任何数量的模块（受限于期望的停留时间和采样率）可以由用户编写和定制的控制和采集例程来使用和控制。

2.2.2.硬件设计方面的选择

发射器分支：对于fNIRS仪器的高精度，仔细设计NIR发光电路至关重要，因为辐射强度的波动不能与组织中发色团浓度的变化导致的吸收变化区分开来。

为了保持通过LED半导体结的电流恒定且不受电源电压和温度变化的影响，同时允许锁定放大过程的强度调节和电流调制，设计了定制的电流调节器电路（见图2）。

图2:

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图2.电流调节器/调制器电路。

类似于Chenier和Sawan（2007）提出的解决方案，模拟开关用于基于运算放大器的调节电路中，用于电流的方波调制。然而，模拟开关（ADG711）用于调节器电路的输入，以在停用时将调节器输入拉低，而不是中断晶体管基极的调节过程。fNIRS信道激活和调制因此通过简单地通过方波参考馈送到由多路复用器选择的相应电流调节器开关来实现。

当调节器在kHz范围内调制时，过冲和下冲会影响电流的理想方波形状。为了优化形状，添加了被动负RC反馈，并对其进行了最佳性能评估。

接收器分支：接收器分支设计为通过最小化来自镜头、热和1∕f噪声、暗电流和来自外部光源的杂散光。

散粒噪声基于光子的量子性质，因此不可避免，对于没有内部放大的探测器，散粒噪声与平均入射强度的平方根成比例（Scholkmann等人，2014）。为了最大化SNR，仪器使用在实验情况下可行的电流调节器的最大NIR光强度水平来操作。不透明单元橡胶管用于覆盖近红外发射器和探测器的侧面，fNIRS模块外壳覆盖有不透明涂料，以最大限度地减少背景辐射的散粒噪声影响。

为了减少热噪声的影响，选择了具有集成跨阻抗放大器电路（OPT101）的硅光电二极管进行检测。检测信号的锁定提取进一步减少了杂散光、暗电流和1/f噪声的影响。将PGA放置在检测和锁定提取单元之间能够实现信号的最大预放大，同时通过随后的锁定解调来减少在放大过程中添加的放大器噪声分量。信号的非生理高频分量被锁定解调单元的三阶低通滤波器衰减。

2.2.3.接口和软件设计

图3显示了软件概念。fNIRS模块软件设置硬件组件（PGA、DAC、MUX…），并由基于中断的架构控制，该架构从4位并行接口接收其控制信号。因此，接口操作和模拟信号转换可以由主板或具有4位可编程数字输出的任何定制或标准DAQ设备（例如NI USB600x系列）完成。使用主板，信道管理例程既监督数据采集，又通过处理接收到的用户命令（配置、启动、停止…），将其转换为4位fNIRS模块接口的信号，并通过UART接口发送采集的数据包，作为fNIRS模块和PC之间的接口。在PC的操作系统端，用户可以控制仪器，并通过简单的串行端口命令控制台直接读取ASCII CSV格式的数据包，或使用任何软件（如LabView或Matlab）访问串行端口。开发了一个LabView图形用户界面，便于配置和控制以及显示和记录原始和修改的比尔-朗伯定律数据。

图3

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图3.软件和接口概念。独立的fNIRS模块通过主板或任何自定义控制和数据采集设备的并行控制接口操作。4位接口的功能（3:RST，2:TRIG，1:CH1，0:CH0）：位CH1:CH0选择四个物理NIRS信道之一。TRIG线上的上升沿激活所选通道，始终从相应LED的波长750 nm开始。每个随后的上升沿在750和850nm之间切换激活。当RST线被拉起时，所有信道都被关闭。TRIG线上的下一个上升沿再次开始该过程，从750 nm开始。

2.2.4.机械师2.2.4.机械和探头设计

在fNIRS仪器的机械设计中，通过为单个fNIRS模块和主板提供独立的定制3D打印解决方案，延续了模块化/可扩展性和坚固固定的理念：

主板、蓝牙模块和电池被戴在多单元链式外壳中受试者的上臂上（另请参见下一节中的图5）。

对于单个fNIRS模块，采用了一种新的机械弹簧加载设计，以优化信号质量、灵敏度和光穿透深度，以及光电二极管的简单、鲁棒、自适应固定（见图4）。基于直径D=20 cm的头部的球形近似值，中心NIR光检测器和四个NIR LED垂直于头皮放置，光源检测器距离D=35 mm。为了能够垂直固定发射器/检测器，同时允许对准头部的自然不平度及其与球形近似值的偏差，NIR光LED不是刚性地连接到模块主体外壳，而是集成在可移动的弹簧加载LED支架中。这些支架基于两个嵌套的管，这些管彼此（S1）和模块外壳（S2）弹簧加载，并能够围绕轴线（R）旋转：弹簧S1将LED压向头部表面，从而实现对齐并防止移动过程中的接触损失。弹簧S2和旋转接头R保持LED垂直于表面，同时允许舒适性和对准的小偏差。

图4

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图4：机械弹簧加载概念：球形头部近似（左上方），几何通道布置（红色：近红外LED，黑色：光电探测器，蓝色：最高灵敏度的测量点；右上方），一个LED支架上显示的弹簧加载机械设计（底部）。用于对齐和缓冲的弹簧S1，用于垂直对齐的弹簧S2和旋转接头R。

为了最大限度地减少杂散光的影响，并且为了缓冲，探测器和发射器由不透明的电池橡胶管包裹。为了将单个模块固定到头部，可以使用带有钩环紧固件的柔性带，将其缝合到模块外壳上。

机械概念的设计允许模块用于前额和头部毛发过多的区域：单个弹簧加载的光电二极管由于其模块化固定而无需帽或其他隐藏元件，因此易于接近。这使得用户能够手动将遮挡的毛发从光电二极管下方刷到一边，以获得更好的光学接触。尽管我们成功地对头部的毛发区域进行了测量，但必须指出的是，迄今为止，在受控条件下，模块在前额以外的其他区域的可用性尚未得到证实。

2.3.系统评估

2.3.1.硬件分析

为了根据功能单元对仪器硬件进行区分表征，评估和分析分为发射器支路（电流调节和调制）、接收器支路（锁定模块）、电源稳定性和总体漂移特性：

•电流调节器/调制器速度和电流形状/振荡特性：评估和优化电流调节器设计特性，以获得稳定、最小振荡但陡峭的方波形状的调节电流信号，进行了LTSpice模拟和测量，并使用两个高精度运算放大器（Analog Devices AD824A和Linear Technologies LMC6064）迭代改进了调节器设计参数。为了最小化瞬态振荡和稳定时间，在调节器设计中引入了负反馈去耦电容器C。为了确定其最佳值，在C＝0 pF至C＝330 pF的范围内，在不同的电流水平下研究了调节的方波电流信号的形状。