《Optics & Laser Technology》：Synergistic TD-DOS/TD-DCS with time-gating for layer-specific hemodynamics
编辑推荐：
•同步的TD-DOS/TD-DCS平台可实现多模态数据的同步测量。•基于解剖结构的时序门控技术，可针对分层组织实现深度选择性敏感度。•分层反演方法能够精准估计光学参数与血流参数。•可在多层散射介质中准确恢复μa、μs′及BFi数值。•能更可靠地估算rCMRO?，且生理一致性更高。
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同步的TD-DOS/TD-DCS平台可实现多模态数据的同步测量。
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基于解剖结构的时序门控技术，可针对分层组织实现深度选择性敏感度。
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分层反演方法能够精准估计光学参数与血流参数。
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可在多层散射介质中准确恢复μa、μs′及BFi数值。
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能更可靠地估算rCMRO?，且生理一致性更高。
引言
对脑部氧代谢进行定量光学监测，需要同时且精准地估算多个相互关联的参数，包括光吸收、减散、血氧饱和度以及脑血流量[1]。在具有分层结构的头部组织中，由于光子传播受深度影响以及边界效应的存在，这类参数估算实际上属于一个约束条件极多的反问题。具体而言，吸收与散射现象之间存在强相关性，表层与深层组织都会对检测信号产生贡献。因此，动态血流参数会高度依赖于所假设的光学背景[2]、[3]。这些关联会进一步影响诸如脑氧代谢率（CMRO?）之类的代谢指标，因为氧合状况与血流速度的不确定性会以非线性方式相互叠加。这样一来，即便模型结构或反演策略存在细微偏差，也可能会带来较大的生理量化误差。
扩散光学光谱法（DOS）与扩散相关光谱法（DCS）为研究脑部生理功能提供了互补的视角。DOS通过量化组织的吸收与散射特性来估算血红蛋白浓度[4]、[5]，而DCS则通过检测时间强度波动来计算血流指数（BFi）[6]、[7]。二者结合便构成了一种无需侵入即可追踪氧气输送与利用情况的检测平台。不过，传统的连续波（CW）实现方案通常假定组织为均匀结构或有效的单层结构[8]、[9]。而在实际由头皮、颅骨、脑脊液及大脑皮层构成的分层头部结构中，这类假设无法区分不同深度区域的贡献。尤其是BFi的估算结果会对光学背景的准确性极为敏感，从而导致血流参数估算出现较大的系统偏差[10]。当光学参数与血流参数被独立估算时，由于缺乏统一的结构框架，所得代谢指标的生理意义也会大打折扣。
为减少表层信号的干扰，人们提出了多种策略，包括多距离测量与经验回归分析[11]、[12]、[13]。多距离测量方法通过引入额外的空间自由度来提升深度敏感度，但同时也增加了系统复杂性，且仍易受模型不一致性的影响[14]。需要指出的是，尽管这些方法提升了敏感度，却无法解决分层反演建模中存在的根本性问题——即结构一致性缺失。近年来出现的干涉型扩散光学技术，如iNIRS与CW-πNIRS，通过飞行时间分辨的场自相关测量或并行斑点检测方式，为提升对脑部动态变化的敏感度提供了新的途径[15]、[16]。这些方法虽有助于降低表层信号的干扰，但依赖不同的仪器设备与建模假设。与此不同，本研究着眼于一种同步的TD-DOS/TD-DCS框架，该框架将时序门控技术与基于解剖结构的光子传播模型相结合，通过分层反演方法来获取具有深度特异性的光学参数与血流参数。
