近紅外光譜分析技術在神經科中的臨床應用與新進展

陳麗敏， 胡 洋， 姜曉晗綜述， 邢英琦審校

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近紅外光譜分析技術在神經科中的臨床應用與新進展

陳麗敏， 胡 洋， 姜曉晗綜述， 邢英琦審校

近紅外光譜分析(near-infrared spectroscopy，NIRS)通過檢測大腦活動的過程中微循環含氧血紅蛋白(oxyhemoglobin，Hb O2)和脫氧血紅蛋白(de-oxyhemoglobin，HbR)濃度的改變及血流動力學變化，可反映相應的神經電活動[1]，為神經科的臨床應用提供了一個新的工具。本文就NIRS在神經科領域的臨床應用與新進展綜述如下。

1 NIRS的基本原理

NIRS是介于可見光和中紅外光之間的電磁輻射波，NIRS在700～900 mm 范圍內可以穿透一定深度的組織，組織內Hb O2、HbR對近紅外光的吸收系數存在差異，NIRS主要通過檢測大腦活動的過程中微循環Hb O2和HbR濃度的改變及血流動力學變化間接反映相應的神經電活動。其測量參數為微動脈、微靜脈和毛細血管中血液的血氧參數之加權平均，反應組織中的血氧參數。由于近紅外光譜技術的高速發展，功能性近紅外光譜技術(fNIRS)應運而生。近20年來fNIRS的應用包括視覺系統，體感系統，聽覺系統，語言系統及認知任務等[1]，為神經科的臨床應用提供了一個新的工具。

2 NIRS與其它影像學比較優缺點

NIRS是近年來逐步發展的腦功能評估技術，首先它不需要嚴格的身體和運動約束，在監測與行為相關的腦功能方面具有獨特的優勢。比如研究特殊人群的認知活動[2]，還可以用以特殊人群的診斷。其次NIRS直觀的提供了Hb O2，HbR和總血紅蛋白濃度變化，后者與腦血容量成正比。此外NIRS噪音小(相比之下MRI噪聲是90～130分貝)、對Hb O2、HbR的濃度變化均較敏感(fMRI僅對HbR的濃度變化敏感)[1]、成本適中、允許長期監測、沒有任何輻射暴露風險(不像正電子發射計算機斷層掃描)。再次fNIRS 技術對現有的正電子發射計算機斷層掃描和fMRI是一個非常有益的補充，它以腦組織血容量和血氧為信息載體，通過測量大腦皮質中血容量、血氧的分布和變化情況來了解大腦的活動，并能夠實現可視化和三維化。最后，NIRS設備比較小(便于攜帶)允許整合到臨床環境和床旁應用。但fNIRS測量深度有限[3]。

3 NIRS在神經科的應用

3.1 NIRS與腦血管病

3.1.1 腦卒中 腦卒中是一種急性腦血管病，是由于腦部血管突然破裂或因血管阻塞導致血液不能流入大腦而引起腦組織損傷的一組疾病，包括缺血性和出血性卒中。缺血性卒中(腦梗死)的發病率高于出血性卒中，占腦卒中總數的60%～70%。頸內動脈和椎動脈閉塞和狹窄可引起缺血性腦卒中，如果能對腦梗死進行早期識別、定位將會對患者的治療及預后有很大幫助。現在臨床上應用的計算機斷層掃描灌注成像技術、MRI能準確定位梗死灶，但多在癥狀發生之后。NIRS作為一個小型監測技術，利用其便于攜帶的優點可以對受試者進行長時間實時監測。陳衛國等[4]應用NIRS、MRI和染色成像技術在腦梗死動物模型上分別對皮質進行定位測量和成像檢測，對NIRS反映梗死灶血流動力學變化進行評價。結果發現NIRS與MRI在反映局部腦血流變化上具有良好的相關性，認為NIRS有望成為易患腦卒中患者的實時預測及康復監測評價方法。Taussky等[5]通過對1000多例患者(包括蛛網膜下腔出血、缺血性腦卒中、腦出血)同時采用 NIRS和計算機斷層掃描灌注成像技術分別監測腦組織氧飽和度和局部腦血流量，發現二者具有良好相關性，表明NIRS可作為一種有效的、無創的、重癥監護病房床邊實時監測的腦血氧監護手段。

