文/Toshihiro Ishii，Yoichiro Takahashi，RICOH；
Takeaki Shimokawa，Mitsubishi Electric；Okito Yamashita，ATR
雷射天地導讀
垂直腔面發射雷射器（VCSEL）最近已應用於智慧型手機、光檢測和測距、以及旨在利用其潛力的一些研究領域。本文介紹了使用近紅外VCSEL來實現高解析度功能性近紅外光譜（fNIRS）的示例。
VCSEL在fNIRS中的應用
功能性近紅外光譜（fNIRS）使用近紅外光，對大腦的激活分布進行非侵入式測量。它被廣泛用作腦科學研究中的測量工具。在日本，利用fNIRS輔助診斷抑鬱症和癲癇手術前檢查的費用，被列入保險的保障範圍之內。目前，人們也正在研究該技術在注意力缺陷多動障礙藥物療效判斷[1]和康復[2]方面的前景，以納入保險範圍。
目前，功能性網絡分析在分析每個大腦區域創建和運行的網絡類型方面，引起了人們的注意，從而可以診斷痴呆、精神分裂症和自閉症等。使用功能性磁共振成像技術（fMRI）可以進行功能網絡分析。傳統的fNIRS的空間解析度精度不足；然而，其簡單的測量裝置對於醫學檢查等簡單的測量而言是必不可少的。
多方向漫射光學層析成像技術（DOT）
漫射光學層析成像技術（DOT）是fNIRS的高級版本，可對生物體內部進行高精度的3D功能性成像[3]。通過解決缺陷問題，可以將DOT從排列在2D平面中的探測器數據擴展到3D數據。它需要高度準確的正向和反向問題分析。在前者中，通過求解生物體內的光傳播模型來計算探測到的光量，而在後者中，通過使前者與實際測量值之間的差異最小化，來獲得光學吸收體分布（大腦血流分布）。在這裡，逆問題是使用層次貝葉斯估計方法[4]解決的。但是，需要將fNIRS測量與給定最大間距為15mm的高密度探頭配合使用，以獲得3D重建所需要的信息，這使其更加複雜且費力[3]。
因此，這裡我們介紹一種可以使用多方向光源和多方向探測器（見圖1）執行簡單DOT的方法，通過從四個方向中的一個探頭髮射兩個波長的光束，並接收四個方向的光，來提高腦血流激活區域的空間解析度。另外，相對於生物體表面以不同方向傳播的光會通過不同的路徑傳播，從而增加了信息量（見圖1）。假定傳播到生物體內的光具有方向性，就可以實現偽高密度探頭[5]。
圖1：多方向fNIRS。
Light source：光源
Detector：探測器
光學模擬
多方向DOT可以通過進行高精度的光學仿真來實現，使傾斜入射光的方向性得以保持。一般來說，描述光在身體組織即人體皮膚中的傳播，通常被模擬為擴散方程。但是，這種方法的缺點是擦除了光束的傳播方向。同時，有一種使用蒙特卡洛模擬的方法，儘管不是一種分析方法[6]。還有一種使用蒙特卡洛極限（MCX）的公開可用的模擬工具[7]。MCX是用CUDA編寫的，以使用圖形處理單元，並且可以計算超過109的光子數。在本文中，我們使用MCX進行了光學模擬，以準確描述光傳播的方向。
多方向模塊的光學設計
在此，我們準備了四個光發射和光接收模塊，每個模塊之間的距離約為30mm。我們設計了光傳輸模塊，以從同一位置發出兩個波長和四個方向的近紅外光。使用兩個波長分別為780nm和905nm的VCSEL晶片作為光源。每個VCSEL晶片約為1mm2，晶片上的四個發光點以大約500μm距離的正方形排列。
我們在VCSEL晶片上大約100μm的位置處放置了有效直徑約為1mm（f = 0.1mm）的透鏡。一對透鏡對應於兩個波長的兩個相鄰的VCSEL。光被透鏡清楚地折射並分成四個方向（見圖2）。
圖2：雙波長光學系統通過將VCSEL 1和VCSEL 2的位置相對透鏡中心移開幾微米（μm），將從兩個VCSEL發出的、距離約1mm的光束，對準到物體表面的一個點上。[8]
1mm Lens Pair：1mm透鏡對
Prism：稜鏡
Subject：物體
隨後，我們在透鏡對上放置一個樹脂稜鏡，以在每個側面反射光束，並且八光束聚集在稜鏡上表面的中心。我們在距VCSEL晶片中心幾微米（m）的位置布置了1mm透鏡，以校正晶片的相對位置。[8]
光學安裝
我們將印刷電路板（PCB）設計為約10mm2的底座，以準確放置兩個1mm2的VCSEL，並通過引線鍵合將兩者電連接。將兩個VCSEL在顯微鏡下高精度地安裝在基座上。
VCSEL的位置精度目標為約1m，安裝在金屬CAN封裝上的PCB的直徑約為30mm（見圖3a）。CAN放置在安裝有微型計算機的大型PCB上。引線鍵合在VCSEL與底座之間，以及底座與CAN封裝之間進行。放置一對透鏡並用紫外（UV）固化樹脂精確地固定，並在鏡片之間留有適當的間距，使鏡片中心之間的距離成為設計值（見圖3b）。
