基于传输矩阵的近红外经颅定制化光场调控

摘要

经颅近红外光技术在神经科学和临床医学领域的应用日趋广泛。然而，该技术的发展不仅受限于颅骨造成的强散射和能量衰减，也面临着如何对空间上不规则生物目标进行精准能量投送的挑战。在波前整形领域，传统的单点聚焦方法难以满足对复杂结构进行区域性、图形化调控的需求。针对这一问题，本文提出并验证了一种基于振幅式传输矩阵（Transmission Matrix, TM）的经颅定制化光场调控方法。首先通过测量TM有效补偿颅骨散射，实现稳定的微米级聚焦；更为关键的是，利用TM的线性叠加特性与数字微镜阵列（Digital Micromirror Device, DMD）的高刷新率优势，该方法能够依据预设目标，在短时间内灵活且精确地生成任意形状的定制化光场。实验成功穿透厚度达8.3 mm的人类颅骨标本，并对预设的树叶状图形进行了高保真度的光场重构，验证了该方法对不规则目标进行空间寻址和形态匹配的独特能力。实验结果表明，尽管透射光强随颅骨厚度呈指数衰减，但调制效率保持稳定，最大穿透颅骨深度可达10.1 mm。本文所展示的定制化光场调控能力，为实现区域性光生物调节等需要精确空间能量分布的下一代无创光学诊疗技术开辟了新的范式。

关键词

定制化光场调控 / 波前整形 / 传输矩阵 / 人颅骨 / 近红外光