行业 | 日本企业率先布局，国内企业弯道超车的蓝海市场：功能性近红外光谱技术

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由于对伪迹敏感、造价昂贵、仪器庞大等原因，现有的脑功能成像技术，如功能性磁共振成像（fMRI）不适用于儿童（尤其是婴幼儿）、老年人以及特殊人群的脑功能成像研究，亦不适用于日常生活、工作等自然情境下的认知神经科学研究。功能性近红外光谱技术（fNIRS）被认为是一种能满足以上要求的脑功能成像技术，同时也被认为是一种具有良好前景、能为认知神经科学研究提供新研究视角的技术。

一、什么是功能性近红外光谱技术

功能性近红外光谱技术（fNIRS）是近年来新兴的一种非侵入式脑功能成像技术。fNIRS进行脑功能成像的原理与功能性磁共振成像（fMRI）相似，即大脑神经活动会导致局部的血液动力学变化。其主要利用脑组织中的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白对600-900nm不同波长的近红外光吸收率的差异特性，来实时、直接检测大脑皮层的血液动力学活动。通过观测这种血液动力学变化，再通过神经血管耦合规律可以反推大脑的神经活动情况。

近20年来，随着功能性近红外光谱技术的硬件设备制造的改进以及数据处理方法的完善，利用近红外进行各类认知活动的研究层出不穷。现在，fNIRS已经与脑电图（EEG、ERP）、功能磁共振成像（fMRI）等脑成像技术一样，成为人类探索大脑奥秘的利器。

二、fNIRS仪器的构成

一个功能性近红外光谱技术成像装置一般由光源、光源探测器、数据采集器等组成。光源通过发光二极管或者是与被试头型匹配起来的光前束向特定大脑区域发射近红外光，光以香蕉型的路径进行散射，离光束2-7cm的光源探测器可以收集到被组织散射回来的光。当光源和探测器的距离设置在3cm时，fNIRS信号对皮层表面2-3cm的血氧血红蛋白散射的光特别敏感。

fNIRS有三种不同类型：时域、频域和持续波（CW）。目前CW系统比较常用，其在测定波幅衰减方面有一定的优点，包括便携性好、体积较小、造价较低。

常用的fNIRS测量指标主要有三种：氧合血红蛋白浓度、脱氧血红蛋白浓度以及总体血红蛋白指数。

三、fNIRS的优点

fNIRS的工作原理为，大脑通过血液的新陈代谢为神经元活动提供所需的氧，而氧的消耗又刺激大脑局部血管的舒张，促使毛细血管血流量的增加，导致局部脑血流（rCBF）和脑血容（CBV）的增加。氧又通过血液中的血红蛋白进行传输，故而认知活动过程中大脑活动区域会出现血液中氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度的变化。功能磁共振成像技术（fMRI）正是利用血红蛋白浓度变化导致的磁性变化，从而获得BOLD（血氧水平依赖）信号。

fMRI也好，fNIRS也好，EEG也好，总结起来都是在每个通道上（fMRI里表现为体素以及由大量体素构成的兴趣区）进行时序分析(time series analysis)。时域（time domain）的分析主要是估计振幅（一般线性模型里体现为beta值）变化以及到达峰值的时间；频域（frequency domain）的分析主要是不同震荡频率分布(只要体现为power值)的分析。两者结合起来就是时频分析；通道之间时序的关系就是脑网络分析；对相关关系卡个阈值就能够描述网络的特性。

虽然从测量原理上，fNIRS与先进运用最广泛的脑功能成像技术——功能磁共振成像（fMRI）类似，通过测量血液动力学的响应变化，间接地检测大脑神经活动。但是fNIRS在以下一些方面具有fMRI不可替代的优势：

1. 指标更全面，能同时测量氧合血红蛋白和去氧血红蛋白的浓度变化；

2. 时间分辨率更高，采样频率能达到10Hz及以上（例如：日本日立公司的ETG-4000为10Hz；荷兰Artinis公司的Oxymon Mk III为250Hz），可以更精确的记录血液动力学响应的时间特质，因此更适合脑区间功能连接关系的研究；

