《好用的足球竞彩app日报》2024年3月14日整版报道北航汪待发副教授团队科研成果：

“看见”大脑

本报记者 何蕊

大脑的进化史远比我们想象得更漫长。

早在人类诞生之前，随着海水漂浮游动的单细胞生物就具有类似大脑的感知和适应外界环境变化的能力。数亿年后的今天，大脑已经进化为人体内最精密、最复杂的器官之一。

多年来，为了有效诊断治疗脑疾病，观察、研究人脑的结构和功能，一直是各国科学家争相突破的难题。然而，人脑就像一块质地柔软的内酯豆腐，周围被坚硬的头骨和多层脑膜所包裹；找到一种安全、有效的成像方式，穿透层层“阻碍”，让大脑被“看见”并非易事。

历经十余年科技攻关，好用的足球竞彩app航空航天大学生物与医学工程学院副教授、博士生导师汪待发团队交出了一份领先世界的答卷——研发出了近红外脑功能成像创新方法和技术，制造出了全球首个获得医疗器械注册证的超100通道近红外脑功能成像装备。

基于这种近红外脑功能成像技术，团队还建立了疾病智能诊疗模型，为脑卒中、孤独症、阿尔茨海默症等脑疾病患者的干预、治疗、康复等开出一剂良方。

汪待发操作近红外脑功能成像装备

“功能核磁”

“我们的成果叫近红外脑功能成像技术，听起来比较拗口，经常被翻译成‘戴在头上的功能核磁’，这样说挺形象、好理解。”见到记者时，汪待发刚从一家医院风尘仆仆地赶回办公室。当天晚上，他还要飞往外地，到一家三甲医院和专家开展医工合作。

应邀前往全国各地医院，讲技术、谈合作、解难题，已经成了汪待发的日常。一名高校科研人员，为什么在医疗系统如此炙手可热？答案就在这套“戴在头上的功能核磁”上。

“功能核磁大家都比较熟悉了，患者躺进机器里，就能通过无线射电信号对头颈、心脏、腹部等多部位进行检查。”汪待发将技术掰开揉碎，向记者耐心讲解：近红外脑功能成像技术和它的原理不同，是采用红外光这一光学手段，利用脑组织中血红蛋白对光吸收率的不同，通过光谱来呈现大脑的神经活动情况。

“我们大脑的神经元大约有100亿个。”汪待发边讲边转头从身后的书架上拿起一个脑部解剖模型，上面星星点点的神经元不断闪烁着，如同人类的思维，变幻莫测。根据模型上的不同颜色，大脑还被划分成了运动、感觉、听觉、视觉4大功能区，“每个功能区的每个神经元都是一个小宇宙，非常复杂。”他说。

就在办公室隔壁的实验室内，汪待发带领团队为研究神经元的活动提供了可视性的方案。

这间约50平方米的房间里没有化学试剂，取而代之的是数台高精度计算机。通过一根电线与计算机相连的，就是近红外脑功能成像装备——仅有一本普通图书大小，却具备领先世界的成像性能。

“神经元的活动就像我们在做运动，越活跃耗氧量就越大，脑组织中的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白数量和浓度也随之变化。”汪待发解释，团队使用700纳米到900纳米波长不等的近红外光，这样既不会影响神经元的正常活动，也不会对脑部产生伤害。“当红外光到达不同含氧量的神经元时，会散射出不同波段的光信号，我们再用特定通道吸收光信号，形成光谱，专业人员就能看出大脑不同区域神经元的活动情况，从而进一步研究人脑的结构和功能。”

“来，戴上它试试。”汪待发笑着招呼记者坐在计算机旁边的座椅上，从近红外脑功能成像装备旁拿起一款样式特殊的帽子——帽顶和四周围绕着数量众多的小凸起，每个凸起都通过一条光纤和近红外脑功能成像装备相连。戴上这顶帽子，就像女孩扎了一头小辫子。

帽子很轻，戴上它几乎没有垂坠感。随着“滴”一声提示音响起，监测开始。记者闭上眼，想象红外光穿透大脑的过程，耳边除了机器运转发出的微弱声音，只剩“砰砰”的心跳声。“别紧张，你可以跟我说说话，身体也可以随意摆动，站起来、在光纤能到达的地方走一走都行。别忘了，我们的设备可是戴在头上的功能核磁，不需要一动不动。”汪待发说。

不到5分钟，监测便完成了。汪待发一边操作计算机出具报告，一边向记者揭秘：“我们的近红外脑功能成像装备适用于各种自然状态，患者可以边运动边测、边说话边测、边治疗边测……”

趁着机器出具报告的间隙，他还向记者多科普了几句：目前，市面上常见的无侵入测量脑信号的技术还有功能核磁和脑电图两种。其中，功能核磁需要患者躺在扫描仪中成像，无法监测患者自然状态下的脑活动。此外，由于环境限制，患者的呼吸、心跳速率等都会对测量结果产生影响。脑电图虽然具有便携性，但监测中同样容易受到环境影响，而且空间分辨率弱，无法分辨电信号来自皮层还是脑部更深层的区域。

