Page 60 - 《中国医疗器械杂志》2026年第1期

Chinese Journal of Medical Instrumentation 2026年 第50卷 第1期

综 合 评 述

对外部机器设备的交互功能，如图1b所示。当 是波长分布在650~950 nm的两种或两种以上的近
BCI设备使用LED作为光源激励时，外部机器给出 红外光。扩散光学成像（diffuse optical imaging,
相应电信号指令，可驱动LED产生相应的光信 DOI）、扩散光学断层成像或扩散光学拓扑成像
号，如特定波段的光。此时神经元通过接收相应 （
diffuse optical tomography or topography, DOT）
光刺激进行光遗传学调控，如图1c所示。如果需 和 近 红 外 成 像 （ near-infrared imaging, NIRI） 是
要对神经元进行电信号刺激传递，则只需要选择 NIRS衍生出的多个基础概念相似的技术名称。

一个PD器件，让外部机器的指定光源对其进行光 10 6
紫外光 可见光 红外光
辐照射，该PD就可将预先设计的光信号转化为所 10 5 近红外
蛋白质 光学窗口 胶原
需的特定光电场，进而达到对神经元电刺激的目 10 4 黑色素
的，如图1d所示。若想实现OBCI技术的检测功 10 3
能，则可以对目标神经元区域进行血氧浓度记录 吸收系数/cm −1 10 2 脂肪
或神经元荧光标记等操作。当神经元因活动发生 10 1 HbR
HbO 细胞色素
动作电位改变引起血氧浓度变化或神经元受光敏 10 0 水
水
蛋白调控（激活/抑制）时，相关的散射光信号或 100 200 400 600 1000 20003000 10000

荧光信号也会随之变化而激发出特异性的荧光信 波长/nm
号，再继续使用BCI设备中设置好的BCI PD器件 图2 脑组织内各物质的吸收谱 [16]
Fig.2 Absorption spectra of various substances in brain tissue [16]
对其吸收后的光信号或荧光信号进行光电采集，
从而达到检测脑神经活动的目的，如图1e所示。 通过神经血管耦合机制，fNIRS技术可实时
神经元活动时产生的电信号同时可以作为“特定 采集并记录脑皮质神经元在健康与病理状态下的
电源”驱动植入脑部的LED器件发出特定的光源 动态活动。在脑功能活动过程中，神经元通过膜
辐射，这时外部机器再通过光学成像技术对发出 电位的变化产生动作电位，进而引起脑局部区域内
带有神经元电信号信息的光源进行特性采集，实 氧气和葡萄糖消耗的改变。这种消耗上的变化会刺
现对脑活动的无线光学检测功能以及视力恢复等 激该区域内的微小动脉扩张，导致局部血流加速及
功能应用，如图1f所示。 血容量发生改变，从而引起血氧浓度的波动。由于

(a) 两种血红蛋白，即氧合血红蛋白（Oxyhemoglobin，
(c) (d)
HbO）和脱氧血红蛋白（Deoxygenated hemoglobin，
HbR）对近红外光的吸收系数不同，经过吸收和散
Brain Neuron
(b)
Light Light
(e) (f) 射后的近红外光信号便能反映出该区域内这两种血
红蛋白的浓度信息 。
[17]
Machine Diode 血 红 蛋 白 浓 度 的 计 算 ， 通 常 使 用 修 正 后
图1 OBCI设备应用研究的基础原理过程 [15] 的 比 尔 -朗 伯 定 律 （ modified Beer-Lambert Law,
Fig.1 Basic principles and process of OBCI device application MBLL） [18]
research [15] 。 首先，依据比尔-朗伯定律（Beer-

Lambert Law），在非吸收介质中，得到光强的衰
2 功能性近红外光谱脑机接口（fNIRS- 减程度A与吸收生色团浓度c、光子经过的路径长度
BCI）技术 l成正比关系，即：
4πk
A = lg I in = cεl,ε = (1)
2.1 fNIRS-BCI技术基本原理 I out λ
fNIRS-BCI技术主要基于功能性近红外光谱技 式中： I in 为入射光强； I out 为出射光强；c为介质浓

术的运用。近红外光谱（near-infrared spectroscopy, 度（吸收生色团浓度）； ε为吸光系数（吸收生色
NIRS）是电磁波谱的一个波段，位于可见光与中 团的特性）；l为光子经过的路径长度； λ为光波
红外光之间的波长范围内。由于NIRS在脑组织传 长；k为消光系数。在实际fNIRS-BCI技术应用中，
播时存在一个光谱窗 [16] （见图2），在此波段的 大脑组织属于高散射介质，NIRS在传播中会发生
NIRS对头皮、颅骨等脑组织具有较高的穿透性。 强烈的光散射，散射现象使得传播路径呈一个“香
因此，在fNIRS-BCI技术研究应用中，主要利用的 蕉状”弧形（见图3），导致实际的光路长度远大

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