3. 更适用于特殊被试者，fNIRS测量时安静舒适，更适合儿童甚至幼儿被试以及神经或精神疾病患者的脑功能研究；

4. 更适合特殊的实验设计，fNIRS对实验环境要求不高，并且对运动伪迹象不敏感，因此更加适用于对交互性有更强需求的实验或是自然情境中的大脑活动检测；

5. 操作简单、成本低，更适合大样本数据采集，大样本数据集不仅能为诸如机器学习的算法提供更多的训练样本，从而提高算法的精度，同时也能最大程度的降低随机因素带来的影响；

6. 很强的电磁兼容性，可以与EEG、fMRI等成像手段共同使用，可以实时评估经颅磁刺激（TMS）效果。

另外，由于fNIRS和fMRI都能对去氧血红蛋白浓度进行测量，因此将两者结合可在高分辨率水平上实现对脑功能活动的时空分析。

四、fNIRS的应用领域

fINRs具有造价较低、便携性好、无噪音和无创性的优点。此外在进行心理学实验时，该仪器对被试的动作不会过分敏感，这也是核磁所不具备的优点。

过去二十年里，fNIRS应用的领域可以分为基础科学研究和临床研究两个大类。作为最新一代的脑功能模态，也越来越被科研和临床研究人员所接受，高水平论文的产出量年平均增幅超过30%。

基础科研领域主要应用于心理学、认知神经科学，运动人体科学等领域，还有更多拓展中的学科包括脑机接口、神经营销、（模拟/真实）驾驶状态脑监测、神经反馈等。

临床领域主要应用于精神类和脑功能疾病、婴幼儿、脑功能康复与评估等领域，主要涉及精神科、儿科、神经内科、康复科等科室。

（一）基础科研领域

1. 心理学、认知神经科学

fNIRS为知觉、认知、情绪、人格、行为、人际关系、社会关系等提供了全新的研究手段。更低的成本和超高的生态效度，可以更好的满足科研工作者的使用需求。可实现多台设备、多个个体的集群成像，使得fNIRS在群体行为神经机制研究中扮演重要的工具角色。

2. 运动人体科学

面对运动和自然情境下的脑研究和脑监护，fNIRS由于其原理上的天然优势，比脑电和功能核磁共振更容易开展。

3. 更多拓展中的学科领域

作为较新出现的脑功能成像模态，fNIRS的应用领域也在不断拓展。如脑机接口、神经营销、（模拟/真实）驾驶状态脑监测、神经反馈等领域近几年不断有成果产出。

（二）临床领域

4. 精神类和脑功能疾病

fNIRS在抑郁症、精神分裂症、多动症、阿尔兹海默症、帕金森、癫痫、脑卒中等研究与诊断中发挥越来越多的作用。如EEG和fNIRS联合调查癫痫患者癫痫发作时的血氧、电反应(Machado, 2011，Neuroimage)、面对面交谈时精神分裂症患者额叶和颞叶的激活情况（Takei Y，2013）等。

5. 婴幼儿脑检测

由于婴幼儿的特殊性-难以保持静止同时无法表达，fMRI和EEG等脑成像手段难以在自然状态下开展工作。fNIRS设备佩戴体验更佳，不需要被试者太多的配合，对运动也有较强的抗干扰性。为婴幼儿的监护与诊断提供了新的选择。此外早产儿/新生儿的脑功能特征也被关注，包括早产儿、新生儿与唐氏综合征患儿大脑功能发育差异（Makiko I，2014）等。还有对注意力缺陷多动症（ADHD）、孤独症（ASD）儿童的早期筛查、药效评价等研究。包括自我面孔识别脑功能障碍特征（Yosuke Kita，2011）、ATX治疗ADHD效果评价（Akiko Araki，2015）等.

6. 脑功能康复与评估

康复与效果评估通常与大幅度肢体运动、电磁刺激等联合开展，得益于fNIRS独特优势，在中风、脑瘫、运动障碍、儿童多动症、抑郁症等疾病的康复评估与神经反馈康复治疗中发挥越来越大的作用。康复领域代表研究包括脑卒中偏瘫患者上下肢连锁运动康复任务中的脑功能特征（Congcong Huo，2019）；通过运动想象评估长期意识障碍患者大脑功能（Agnieszka M. Kempny，2016）；利用fNIRS评估帕金森患者深部脑刺激术（DBS）前后的脑激活变化（Takashi Morishita，2016）等。