不一会儿，计算机就生成了一份详尽的报告。汪待发从中找出一份动态分析图，上面显示，随着时间轴的推移，大脑后侧枕叶区由蓝色逐渐变为红色。“这块是视觉中枢，说明这段时间，你可能看到了什么，刺激这里的神经元越来越活跃。”随后，他又指着屏幕另一侧的曲线图解释，“横轴是红外光波长，竖轴是吸收率，这幅图通过大脑特定部位对红外光的吸收率，直观反映了神经元的活跃程度。”这些数据都是研究脑结构和功能的重要抓手。

全脑成像

用汪待发自己的话说，科研路上，他一直在突破自己，“做什么都想要做到第一名”。

1984年，汪待发在安徽省安庆市的一个小县城出生，2001年考入清华大学，就读生物医学工程专业。“很多人问过我，为什么是这个专业？好像每一次我都给不出一个令人满意的答案。”他顿了顿，接着回忆，“那时候报志愿没有现在这么多讲究，又是专业分析，又要看就业率，那会儿都没有。”

凭着这6个字的专业名称，汪待发认为可以学到生物、医学、工程3个专业的知识，“就像现在大家常说的：培养复合型人才。当时觉得学得越多越好，就选了这个专业。”

他说，人生没有那么多深思熟虑，选择了一条路，就要一直走下去。

因为本科就读期间成绩优异，汪待发在大四那年加入了清华大学与中日友好医院合作的近红外脑功能成像临床应用国家自然科学基金项目——“用漫射光脑功能成像技术研究针刺机理”，这是他第一次用光学知识探索脑成像领域。

“那时候还没有这么多高精尖的仪器，得先在自己身上做试验。简单来讲，就是一边针刺自己，一边监测脑部的变化，寻找对应反射区。”令他哭笑不得的是，每次找到一个新的成像方法，在自己身上试验没问题，换另外一个人就不行了，“我们一般认为越平滑的成像曲线质量越高，效果不好的曲线全是毛刺。”试验初期，汪待发的成像结果经常在平滑和毛刺间“横跳”。

“可能是因为我头骨比较薄或者头发稀少吧。再后来，我就不再拿自己做试验了。”汪待发摸了摸脑袋，笑呵呵地自嘲。

21岁那年，汪待发在课题组师兄的建议下，选择直接攻读博士学位。博士毕业后，他进入好用的足球竞彩app航空航天大学生物与医学工程学院任职，继续探索光学脑成像这片深海。

此后的数年里，高端脑影像设备的关键技术一直被西方发达国家垄断。以近红外脑功能成像装备为例，市面上这种仪器大多被国外垄断，每台单价高达数百万元人民币。其中，一款进口的50通道、检测脑前额叶区域的半脑检测产品应用最广，是精神、心理疾病诊疗的利器。

然而，很多价格高昂的欧美设备，却难以解决亚洲人有黑色头发覆盖区域的成像难题，严重限制了我国脑功能检查和研究的开展。“欧美人大多是黄头发，而亚洲人是黑头发，黑色吸收的光更多，所以同样强度的光源打到脑部，欧美人和我们的吸收强度差1000倍。”多次参与医工合作项目，汪待发还发现，脑疾病不是单一脑区的疾病，而是存在全脑层面上的协同性问题，想要在临床应用上取得突破性进展，必须进行全脑检测。

从50通道到100通道，从半脑到全脑，从黄头发到黑头发，可不是简单的“1+1=2”。

他从计算机中找出一张留存了近10年的数据截图。那时，团队曾做过一个对比实验：在同一个人身上，使用近红外脑成像作为大脑功能监测工具，分别从无头发覆盖的前额叶与有头发覆盖的运动区、枕叶采集数据。“我们人为手动将光源强度和探测增益调低成统一水平，随机选择了3个前额叶的通道和3个运动区的通道进行对比。”

数据图中，上方红色框内显示了有头发覆盖的运动区的信号值，分别为0.11、0.08、0.05；下方绿色框内是没有头发覆盖前额叶的信号值，分别是314.76、351.33、417.45。“对比发现，运动区信号采集平均值难度是前额叶的上千倍。”汪待发说，这个实验也为当时的科研敲响了警钟：以当时的脑成像技术来看，个体差异对结果的产生影响极大，研发一套适用于所有人群、覆盖全脑的成像设备迫在眉睫。

为此，他带领团队，在樊瑜波、李德玉等血流动力学分析和高精密传感专家的帮助下探索了多条技术路径。经过反复的试验、挫折和迭代验证，终于靠一种突破物理极限的近红外超微光探测技术和独创的信号提取技术，攻克了黑色头发覆盖区域成像难的瓶颈，实现了全脑成像的突破。

如今，汪待发仍记得取得突破的那天，自己在实验室里，再次戴上了“梳满小辫儿”的帽子。随着成像报告生成，光滑而清晰的曲线出现在屏幕上。和之前不一样的是，不论是换个人，还是将监测点位选在黑色头发浓密的部位，成像质量都保持在一定水平，令人抓狂的毛刺再也没有出现过。