3.1.2 腦血流自動調節 腦血流自動調節是大腦維持腦血流量相對恒定的主要機制，對于大腦各種生理功能的正常發揮和多種疾病的發生、發展和轉歸均有至關重要的意義。隨著測量技術的不斷發展，腦血流自動調節逐漸走入臨床各個領域，并逐漸開始為臨床提供更多的參考信息[6]。目前多采用經顱多普勒超聲對腦血流自動調節進行研究，Oldag等[7]假設血管反應性損傷能引起相應的大腦皮質Hb O2、HbR濃度發生變化，應用NIRS對單側大腦中動脈重度狹窄的患者相應皮質區Hb O2、HbR濃度變化進行監測，并聯合指尖血壓監測儀記錄血壓變化。同時應用經顱多普勒超聲對大腦中動脈血流速度進行監測，通過二氧化碳反應性測試對腦血流儲備進行評估。結果患側大腦半球血壓與血氧之間的差異明顯，此差異與二氧化碳反應性具有相關性。認為NIRS可以作為腦動脈狹窄或閉塞中腦血流自動調節的替代或補充方法，特別是對經顱多普勒超聲檢測顳窗穿透不良的患者。

3.2 NIRS與術中監測

3.2.1 顱腦損傷 顱腦損傷是一種常見外傷，可單獨存在，也可與其他損傷復合存在。由于損傷后多數患者表現為意識障礙，此時患者生命指標主要靠儀器設備檢測。顱腦損傷后繼發性腦缺氧是病情加重甚至死亡的重要原因。目前，臨床上應用的①頸靜脈球血氧飽和度，該處靜脈血大部分來自大腦半球，其氧飽和度代表腦靜脈血氧飽和度。但該方法不能表示局部血氧飽和度。②直接探針法測腦組織氧分壓相對可行，但為有創檢查。并且上述兩種方法均不能及時、準確地反映腦組織中真正的供氧情況。NIRS作為近年來發展的一種無創性腦氧監測技術通過監測局部腦氧飽和度來了解腦缺血缺氧的程度。Mcleod[8]對頸靜脈球血氧飽和度、腦組織氧分壓和NIRS 3種監測手段進行比較后認為NIRS測得的組織氧飽和度是顱腦外傷時監測腦氧代謝的有用指標。Brawanski等[9]應用NIRS對顱腦外傷和蛛網膜下腔出血患者進行監測后指出，雖然NIRS監測與腦組織氧分壓監測在方法上完全不同，但兩者提供的腦氧信息是一致的。

3.2.2 頸動脈內膜剝脫術 頸動脈內膜剝脫術是切除增厚的頸動脈內膜粥樣硬化斑塊，預防由于斑塊脫落引起腦卒中的一種方法，已被證明是防治缺血性腦血管疾病的有效方法。手術過程中需要暫時阻斷頸內動脈，這可能會導致腦組織缺血。術中監測腦灌注及代謝情況可為選擇性使用轉流術提供依據。目前術中監測血流技術主要有腦電圖監測，誘發電位監測，頸動脈殘端壓監測，經顱多普勒監測及近紅外光譜監測和頸靜脈血氧飽和度監測、術中喚醒等[10]。Pennekamp[11]認為與腦電圖相比，經顱多普勒超聲和NIRS在頸動脈內膜剝脫術中可以獨立為選擇性使用轉流術提供依據。

3.3 NIRS與偏頭痛

偏頭痛是臨床最常見的原發性頭痛類型，臨床以發作性中重度、搏動樣頭痛為主要表現，頭痛多為偏側，一般持續4～72 h，可伴有惡心、嘔吐，光、聲刺激或日常活動均可加重頭痛，安靜環境、休息可緩解頭痛。偏頭痛是一種常見的慢性神經血管性疾患，發病機制尚不十分清楚。血管學說是其中之一，認為顱內血管收縮引起偏頭痛先兆癥狀，隨后顱外、顱內血管擴張，血管周圍組織產生血管活性多肽導致無菌性炎癥導致搏動性的頭痛。Akin等[12]應用NIRS對無先兆偏頭痛患者和健康對照組的血管反應性進行評估比較。通過屏氣實驗，受試者均出現相似模式變化(即在屏住呼吸前20 s HbR曲線下降，在憋氣的30 s 過程中HbR曲線上升，囑受試者正常呼吸后HbR曲線又下降)。偏頭痛患者HbR下降及上升幅度明顯小于對照組。通過這項研究作者認為NIRS對原發性頭痛的診斷及治療方面將起到作用。Pourshoghi[13]應用NIRS對偏頭痛患者注射硫酸鎂，丙戊酸鈉，二氫麥角胺三種藥物前后血管反應性進行監測比較，認為NIRS在監測偏頭痛患者藥物治療方面有幫助。