我們將鏡頭中心調整到設計值，以使鏡頭的外形公差不受影響。為了實現這種高精度安裝，準備了微機電系統（MEMS）夾具，並使用半導體工藝的光刻技術對其進行高精度加工。該夾具具有孔，該孔具有與設計值匹配的倒金字塔形狀的傾斜表面。我們施加了大約50g的力，以使凸面適合1mm透鏡及其孔，在正確的位置進行UV固化（見圖3c）。
由於兩個VCSEL晶片和1mm透鏡的安裝也需要高度準確的對準，我們進行了主動對準安裝，其中在檢查光束位置時，發射了所有光源（8個光束）並且稜鏡精細移動（見圖3d）。我們指定了目標值，以使8束光可以進入稜鏡端面上1mm2的範圍內。
圖3：高精度光學安裝。（a）在顯微鏡下，將兩片VCSEL晶片高精度對準並通過引線連接；（b）大約1mm的透鏡對；（c）兩個1mm透鏡之間的距離，由MEMS夾具通過壓力感應進行高精度控制，並用UV粘合劑固定；（d）稜鏡的位置通過8個螺釘的主動對準來控制和固定。
Prism：稜鏡
Lens Pair：透鏡對
Screw：螺釘
光接收模塊使用分割為4塊的PD（3mm2），並在其正上方設置一個直徑3mm的透鏡以分開入射方向。這樣的安裝可以在顯微鏡下以機械精度對準透鏡和PD的中心。我們為每個模塊配備了一塊PCB（上面裝有微型計算機和放大器），模塊的外形尺寸約為100×10×10mm3（見圖4）。
圖4：多方向fNIRS模塊。[11]
測量結果
首先，我們用幻影進行測量。我們將描述執行的兩種校正。首先是用於監控從VCSEL發出的光量的系統。監控VCSEL利用以下事實：相鄰VCSEL洩漏的光進入VCSEL的激活層，並產生電動勢（見圖5）。監控PD可以在非常小的區域內更換。其次，首先在稜鏡端面的1mm以內放置8路光束進行安裝。由於難以達到亞毫米級，因此測量了光束位置，並將校正納入正向問題的計算中，從而將幻影位置估計誤差優化了30％。結果表明，即使使用30mm的探頭間隔（直至15mm的深度）進行低密度測量，也可以在5mm的位置誤差內進行3D估計。[10]
圖5：帶光強監控的VCSEL。[9]
Power supply：供電電源
Oscillated light：振蕩光
Leaking light：洩漏光
Ammeter：電流表
Electrode：電極
GaAs substrate：GaAs襯底
Upper DBR：上DBR
Active layer：激活層
Lower DBR：下DBR
我們通過多方向DOT和fMRI，測量了右手抓握任務期間每個受試者的左運動和體感皮層活動（見圖6）。通過比較多方向DOT和fMRI的結果，發現位置誤差為5~6mm，空間相關度為約0.3~0.5。圖7顯示了三個重複測量的結果。[11]
圖6：fMRI（左）和每個fNIRS模塊的時程（右）。[11]
圖7：fNIRS結果（3次重複測量）。[11]
Run 1：第1次測量
Run 2：第2次測量
Run 3：第3次測量
結論
儘管高解析度僅限於光可達到的範圍，但它已達到可以在功能區域級別進行網絡分析的水準。因此，fNIRS更有可能為腦部疾病提供廣泛的檢查機會。
參考文獻：
[1] Y. Monden et al., NeuroImage: Clinical,1(2012)131-140
[2] M. Mihara et al., Neurophotonics, 3(2016)031414
[3] A.T. Eggebrecht et al., Nat. Photonics, 8(2014) 448–454
[4] T. Shimokawa et al.; Opt. Express, 20(2012) 20427–20446
[5] T. Ishii et al., U.S.Patent No.10039452 (2018)
[6] Qianqian Fang et al., Optics Express, 17(2009) 20178
[7] http://mcx.space/
[8] T. Ishii et al., U.S.Patent No.10175169(2019)
[9] T. Ishii et al., U.S.Patent No.10177530 (2019)
[10] T. Shimokawa et al., Biomed. Opt. Express, 7(2016) 2623
[11] T. Shimokawa et al., Biomed. Opt. Express, 10(2019)1393
雷射天地轉載自： LWFC ACT雷射聚匯