直面临床

距离好用的足球竞彩app航空航天大学西门不远的世纪科贸大厦内，还有几间汪待发的办公室和实验室。攻克前沿技术难题的同时，成果转化也需要合适的土壤。于是，2016年，他在这里创立了丹阳慧创医疗设备有限公司，建设了一个多模态联用实验基地。

跑步机、划船机、动感单车……实验基地里，几台被改造过的运动器械最受瞩目——汪待发打造了一间医学康复室，患者可以在这里边康复边监测。

以中风患者为例，从前患者的康复更多依赖于医生的经验。训练的过程中，患者大脑到底恢复得怎么样，缺乏有效的评价手段。近红外脑功能成像装备可以在患者做康复训练的同时，实时反映出大脑的情况。汪待发举例：“比如，当患者呈坐姿时，尝试抬起出现运动障碍的一侧肢体，脑成像如果呈现出显著的激活状态，就说明这个动作对康复有效果。”

为患者开发更多诊疗方案的同时，团队研发的脚步也没有停止。

“人对于看得更清楚的追求是无止境的。我们想提高近红外脑功能成像精度，让拍出来的‘照片’更清晰。”汪待发说，近红外脑功能成像技术优点突出，但缺点也很明显——精度只能达到3厘米左右，而功能核磁的精度是3毫米，差了一个数量级。

其实，汪待发在读博期间就曾尝试解题，当时采用的是基于光的传输原理来构建模型，但没能取得进展。

几年后，人工智能和深度学习技术的发展，为破解难题带来曙光。“我们意识到引入深度学习是个方向，但最初大家都不知道怎么用。”汪待发坦言，在学习新技术的过程中，希望与挫败总是相生相伴。

无数次失败再尝试过后，团队找到了一条全新路径——基于神经网络的图像，重建框架和模型，与传统物理模型相结合。利用该方法，研发团队将近红外脑功能成像技术的精度提升到了5毫米左右。

此后，汪待发又萌生出了一个新想法：打造一个聪明的系统，快速读懂脑成像。

平日里，患者看到报告单上密密麻麻的数据，却不知所云；医生拿起报告单一看，就能判断出病症。这背后反映出的是影像与疾病相关的知识体系。

近红外脑功能成像作为一种新生的技术，呈现的也是全新的影像，如何解读？失眠症、抑郁症、孤独症患者的脑成像什么样？药物治疗效果又如何？汪待发说，基于这些问题，团队希望构建一个模型，帮助医生分析影像信息，支撑疾病的诊断、分型、疗效评估等临床全周期应用。

首先要收集数据，建立影像大数据库。

为此，擅长写代码的科研人员一头扎进医院，与医患探讨，向他们学习、请教。此后不到一年的时间，团队就先后与数十家临床机构建立起合作关系，收集了数万例动态脑功能数据。

实验室里，科研人员将数据进行预处理、清洗、映射、整合，提取特征，再融合到类脑人工智能模型中。就这样，疾病智能诊疗模型终于初见成效。如今，近红外脑功能成像技术及相关模型已在好用的足球竞彩app协和医院、上海华山医院、清华大学等1000余家单位示范应用。

近年来，汪待发团队又瞄准了另一个脑科学世界级难题——阿尔茨海默症治疗。目前，团队基于近红外脑功能成像技术研发的“近红外光脑功能治疗仪”，已通过国家药品监督管理局批准，进入国家创新医疗器械特别审查程序“绿色通道”。“我们正在开展阿尔茨海默症治疗产品的临床试验，希望患者能尽快用上我们的仪器。”

走过十余年的研发历程，汪待发的心愿一直没变：立足近红外脑功能成像这一核心技术，做出世界上最好的脑功能成像产品，用“看得见”的方式守护中国人的脑健康。

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近红外脑功能成像技术经过多年发展，具有时间、空间分辨率高、抗运动干扰强、抗电磁干扰强等优点，为各种自然场景下的脑功能研究提供了利器。具体应用领域包括心理学、认知神经科学、人因工程、体育、康复工程、脑机接口、语言学、交通驾驶、精神病学、神经类疾病等。

由汪待发团队研发的近红外脑功能成像装备具有鲜明特点。

超高通道：单台主机最高配置48个发射探头和42个接收探头，可组成超过100个有效通道，支持全脑覆盖检测、高密度排布检测、多人超扫描检测；

更好的信号质量与更宽的动态范围：设备具有高探测灵敏度，确保在运动区、顶叶感觉区、枕叶视觉区等有头发的区域也能获得良好的信号，30秒获取理想信号，缩短监测时间；

更好的兼容性与实时传输功能：设备采集的近红外数据原始信号可通过开放接口实时导出，更好地支持科研用户开展自定义神经反馈、脑机接口等实时研究。

汪待发团队研发的近红外脑功能成像装备可实现边运动边测

媒体链接：https://bjrbdzb.bjd.com.cn/bjrb/mobile/2024/20240314/20240314_012/content_20240314_012_1.htm#page11?digital:newspaperBjrb:s65f20787e4b062bef285234f

编辑：贾爱平