Page 61 - 《中国医疗器械杂志》2026年第1期
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Chinese Journal of Medical Instrumentation                                         2026年 第50卷 第1期

                                                    综     合     评    述



                                                                               [24]
              于光源到探测器的距离，从而使光子被组织吸收的                            统透射光的限制 ，至此基于fNIRS技术的脑功能
                                                                                          [25]
              概率极大地增加，因此需要把散射对光损耗的影响                            动态检测进入高速发展阶段 。与此同时，rDOT
              考虑在内。必须在式(1)中纳入无量纲光程校正因                           也推动了组成fNIRS-BCI系统关键技术设备——NIRS
                                                                                           [26]
              子，即差分光程因子（differential path-length factor,        多通道设备的研发与临床转化 。
              DPF）。                                                 2004年，COYLE等 率先开展了fNIRS技术用
                                                                                      [27]
                                I in                            于OBCI的可行性研究，旨在利用非侵入式fNIRS技
                           A = lg  = cεl·DPF+G            (2)
                                I out                           术开发用户友好的OBCI以替代传统的EEG-BCI设
              式中：G为与脑外层组织光学特性和几何结构有关                            备。检测受试者执行持续性“挤压−释放软球”运
              的常数损耗因子，表示光强衰减量；DPF表示散射                           动想象任务时的脑运动皮质活动，成功捕捉到
              导致的光程长度的增加。根据修正后的比尔-朗伯                            HbO与HbR的浓度动态变化信号，并证实其可通过
              定律公式，将光电探测器放置在距离发出特定NIRS                          算 法 解 析 转 化 为 脑 机 接 口 控 制 指 令 。 2007年 ，
              源的LED一定距离的地方，就可以收集反向散射光                           SITARAM等    [28] 利用多通道NIRS设备构建运动想
              并定量得出光源衰减的变化，从而计算得出给定波                            象OBCI系统，通过支持向量机（support vector
              长下光衰减的变化与HbO和HbR浓度变化的线性组                          machine, SVM）和隐马尔可夫模型（hidden Markov
              合关系。经过诸多研究计算，fNIRS-BCI技术中的                        model, HMM）算法分别实现73%与89%的左右手
              信号采集装置的探测深度通常设定为光源和探测器                            任务分类准确率，表明了fNIRS技术在OBCI开发中
                         [19]
              间距的一半 。                                           的应用价值。

                         发射器       发射探测器间距                          随后研究人员对fNIRS-BCI技术的研究主要
                                     （3~4 cm）
                       探测器
                                                                聚焦于脑信号激发的生成任务、噪声消除方法、特
                      灰质层                                       征提取及分类算法4个方面 。研究表明，得益于
                                                                                         [19]
                      颅骨
                                              探测光路径
                      头皮                                        fNIRS技术在运用中免除了头发遮挡所产生的伪迹
                                                                噪声干扰，心算、音乐想象和情感诱导等认知任务
                                                                成为研究应用的首选。带通滤波技术则成为OBCI
                                                                系统降噪处理中应用最广的方法。此外，在诸多
                                                                fNIRS-BCI技术研究中，最普遍的特征指标提取
                                                                采用的是均值和斜率，其结合机器学习进行分类识
                                                                别，实现了较高的识别准确率。在分类算法设计
                                                                中，线性判别分析因计算复杂度低和分类鲁棒性
                   图3   fNIRS-BCI的NIRS在大脑中探测传输光路
               Fig.3  The NIRS testing transmission optical path of fNIRS-BCI in the  好，成为特征降维与模式识别使用最广泛的算法之
                                    brain                       一。而近几年随着fNIRS-BCI技术研究的不断深

               2.2    fNIRS-BCI技术研究进展                           入，SVM算法表现出许多特有优势，也被研究者
                  在OBCI技术发展中，fNIRS-BCI技术是最早发                    在针对特殊患者（如精神分裂症）的临床研究中频
                                                                      [30]
              展起来的非侵入式脑机接口技术之一。自1977年                           繁使用 。在晚期ALS的治疗研究中，BORGHEAI
                                                                  [31]
              首 次 利 用 NIRS实 现 脑 组 织 氧 代 谢 的 无 创 监 测             等 于2020年开发了一种新型fNIRS-BCI系统。该
              以来   [20] ， fNIRS技术迅速拓展至神经科学领域，                   系统有效增强了患者与外界的沟通和控制能力，尤
              开启了基于光学信号的脑活动检测新范式。此后，                            其为晚期ALS患者提供了潜在的交流和操作支持。
              fNIRS技术经历了20世纪80年代从实验室的动物                         这种OBCI系统的应用为提升严重运动障碍患者的
              试验到新生儿脑氧合临床应用研究的阶段，同时                             沟通效率开辟了新的发展方向。同一年，研究试验
              这一阶段的研究发展也为日后fNIRS-BCI系统的信                        证明，基于时间分辨的功能性近红外光谱扫描
              号处理确立了理论基础            [21-23] 。进入1991年之后，由       （
                                                                 time-resolved functional near-infrared spectroscopy,
              于光学理论和计算技术的快速发展，研究形成了反                            TR-fNIRS） 技 术 的 BCI具 有 作 为 脑 损 伤 患 者 的
                                                                                  [32]
              射式扩散光学断层成像（reflectance diffuse optical            OBCI临床应用潜力 。一个典型fNIRS-BCI系统示
              tomography, rDOT）技术，该技术进一步突破了传                    意如图4所示。


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