五、功能性近红外脑成像的潜在市场

功能性近红外脑成像（fNIRs）作为一种新型的脑成像市场的技术补充，因其原理与核磁共振设备类似，其市场前景我们可以通过对比分析核磁共振设备的市场情况。

据统计，2012年我国每百万人口拥有6.6台医用磁共振设备，而美国拥有的医用磁共振设备的装机量，2006年就达到每百万人口25台。2014年到2016年间核磁共振设备装机量的增速分别是17.96%，11.25%和13.13%，均保持在10%的增速以上。2017年核磁共振的装机数量在17974台，新增量3907台，预计2018年核磁共振设备的装机量在20670台，新增量4494台左右。

分析目前中国核磁共振设备市场占有情况，约70%被国外厂商占据，有很大的进口替代空间。这几年的发展国产品牌中永磁性磁共振产品已经具备与国际品牌竞争的能力。但产品集中于1.2T、1.5T，产品型号单一。国际知名品牌依然对核心关键部件具有技术垄断的优势。

近几年，中国近红外成像设备年装机数呈现爆发式增长（>50%），中国有700余家三级甲等医院、2000余家三级医院和8000余家二级医院中的康复、精神专科医院也对脑科疾病的诊断与评价的影像设备有需求。按20%~30%渗透率，百万元单价计算，潜在市场超过百亿元。

近红外成像设备，已具备成为未来主流成像技术的能力，国内外发展水平差别不大。目前，在中国进入临床应用只有数家公司，面临的是一个蓝海市场，日立医疗ETG-4000/4100系列的52通道产品为首先获得中国医疗器械注册证的产品，国内自主品牌慧创医疗的NirScan系列则为世界上首款超过100通道的近红外脑功能成像NMPA医疗器械注册产品，使得全脑成像成为可能。从技术更替的角度看，近红外成像技术的发展有助于国内医疗器械行业实现跨越发展。可预见的是，未来几年，近红外脑功能成像技术在普通三级医院的扩散及下沉到二级医院市场的过程中，国产器械将会大放异彩。

六、公司与产品介绍

1. 日立医疗

ETG-4000

日立医疗在国内医疗市场上销售的产品有ETG-4000、ETG-4100产品，能够实时检测并显示脑皮质功能活动，测量时无创伤、无束缚感。2009年，“使用近红外脑功能定量成像装置辅助性鉴别诊断抑郁症”被日本厚生劳动所评为先进医疗，开始有偿收费检测。经多年的临床验证与使用，于2014年4月1日正式纳入日本的医疗保险系统。可用于辅助性鉴别诊断抑郁症、精神分裂症、双相障碍并评估疗效。

2. 岛津

岛津的LABNIRS：功能性近红外光脑成像系统目前处于科研广泛应用阶段。LABNIRS具备很多扩展功能，比如与EEG同步测量、实时数据传输等，为实现更广泛领域的脑功能研究提供必需的支持。其能够实现与MRI设备的融合，通过3D信息成像图可叠加于单独的MRI图像之上并使用全脑FLASH支架，实现全脑成像。拥有全面的数据处理功能提供多种数据分析和处理，包括独立主成分分析（ICA）、频率滤波、任务添加、通道调整、质心和积分分析。

3. 慧创医疗

NirScan

慧创医疗是一家专注于近红外脑功能成像技术研发和应用的创新企业，其技术来源于北京航空航天大学医工团队。慧创拥有台式系列NirScan与便携式系列NirSmart两条产品线。其台式产品NirScan与2019年获得医疗器械注册证，这也是世界上首款超过100通道的近红外脑功能成像NMPA注册产品。NirScan具有支持全头同步探测、内置精神疾病/儿童疾病/认知障碍/脑卒中等各种疾病诊断课题等独点，为精神科/儿科/神经内科/康复科的临床应用提供了简单、方便、准确的解决方案。在NirScan技术基础上，慧创NirSmart便携式产品兼顾了高性能与便携性的两大优点，在ipad大小的体积内实现了高达63通道的近红外信号探测，据信将于2020年获得医疗器械注册证，为包括帕金森疾病诊疗、运动状态下的脑功能评价、床旁检查提供全新解决方案。慧创产品此前已在宣武医院、北医六院、上海华山医院、上海新华医院、国家康复辅具研究中心、清华大学等60余家顶级单位示范应用，已支撑发表SCI论文10余篇，获得了行业专家的高度认可。

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作者 刘稷轩  |  编辑 王卓逸  |  排版 墨非

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