《NeuroImage》：Magnetically compatible and fiberless fNIRS enables simultaneous multimodal imaging with optically pumped magnetometer MEG
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研究人员提出了一种磁兼容的无光纤功能性近红外光谱（fNIRS）系统，用于与光泵磁力计脑磁图（OPM-MEG）同步成像。无光纤fNIRS被设计为磁兼容，用于同步OPM-MEG成像。多极矩柔性印刷电路（FPC）将fNIRS光源电流引起的磁场抑制了1000倍。光极和
研究人员提出了一种磁兼容的无光纤功能性近红外光谱（fNIRS）系统，用于与光泵磁力计脑磁图（OPM-MEG）同步成像。无光纤fNIRS被设计为磁兼容，用于同步OPM-MEG成像。多极矩柔性印刷电路（FPC）将fNIRS光源电流引起的磁场抑制了1000倍。光极和电缆产生的磁场小于1 nT，且不降低OPM-MEG灵敏度。人体实验验证了集成多模态系统的可行性。该平台为可穿戴多模态成像和脑机接口（BCI）应用提供了潜力。
神经血管耦合（neurovascular coupling）是脑功能与健康的基础机制，其失调与阿尔茨海默病、癫痫、脑卒中等多种疾病密切相关。同时捕捉电生理活动与血流动力学反应，需要多模态成像技术。脑磁图（MEG）以毫秒级时间分辨率和毫米级空间精度测量神经活动，而功能性近红外光谱（fNIRS）量化氧合与脱氧血红蛋白浓度变化，提供互补的血液动力学信息。将两者结合，可在同一实验范式内直接关联电生理与血流动力学信号，减少跨session变异性，支持交叉验证。光泵磁力计（OPM）MEG技术近年发展迅速，可置于头皮表面而不需低温冷却，信号幅度更高且布局灵活。然而，此前OPM-MEG与fNIRS的同步成像均基于光纤型fNIRS，光源与探测器远离OPM传感器，无法解决将主动光电元件直接置于OPM旁带来的磁兼容挑战。与此同时，无光纤fNIRS因消除笨重光纤，具有机械顺应性高、光学损耗低、布局灵活等优势，与OPM-MEG的头皮布局理念天然契合。但尚无研究将无光纤fNIRS与OPM-MEG结合，主要障碍在于垂直腔面发射激光器（VCSEL）光源驱动电流（数十毫安）产生的磁场以及元件残余磁化可能干扰OPM测量。
为此，研究人员设计并实现了一套磁兼容的无光纤fNIRS系统，与OPM-MEG同步采集。通过非磁性光极封装和多极矩电流消除策略，将电流感生磁场抑制到亚纳特斯拉水平，同时保持适于血液动力学成像的光学性能。系统在人体运动任务和体感范式中验证了可行性与鲁棒性。该研究发表于《NeuroImage》，为神经血管耦合研究、可穿戴多模态成像及多模态脑机接口（BCI）系统提供了方法论基础。
关键技术方法概述：
研究人员采用多极矩电流消除策略，设计四层柔性印刷电路（FPC）驱动光源，单层及双层配置在典型距离产生纳特斯拉级磁场，四层配置将磁场抑制超过三个数量级（<0.1 nT）。光源选用VCSEL芯片（680 nm/850 nm），探测器采用硅光电倍增管（SiPM），通过非磁性封装和镀金工艺确保磁兼容。光极与电缆在距OPM传感器约1 cm处产生<1 nT磁场，不降低OPM灵敏度（10–40 Hz单轴灵敏度约40 fT/√Hz）。系统集成于刚性头盔，并连接至圆柱形磁屏蔽室外的信号调理与采集电子设备。人体实验招募2名健康成年男性（22岁和24岁，北京大学心理与认知科学学院伦理委员会批准，IRB#2022-08-04），分别进行单模态无光纤fNIRS手抓握任务和同步OPM-MEG/fNIRS正中神经电刺激实验。
研究结果：
**3.1 磁兼容性能表征**
通过测量源光极、多极矩FPC、探测器光极及电缆在通电与未通电状态下的直流磁场，量化对OPM的影响。源光极在最近距离下产生最大直流磁场，合成磁场<1 nT；实际实验几何布局中，通电源光极在OPM处产生约300 pT变化，多极矩FPC产生约200 pT合成磁场，相较未补偿配置抑制超过三个数量级。探测器光极在饱和照明下磁场约100 pT，正常操作下可忽略。所有条件下OPM灵敏度无显著增加，表明系统磁兼容。
**3.2 光学性能表征**
源光极总输出功率约30 mW（680 nm约10 mW，850 nm约20 mW），在ANSI安全限值内。输出线性度R2>0.999，一小时内归一化漂移<1%。探测器等效噪声功率约10 fW/√Hz，线性度R2>0.999，动态范围约六个数量级，光学串扰可忽略。OPM接近性漂移测试显示，60分钟内源光极输出缓慢下降约2%（850 nm约1%），不影响块设计功能测量。光纤耦合对比测试表明，全无光纤配置相比源侧、探测器侧及双侧光纤耦合分别提高信噪比约5 dB、10 dB和15 dB，且光纤扰动引起更大信号波动，证实无光纤设计的优势。
**3.3 人体实验评估**
单模态无光纤fNIRS在手抓握任务中，氧合血红蛋白（HbO）浓度在刺激后约10秒上升，10–15秒达平台（峰值约0.8 μmol/L），刺激停止后10秒内下降，误差条（95%置信区间）显示HbO与脱氧血红蛋白（HbR）响应清晰分离，与既往运动范式结果一致。同步OPM-MEG/fNIRS正中神经刺激实验中，每个受试者排除1个污染块（共10个块），保留9个块平均。fNIRS响应幅度减小（HbO变化约0.15–0.3 μmol/L），时间演化与单模态一致；OPM-MEG记录到典型体感诱发电场（SEF），波峰潜伏期与形态与既往文献吻合。两种模态同时采集时信号质量无退化，验证了同步可用性。
**讨论总结**：
本研究首次将无光纤fNIRS与OPM-MEG集成，解决了磁兼容性核心障碍。多极矩FPC设计使驱动电流磁场抑制超过三个数量级，非磁性封装使残余磁场<1 nT，不降低OPM灵敏度。无光纤架构保留了光学效率高、体积小、重量轻（每个通道约18 g，相较光纤配置84 g减少80%以上体积）等优势，同时避免了光纤弯曲损耗和耦合损失。OPM热效应引入的缓慢漂移（约2%/60分钟）可通过标准预处理或温度监测补偿。该平台不仅适用于固定仰卧位多模态记录（如临床转化），也为未来可穿戴高密度OPM-MEG/fNIRS系统奠定基础。同步采集能力可支持神经血管耦合机制研究、自然行为下的脑监测以及多模态BCI应用。
**研究结论部分翻译**：
研究人员已经设计并制造了一套磁兼容的无光纤fNIRS系统，用于与OPM-MEG同步采集。多极矩柔性印刷电路（FPC）设计将驱动电流感生磁场抑制超过三个数量级，实验表征确认非磁性光极封装与电缆未降低OPM灵敏度。通过集成于OPM-MEG头盔的子集通道，研究人员在体感范式中证明了概念验证性同步采集。通过解决这一关键磁兼容性障碍，该系统为未来神经血管耦合研究以及可穿戴神经成像和多模态BCI应用的灵活多模态平台发展提供了实用方法论基础。
