基于sCMOS的fNIRS系统：通过光学性能与皮层反应的验证

用温和的光“看见”脑活动

想象在没有刺耳扫描仪或紧绷管腔的情况下观察大脑工作，仅用柔和的红外光和一台小型相机。本研究介绍了一种实现这一目标的新方法。研究者测试了一种更紧凑且可能更廉价的脑成像系统，未来有望帮助医生和科学家在更自然的日常环境中研究思维、情绪和精神疾病。

为什么用柔和的光来观察大脑

功能性近红外光谱（fNIRS）将近红外光照入头部并测量返回的微弱光。由于含氧和缺氧血液对该波段光的吸收不同，能够随时间追踪与脑活动相关的微小血流变化。fNIRS 安静、安全，并且可在被试坐着、交谈或移动时使用，这使其对研究儿童以及精神或神经疾病患者很有吸引力。然而，当前的fNIRS设备常依赖许多独立的光检测器，导致设备体积大、成本高且难以扩展以覆盖整个头部。

用于脑光的全新相机式传感器

传统系统常使用雪崩光电二极管（APD），这类特殊光探测器灵敏度高，但需要许多独立单元及配套电子设备。作者改用基于科学级CMOS相机传感器的系统。研究者并非使用许多独立探测器单元，而是通过光纤将返回光导向单个二维传感器芯片的不同位置。该装置包括两个波长的近红外激光二极管、头部网格状的光源与探测点、用于分离两种光色的光学滤波器以及一台控制计算机。通过按时序开启和关闭不同光源，相机能够识别头部上每次闪光来自哪个位置。

在人工“组织”中测试性能

为检验该基于相机的系统是否与标准fNIRS设备一样准确，团队首先在精心设计的实验模型中测试了它，这些模型模拟了光在头部中的传播。一种模型将乳白色流体与黑墨水混合，以模拟如头皮、颅骨和脑组织等层的散射与吸收。通过缓慢加入微量墨水，改变混合物的光吸收强度，类似于血液含量变化。基于相机的系统在广泛范围内非常精确地跟踪这些变化，在信号极弱或极强时常常比传统探测系统更可靠。在第二种模型中，他们向组织样混合物中加入真血并逐步去除其氧气。两套系统测得的血氧变化与独立血气分析仪高度一致，表明该新方法能够跟踪现实的血氧水平变化。

在执行思维任务时观察真实大脑

研究者随后让志愿者执行言语流畅性任务：被试先安静休息，然后就指定类别说出单词，接着再休息。该任务已知会激活参与语言和执行功能的额叶区域。通过巧妙的光纤分路器，来自头部的相同返回光同时送入新型相机系统和一台商用fNIRS机器。去除噪声并将光变化转换为氧合与脱氧血估计值后，几乎所有通道两套系统随时间呈现非常相似的模式，统计学上高度一致。偶尔出现的不匹配可追溯于实务问题（例如光纤位置的微小移动），而非传感器设计本身的缺陷。

这对未来脑监测意味着什么

通俗地说，这项研究表明，单个智能相机芯片可以代替多个独立光探测器，而在测量与大脑相关的血流信号时不损失准确性。基于相机的fNIRS系统在灵敏度、噪声、随时间稳定性以及对现实血氧变化的响应等关键指标上与标准系统持平或更优。由于减少了体积和复杂性，这种方法有助于使脑监测工具更便携、成本更低，并且更易于适配不同发型和肤色的人群。尽管仍需进一步工程改进以提高速度并缩小硬件体积，但这项工作为在研究与临床护理中普及基于相机的脑成像指明了清晰路径。

引用: Zhou, J., Yan, B., Pu, Y. et al. sCMOS-based fNIRS system: validation via optical performance and cortical response. Transl Psychiatry 16, 260 (2026). https://doi.org/10.1038/s41398-026-03992-w

关键词: 功能性近红外光谱, 脑成像, sCMOS 传感器, 脑血氧含量, 精神科神经影像学