛋白浓度和组织氧饱和度。
NIRSBOX配件使它适应各种各样的应用，从记录大脑功能激活到长期监测大脑和肌肉血流动力学。
时域近红外光谱仪TD-NIRS产品特点：
稳定性——超过14小时的测量误差小于1%。
高精度——该方法的准确性已通过MEDPHOT漫反射光学设备评估协议的验证。
再现性——高重现性检索光学参数(μa， μs ')对组织模拟的光学仿体，一个月的波动小于2%。
图6 NIRSBOX时域近红外光谱仪的软件界面
上海昊量光电设备有限公司是NIRSBOX系列产品的官方代理商，欢迎各位技术专家、学者、商务人员与我们交流时域近红外光谱仪的相关技术、应用和商务信息。如果您对于任何光电相关产品感兴趣或者有任何问题，都欢迎通过电话、电子邮件或者微信与我们联系。
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本文资料参考文献：
[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.
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