腦功能影像 Brain-Function Imaging

近紅外光譜儀偵測原理及腦科學應用

功能性近紅外光譜儀（functional Near-Infrared Spectroscopy, fNIRS）技術是一種基於光學原理的非侵入性成像技術。透過檢測人體組織對近紅外光的透射、吸收或散射的情形獲取有關組織結構或功能的訊息。在腦科學領域中，近紅外光譜技術被用於偵測大腦活動時血紅蛋白氧合程度的變化情況，進而推導出大腦相關的代謝活動和神經反應，為腦活動或身心疾病的解析提供了客觀可見的生物指標。

血紅素偵測與腦神經活動的關聯

當健康成人腦部某區域開始活躍、腦神經活動增加時，代謝會隨之亢進，這時微血管就會輸送氧氣至該神經活動區域，使該區域血管內「氧化血紅素」（oxy-）濃度增加，「去氧血紅素」（deoxy-）濃度降低。因此，我們便可以藉由偵測氧化血紅素與去氧血紅素的血液濃度間接得知腦神經細胞的活躍情形。

使用近紅外光偵測血紅素含量的原理

近紅外光之所以適合用來偵測血紅素濃度的原因有二。其一，氧化血紅素及去氧血紅素對不同波段的近紅外光呈現不同的吸收常數，因此我們便得以利用這項落差計算出氧化血紅素（oxy-Hb）及去氧血紅素（deoxy-Hb）的各別含量及血紅素總含量（total-Hb）。

▲    近紅外光由Emitting Probe發出，穿透至偵測部位後反射再由Receiving Probe接受，藉由偵測紅外光被吸收的程度推算氧化血紅及去氧血紅素的濃度。（Photo Credit: Shimadzu）

其二，生物組織對近紅外光的吸收率較低，因此可以穿透到人體/人腦更深層的位置，透過下方水及血紅素對不同波長光的吸收光譜圖，我們將可更清楚地了解此一特點。

▲    近紅外光區段中的光被血紅素及水的吸受度都相對較低，因此較容易穿透身體組織至深層位置（Photo Credit: Shimadzu）

波長400~700 nm之間的光又稱為「可見光」，由於血紅素及水對可見光的吸光度極高，其在1 mm的穿透距離內就會被吸收而衰減至初始值的1/10，因此很難穿透至深層組織。波長900 nm以上的中、遠紅外光同樣也會在最初的穿透距離內就被水吸收殆盡。相對而言，波長700~900 nm之間的近紅外光是人體內相對吸收率較低的光，其於人體內的穿透距離可以比前面兩者多出十倍左右，因此使用近紅外光將能獲取更深位置的生物組織訊息。

功能性近紅外光譜儀應用於身心/精神疾病研究案例

日本在2005年時便取得日本政府許可在臨床精神醫療用於鑑別診斷「憂鬱症、思覺失調症與躁鬱症的憂鬱症狀」。2014年日本五間醫學中心聯合發表了一則使用功能性近紅外光譜儀協助鑑別診斷憂鬱症病人的研究論文。透過讓受試者接受五分鐘的語言流利度測驗（verbal fluency test）刺激人腦前額葉區域，同時使用功能性近紅外光譜儀監測健康對照組及精神疾病患者前額葉區的血氧水平，藉由歸納出不同精神疾病的圖譜模組，以期將血氧圖譜作為疾病鑑定的輔助指標。

▲    從左至右分別為健康對照組、憂鬱症患者、雙極性患者（舊稱躁鬱症）、思覺失調症患者。上圖為受試者的血紅素濃度圖。下圖則為根據血紅素濃度圖模擬出的前額葉活躍圖，紅色顯示為腦神經活躍（高氧），藍色則為低氧。由圖可見，健康對照組在接受測驗一開始前額葉很快地變活躍起來，精神疾病患者則相反。(Photo Credir: 國家衛生研究院 NHRI_Video)

台灣方面，則由周伯翰醫師於2013年從日本東京大學神經精神醫學研究所進修回國後引進技術，目前在各大醫院身心科門診及診所都可見到近紅外光譜儀的身影。值得注意的是，由於測量結果的解釋尚未完全確立，紅外線光譜儀的檢測結果主要仍作為輔助，疾病的鑑定仍須搭配臨床症狀判斷。然而，功能性近紅外光譜儀的應用已使醫生能透過視覺化的方式，協助患者了解療程狀況與疾病進程，使治療更具備方向性及展望性。在臨床應用中，透過紅外光譜儀可協助辨別病症，為患者提供更加準確的治療方針。

除了醫療應用外，台灣島津亦推出應用於精神診斷流程以外的研究用紅外光譜儀，長期以來助力溝通研究、BMI介面研究、復健研究、使用者感受優化等領域。例如在自動駕駛系統研發產業中，就可以將駕駛的腦功能映像研究作為優化使用者舒適度的依據，詳細資訊可以觀看影片說明及更多島津腦科學映像研究。