目前主流的脑功能检测技术包括：功能近红外光谱技术(Functional Near-infrared Spectroscopy,fNIRS)、功能核磁共振成像技术(Functional Magnetic Resonance Imaging,fMRI)和脑电图(Electroencephalograph,EEG)等。其中fNIRS可在空间分辨率和时间分辨率之间取得相对平衡，具有无创、安全和成本低等优点，同时该技术因其优良的运动鲁棒性，十分适用于自然情境下脑功能活动研究。
　　现如今，绝大多数基于模拟检测模式的fNIRS系统采用锁相检测技术实现并行测量以提高时间分辨，但该模式的测量灵敏度和动态范围都受到一定限制，影响了系统成像质量的提高和扩散光学层析(Diffuse Optical Tomography,DOT)等先进方案的实现。传统的光子计数技术虽可极大地提高系统灵敏度，但其只能采用顺序源激励的非并行测量模式，严重降低了时间分辨率。为解决上述问题，本文基于锁相光子计数技术发展了一套三波长(785nm、808nm和830nm)、240通道(20个源点×12探点)的高灵敏度、高密度(High Density,HD)fNIRS系统。该系统将光子计数技术的高灵敏度、大动态范围与锁相检测的并行优势相结合，能够有效实现DOT脑功能成像方案。
　　面向上述HD-fNIRS系统研制及其DOT测量方案的实现，本文主要完成了以下内容：首先，在系统设计方面基于锁相光子计数技术设计了锁相光子计数模块，用于完成多光源并行点亮下各光源信号的解调分离，同时采用反馈式调节方案实现了光源光强自动调节模块的设计。其次，开发了与系统各功能模块相对应的人机交互平台，实现了HD-fNIRS系统的自动化控制。为验证所研制的HD-fNIRS系统的可靠性，本文首先对系统线性度、稳定性和通道抗串扰能力进行了全面评估，验证了系统稳定工作的能力。同时，依据多光源通道串扰评估实验结果设计了光源并行扫描方案，并基于该光源扫描方案实现了多种扫描模式，以配合在体实验中不同的激励范式。此外，本文进一步开展了静态和动态仿体成像实验，对系统在DOT并行测量方案下的成像性能进行评估，初步验证了本系统在定位脑功能兴奋区域以及追踪光学参数动态变化过程中的能力，有利于其在未来在体研究以及医疗应用中得到更深层次的发展。