3.4 NIRS與三叉神經痛

三叉神經痛是最常見的腦神經疾病，以一側面部三叉神經分布區內反復發作的陣發性劇烈痛為主要表現。患者多于洗臉、刷牙、進食等的輕微觸覺刺激誘發其疼痛，發作間歇期同正常人一樣。原發性三叉神經痛是指具有臨床癥狀，但應用各種檢查未發現與發病有關的器質性病變。辛佳煒等[14]應用45 通道的fNIRS 對三叉神經痛患者每側前額葉 7 cm × 7 cm 面積范圍內Hb O2濃度改變幅度情況進行監測，前額葉Hb O2含量的變化反映觸發痛任務相關的功能變化。采用多次重復事件相關設計作為任務，分析觸發痛在微血管減壓術前后的前額葉功能變化。探討前額葉皮質是否參與原發性三叉神經痛觸發痛的調控。結果術前觸發痛引起的雙側前額葉激活效應在微血管減壓術后消失，推測前額葉可能參與原發性三叉神經痛中樞調控，其機制可能與中樞敏化現象有關。微血管減壓術引起的外周神經和相鄰組織的改變可能達到了去敏化效果。

3.5 NIRS與癲癇

3.5.1 局部定位 癲癇是大腦神經元突發性異常放電，導致短暫的大腦功能障礙的一種慢性疾病。經過正規抗癲癇藥物治療，仍有約20%～30%患者為藥物難治性癲癇。癲癇的外科手術治療為這一部分患者提供了一種新的治療手段，估計約有50%的藥物難治性癲癇患者可通過手術使發作得到控制或治愈，從一定程度上改善了難治性癲癇的預后。精確定位致癇灶和腦功能區是手術治療成功的關鍵。Watanabe等[15]在對32例難治性癲癇患者進行長程腦電監測時應用fNIRS同步測腦血容量變化，癇性發作時在96%的患者病灶側觀察到了明顯的血流高灌注，認為可依賴fNIRS進行癇灶定位。癲癇的發病機制非常復雜，Nguyen等[16]在對難治性顳葉癲癇患者進行腦電圖監測時應用fNIRS同步測腦含氧量變化，在癲癇發作過程中血流動力學變化分成兩個不同的階段，第一階段Hb O2上升、HbR下降，第二階段HbR上升、Hb O2繼續上升或下降。并且發現癲癇發作時在兩側顳葉觀察到Hb O2顯著上升的變化比腦電圖出現變化早，為腦電圖-fNIRS定位致癇區帶來新的證據。

3.5.2 語言功能的術前定位 由于病變的影響具有重要功能的解剖結構常發生變形和移位，功能皮質的定位與正常解剖的功能區分布有一定的差別，病灶切除前明確病灶與功能皮質的關系很重要。Vannasing等[17]在對左側顳葉癲癇的右利手患兒進行顳葉切除術前及切除術后，應用腦電圖-fNIRS和fMRI進行語言偏側化評估和定位。結果顯示語言中樞從最初的左側大腦半球轉移到右側大腦半球，推測可能：①與大腦可塑性代償機制有關；②與癲癇有關的損害刺激大腦激活潛伏的語言功能區；③在右側大腦半球動用新的區域來代償已改變的左半球語言中樞。該病例報告強調了fNIRS在青少年癲癇患者的術前評估中的臨床價值并與fMRI相比較的潛在優勢。Fukud等[18]通過NIRS刺激輔助運動區癲癇患者的內側皮質表面并根據Hb O2和HbR濃度的變化觀察初級運動皮質的血流動力學變化。目的是研究輔助運動區和初級運動皮質之間癲癇活動的血流動力學變化。結果在刺激內側皮質表面對應的足部運動區時在外側皮質表面沒有觀察到血流動力學的變化。然而，當癲癇發作起始區受到刺激時在外側皮質表面對應的手運動區Hb O2和HbR均增加。在運動前皮質和外側皮質對應的軀干運動區，血流動力學變化呈現Hb O2增加、HbR下降的單一模式。推測NIRS對監測皮質神經通路如語言系統的活動是有幫助的。