时域（TD）光子计数技术通过引入时间维度，能够解析光子的飞行时间分布。在TD-DOS技术中，时间点扩散函数可以反映光子的传播路径长度，从而提升对较深层组织的检测灵敏度。TD-DCS则进一步将这一能力扩展到动态散射现象，实现了时间分辨的血流测量[17]、[18]。然而，仅提升深度敏感度并不足以保证参数分离的准确性。现有TD类方法的一个主要局限在于，其时序门控策略往往是基于固定延迟或信噪比标准等经验性方法确定的，缺乏基于解剖结构的明确依据[19]。此外，TD-DOS与TD-DCS通常被独立处理，这会在模型层面导致跨模态的持续不一致性[20]、[21]。
为克服上述局限，亟需一种具备物理可解释性且结构一致性的框架，在该框架中，时序门控技术的应用需与具有深度特异性的光子传播模型明确关联。在这样的框架下，早期与晚期的时间窗口应对应于组织穿透概率的客观差异，而非随意设定的阈值。同时，结构先验条件既需符合真实的头部几何结构，又需具备一定的通用性。虽然针对个体患者的MRI扫描能够提供详细的解剖信息，但其应用于实时监测往往并不现实[22]。因此，通过统计方法得到的解剖先验条件是一种可行的折中方案，它能够在保持临床适用性的同时，将反问题限制在生理上合理的范围内。
在本研究中，我们提出了一种基于波长分复用的同步时域TD-DOS/TD-DCS框架，用于实现脑部组织的分层定量分析。该框架通过基于解剖结构的光子传播统计规律来明确时序门控机制，从而在统一的正向模型中实现深度选择性敏感度，进而借助分层反演策略得到精确的层别光学参数与血流参数估值。这种统一的建模方式使得即便仅使用单一的光源与探测器组合，也能实现各模态之间结构一致的参数估算。所提出的框架已通过虚拟模型实验与体内实验得到了验证。该方法为脑部血流动力学与代谢功能的深度定量分析提供了可靠的理论基础，有望应用于功能性脑成像及神经重症监护领域。
章节要点
基于解剖先验的路径分辨时序门控
在基于光子传播统计规律设定时序门控条件之前，首先需要基于解剖结构的先验条件，建立光子到达时间与深度相关传播行为之间的合理映射关系。在本研究中，我们利用高分辨率MRI数据构建了群体平均的解剖先验模型，以此得到标准的头部几何结构，该结构反映了影响光子在组织中传播的脑外组织与脑组织的典型几何形态与厚度特征
光学系统配置
本研究构建了一个完全同步的多波长TD-DOS/TD-DCS双模态检测系统。该系统采用三波长皮秒脉冲激光器作为光源，分别为LDH-P-C-670、780、850型号，其中心波长分别为670纳米、780纳米与850纳米。其中850纳米波长的激光器具有0.022纳米的光谱线宽，既可用于TD-DOS检测，也可用于TD-DCS检测，从而实现氧合状态与血流信号的同步采集。所有激光器的脉冲宽度均为
虚拟模型验证
我们使用双层液体虚拟模型对所提出的时序门控分层TD-DOS反演方法进行了定量验证。所有分析均在850纳米波长下进行，时间窗口的选择是基于解剖先验条件通过蒙特卡洛模拟确定的，具体阈值设定方法详见补充材料的S1部分。
图4展示了早期与晚期时间窗口下的典型拟合结果。在这两个时间窗口中，模型拟合效果都非常理想（R2值均大于0.99），
讨论与结论
本研究提出了一种基于时序门控的分层TD-DOS/TD-DCS框架。通过在正向模型与实验层面建立跨模态的一致性约束，该框架能够在统一的物理假设体系下，稳定地获取具有层别特异性的光学参数、血流指数与氧合状态估值。该方法的一项核心创新在于，它整合了来自MRI的共享解剖先验条件，以此来约束光子传播统计规律与各组织层的定义
CRediT作者贡献说明
白静：原文撰写、正式分析、数据整理。吴英超：项目管理、实验研究。张彤：原文撰写。 李泽英：原文撰写、数据整理。张立民：文章审阅与编辑、方法验证。刘东远：软件开发、资源准备。高峰：文章审阅与编辑、方法设计。
资金支持
中国国家自然科学基金（编号：62575205、62075156、62205239）。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关联或个人关系。
Jing Bai|Yingchao Wu|Tong Zhang|Zeying Li|Limin Zhang|Dongyuan Liu|Feng Gao
