Chap. 1.4 Fields of Application – 應用

時隔多日，距離整本碩論完成已經快要一個月了，一直拖稿下去也不是辦法。那就趁著週五比較優閒的下午來打個字吧。

上一篇我記得講了很靠北的公式們，這篇就來聊點比較科普性質的東西，上一篇真的太硬了，牙口不好的吃不下去。

正文開始：

我個人認為、觀察，近幾年以及未來幾年，若以「用NIRS進行腦部活動監測」為題來探討相關應用領域的話可以分為三個主軸：

• 腦神經科學
• 臨床疾病
• 腦機介面

以下就針對這三個不同的主題來小小聊一下。

腦神經科學 (Basic brain research)

是，我知道英文不是那樣翻的。但你管我?

在大腦中的神經活動研究中，有視覺、觸覺、聽覺、運動、語言系統當然還有最重要的認知系統研究，可以參考這幾篇論文[1-2]。

其實從1970年中期，也就是我們親愛的J大大將NIRS技術應用於腦子之後，使用其作為工具來進行腦功能基礎研究的文章就開始慢慢地累積[3]。

這樣講有點模糊，用一句話來闡處的話就是：
「當受測者在執行某任務時，將其大腦活動訊號不停地記錄下來，之後進行分析」

通常是用在研究人的大腦哪部分負責什麼任務，或是什麼任務會對大腦特定部位有怎樣的刺激 [4-6]。針對的是「大腦」，那如果針對的是患者的腦子，那就是下一個領域了。

臨床疾病應用 (Clinical applications)

講到臨床，那就必須要有一個相對應的疾病，那至於「疾病」的定義以及其自身存在與否的議題我之後會再另外寫一篇文章來討論 (老高上身)，這是個有趣的哲學題目，隨著目前深度學習、神經網路的發展，是一個漸漸可以被拿出來討論的東西了。

在臨床上，其實最常使用NIRS的是在新生兒的腦部血氧長期監控，畢竟小孩子的腦部發育是非常重要的一件事，若是在生出不久時有缺氧的狀況，那可是會造成無法挽回的悲劇。

對，悲劇。

再近期一點，也有人在研究當帕金森氏患者在進行深腦刺激時的腦部血氧反應、癲癇患者的腦部活動狀況、以及失智症患者在進行特定任務時腦子裡的活動狀況。

為啥子NIRS好像都要搭配什麼任務呢? 我自己是覺得因為用其他工具做不到，你說要在拍CT或是MRI時做任務嗎? 後者是可以啦，但是第一個儀器昂貴，再來是可以那樣高壓環境對於受測者本身就是一個很大的影響了，出來的結果會不會有偏差?

幾乎所有精神疾病 (跟腦部有關的) 都可以使用NIRS來進行監控，那監控要幹嘛? 可以用來分級、追蹤、預測，患者或是醫生總是得知道到底現在的治療方式有沒有用嘛，或是希望可以透過一些簡單的測試來找到早期徵兆，以利提早治療。

就我在研究所期間接觸到的腦部臨床應用有以下幾種：

• 不同腦區之神經活化分析 (這個其實屬於基礎腦研究啦，因為受測者都不是被確診的患者。)
• 失智症
• 偏頭痛
• 纖維肌痛
• 過動症 (ADHD)
• 妥瑞氏症

其實葉克膜也是可以應用的一個臨床領域，只是我經手的研究是在監控下肢血氧供應情況，並不是腦部，所以就不在這邊細講了。

腦機介面 (Brain Computer Interface, BCI)

能不能夠心裡想，音樂就自動切換成下一首、燈自動開關、自動幫我煮咖啡、幫我把準備上吊用的椅子踢倒，這種都要靠所謂的腦機介面。

換句話說，就是透過一堆感測器，來解析「你正在想什麼」，那目前最常見的是使用腦波 (EEG) 來去監控，但越來越多人把fNIRS也加進系統當中，做為「非侵入式腦機介面」。

那既然我特別提到了非侵入式，那就表示有侵入式的，近期Elon Mask有宣布他其中一個子公司將許多電極埋進腦子裡，這種就叫做侵入式。其實我自己是認為，他的辦法比較可行。要想用非侵入式的方式來去進行訊號控制、解析，真的有點難度。

目前似乎是可以做到上下左右、確定、取消，這幾種指令的辨別，但是還遠遠不夠，而且會需要「訓練」。

那腦機介面其實可以造福很多人，像是癱瘓者、植物人、中風者，當然還有很多我們想不到的應用會在這個技術真正落地之後迸發出來。

而這也就是我研究這個主題最核心的價值，如何將這個技術普及化。

好，這篇文章就到這邊吧，簡單、粗淺的NIRS相關介紹就到這裡，第二章開始就是硬體設計相關了，是比較技術性的系列文章。

Reference

1. YU, Yun, et al. Cerebral near‐infrared spectroscopy (NIRS) for perioperative monitoring of brain oxygenation in children and adults. Cochrane Database of Systematic Reviews, 2018, 1.
2. MÖLLER, Saffran, et al. Reduced cortical brain activity with the use of microprocessor-controlled prosthetic knees during walking. Prosthetics and orthotics international, 2019, 43.3: 257-265.
3. QUARESIMA, Valentina; FERRARI, Marco. Functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) for assessing cerebral cortex function during human behavior in natural/social situations: a concise review. Organizational Research Methods, 2019, 22.1: 46-68.
4. DI LORENZO, Renata, et al. Brain responses to faces and facial expressions in 5-month-olds: an fNIRS study. Frontiers in psychology, 2019, 10: 1240.
5. ROSENBAUM, David, et al. Stress-related dysfunction of the right inferior frontal cortex in high ruminators: An fNIRS study. NeuroImage: Clinical, 2018, 18: 510-517.
6. PINTI, Paola, et al. Using fiberless, wearable fNIRS to monitor brain activity in real-world cognitive tasks. JoVE (Journal of Visualized Experiments), 2015, 106: e53336.