3.5.3 癲癇活動的血流動力學變化 最近的研究表明，NIRS可以評估皮質血流動力學變化與癲癇發作的相關性。Vinette 等[19]應用NIRS對癲癇患者進行長時間監測觀察發作間期血流動力學變化并研究運動偽影對監測到的數據的影響。研究結果支持使用NIRS作為一個非侵入性的工具來檢測癲癇發作。來自斯特拉斯堡的韋氏大鼠，具有遺傳性癲癇失神發作的特性，臨床上與人類癲癇失神發作相似，表現為行為中斷、凝視、陣攣樣抽動、腦電圖伴隨有 7～11次/ S 的高幅棘慢波發放，是一個公認的癲癇失神發作的動物模型。Roche-Labarbe等[20]利用腦電圖 -fNIRS在此大鼠上研究了廣義棘波放電與血液動力學變化的相關性。這項研究證明大鼠廣義棘波放電特征表現為活化階段緊接著出現去活化階段，這種變化可能有助于終止癲癇發作，并突出強調了應用NIRS研究癲癇時間代謝血流動力學方面的優勢。在今后的探索工作中腦電圖和f NIRS應該相結合，因為這些方法是相輔相成的，前者直接評估大腦活動，后者檢測含氧量的變化。

3.6 NIRS與帕金森病

帕金森病是一種常見的神經系統退行性疾病(黑質及黑質-紋狀體通路變性所致的錐體外系疾病)，是中老年人的多發病、常見病，嚴重危害著人類健康。胡光霞等[21]利用fNIRS探索帕金森大鼠模型的腦組織功能特性。通過小動物MRI和電子計算機斷層掃描對帕金森病大鼠模型進行影像學研究，用fNIRS系統測試大鼠模型腦組織紋狀體特征參數。實驗結果表明帕金森病大鼠腦部沒有明顯的形態結構變化；優化散射系數、腦血容量在帕金森病大鼠的紋狀體部與對照組間存在顯著的差別；fNIRS測量參數與電子計算機斷層掃描灌注測定參數之間存在相關性。證實fNIRS對大鼠功能異常腦部定性診斷是可行的，fNIRS可以作為帕金森病研究的重要參考手段。

3.7 NIRS與癡呆

皮質下血管性癡呆是一種血管性癡呆與腦白質病變的小血管病。Tak等[2]假設進行一個簡單的運動任務時大腦皮質血流動力學變化可能反映皮質下血管性癡呆的神經血管耦合受損。MRI和NIRS同時應用共同提供多種血流動力學以及腦氧代謝率的變化。在任務期間皮質下血管性癡呆患者運動和體感皮質上Hb O2、總血紅蛋白、血氧水平依賴反應、腦血流和腦氧代謝率在統計學上顯著降低，而氧攝取指數與對照組相比增加。代謝-血流偶聯率在皮質下血管性癡呆患者降低，這意味著代謝儲備的大量丟失。這些結果支持了小血管的病理損害，包括血管硬度增加，血管反應性和皮質下血管性癡呆的神經血管耦合受損。研究表明NIRS和fMRI同時測量，可以揭示不同的血流動力學變化，可作為癡呆早期檢測或監測方法。NIRS有助于確定不同癡呆類型的運動和認知任務的皮質處理過程的差異。

4 NIRS的應用前景與展望

目前該技術開始運用于自然情境下的高級認知、心理學、 異常心理學等多個領域的研究。典型的神經科學應用包括顱腦損傷、腦血管手術、腦腫瘤、腦積水、癲癇、脊髓手術等領域。隨著近紅外、計算機技術、光學技術等的不斷發展，研究的不斷深入，近紅外技術將在生物醫學領域中充分發揮出潛力，有望在探索生命過程的奧秘，以及重大疾病預防、診斷、處理上起到更多的實際作用。

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1003-2754(2016)11-1045-03

R445；R741

2016-07-10；

2016-10-13

(吉林大學白求恩第一醫院神經內科，吉林 長春 130021)

邢英琦，E-mail：xingyq@sina.com