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）不适用于以儿童（尤其是婴幼儿）、老年人以及特殊人群为对象的脑功能成像研究，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，即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的制造和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4cm时，fNIRS信号对皮层表面2-3mm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，Fnirs测量时安进舒适，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。
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。它已被广泛的应用到科研和临床，尤其是婴幼儿和老年这两个群体。
过去二十年里，fNIRS应用的领域可以分为几个方面：神经发育，感知和认知，运动控制，精神疾病，神经病学。其优势领域是自然情境下的高级认知和交互行为的脑机制。
1、婴幼儿发展
fNIRS最重要的一个应用领域就是发育认知神经科学。这方面的论文主要有：婴幼儿空间特征和空间认知能力调查(Wilcox, 2010, NeuroImage)；发现前语言婴幼儿对数字具有右半球优势(Hyde, 2010, NeuroImage)。对婴幼儿对语言的反应的调查(Bortfeld, 2007, NeuroImage)；对婴儿的客体永存认知能力进行研究(Wilcox, 2005)；婴幼儿对特征和时空信息加工的血氧反应(Wilcox, 2009); 婴幼儿对语言加工存在大脑半球偏侧化 (Bortfeld, 2009)。婴幼儿对特征变化的枕叶和颞叶血氧变化(Wilcox, 2008)。
2、运动
fNIRS另一个重要的应用领域是感知和运动的研究。因为受到肌电和头动伪迹的影响，EEG/ERP和fMRI在研究感知运动方面受到很多限制。对运动方面进行研究的论文：成年人对运动刺激的血氧反应：BOLD，ASL和fNIRS结果比较(Huppert, 2006, NeuroImage)。尤其值得注意的是关于步态, 汽车驾驶和宇航员失重的研究(Harada, 2007; Kurihara, 2007; Miyai, 2001)。
3、临床
fNIRS广泛应用于癫痫、抑郁、阿尔茨海默氏症等疾病的研究和临床治疗中。相关论文有：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)。乳腺疾病成像：健康乳房在正常和挤压状态下的光学信号和乳腺X光摄影检查术结果对比(Fang, 2009)；乳房组织对挤压的机械和功能反应的实时变化(Carp, 2008)。疼痛状态下的血氧变化(Becerra, 2009)。
4、视觉加工
研究表明，视觉刺激会引起HbO的上升和HbR的下降(Meek, 1995)。Plichta等人(Plichta, 2007，Neuroimage)发现随着光栅对比度的增加，HbO和HbR都出现了梯级变化，并且集中在视觉皮层。
其他认知加工领域：Stroop范式(Schroeter, 2002)，测谎(Izzetoglu, 2002)，军事训练中的模拟着陆(Takeuchi, 2000)；模拟空战的脑活动(Izzetoglu, 2007)，情绪反应(Yang, 2007)；人机交互等(Sitaram, 2007, Neuroimage)。
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金真的能力。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。
近红外成像设备，其具备成为未来主流成像技术的潜质，国内外目前也都处在差别不大的发展阶段，目前，在中国进入临床应用只有日立一家品牌，市场尚处于萌芽阶段。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。
六、公司产品介绍
1、日立医疗
日立医疗在国内市场上销售的产品有ETG-4000、ETG-4100、ETG-7100三代产品，主要体现在通道数的不同，7100系列有120个通道同时计测，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。它是目前唯一一款可用于辅助性鉴别诊断抑郁症、精神分裂症、双相情感障碍并评估疗效的诊断设备。
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、OBELAB
OBELAB成立于2013年，是一家致力于便携式脑成像系统研发的国际创新型公司。公司总部位于美国硅谷。为解决传统近红外设备不便携、使用复杂；而市面上其他便携式近红外设备空间分辨率、时间分辨率又低的问题。OBELAB与斯坦福大学合作，通过长达数年的努力，共同开发了一款简单易用，而通道又高达200导的无线便携式近红外脑成像设备——NIRSIT。
NIRSIT是一款基于近红外功能成像技术的设备，其作用在于检测大脑皮层血流动力学变化和实时显示前额叶皮层的激活区域。不同于其他空间分辨率只有3cm × 3cm的NIRS设备，NIRSIT提供4mm×4mm的空间分辨率。目前尚处于科研市场应用阶段。
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