功能性近紅外光譜技術在神經疾病中的應用

崔威，李春光，徐嘉誠，何劉進，孫立寧

蘇州大學江蘇省機器人技術與系統重點實驗室，江蘇蘇州市 215000

我國腦卒中發病率、致死率、致殘率以及復發率高，患者年輕化趨勢明顯[1]。腦卒中患者多遺留不同程度運動功能障礙，早期康復能明顯改善腦卒中患者的運動功能和日常生活活動能力，提高生活質量[2]。

功能性近紅外光譜技術(functional near-infrared spectroscopy,fNIRS)是一種非侵入式腦成像技術，可以檢測大腦皮質血流動力學變化，具有較好的時間分辨率[3]，成本低，不受環境影響，廣泛應用于精神分裂癥、癲癇、帕金森病等的研究中，在人體肌肉[4]、腦血流的生理研究[5]，認知科學，康復和腦機接口[6]等領域也得到廣泛應用。本文綜述fNIRS 在腦卒中患者運動功能評價中的應用，以及fNIRS 在腦卒中和其他神經疾病診斷中的應用。

1 腦卒中

1.1 運動功能與腦區激活

Miyai等[7]應用fNIRS測量初發腦卒中患者康復期間跑步機上行走時皮質激活情況，發現腦卒中后運動功能恢復與感覺運動區(sensory motor cortex,SMC)激活的不對稱性改善和患側前運動皮質(premotor cortex,PMC)激活增強有較大關聯。Lo 等[8]使用fNIRS 研究腦卒中患者和健康人在不同強度刺激下皮質激活情況，發現健康人在高強度刺激下皮質區整體上沒有激活，而腦卒中患者在不同強度刺激下，PMC、SMC、輔助運動區(supplementary motor area,SMA)和第二感覺皮質(S2)激活，低強度刺激下的S2區激活強度高于無刺激和高強度刺激。

虛擬現實技術等康復訓練能促進腦卒中患者上肢功能改善[9]。Kober 等[10]基于fNIRS 進行右手握球運動的圖像反饋研究，實驗組觀看自已的皮質活動獲得真實反饋，對照組觀看他人的視頻獲得虛假反饋，發現真實反饋誘發左側運動區高度激活，虛假反饋導致整個皮質分散激活。

Lin 等[11]應用fNIRS 測量腦卒中患者在主動和輔助騎行過程中的速度反饋皮質激活，發現速度反饋增強PMC 激活，大腦血液循環改善。Mihara 等[12]使用fNIRS 研究發現，腦卒中患者在平臺快速向前、向后移動干擾時，頂葉皮質、SMA 和前額葉皮質(prefrontal cortex,PFC)激活，這些區域對患者的平衡控制必不可少。Fujimoto 等[13]使用fNIRS 測定腦卒中患者縱向區域皮質激活，發現強化康復后，雙側SMA 與擾動相關的激活顯著增加，SMA在身體平衡控制中發揮重要作用。

大腦患側激活改善大腦半球活動的平衡性。隨著腦卒中患者運動功能的恢復，左右半球主運動區的對稱性得以改善。此外，在患者運動功能恢復過程中，PFC 和SMA 對運動平衡控制起重要作用。大腦是一個復雜的網絡結構，各腦區相互連接，應該整體看待功能障礙而不能僅僅局限于某一受損腦區。賈杰[14]提出“上下肢一體化”整體康復新理念，獲得更好地康復效果。所以我們應綜合評估整體的功能障礙并且進行個性化干預，而不是只考慮受損區域。

Kato 等[15]同時使用fMRI 和fNIRS 研究腦梗死患者雙手運動期間皮質激活情況，發現患側手同側半球對應功能區激活，可能有助于患者手部運動功能的恢復。Saita 等[16]用fNIRS 研究小腦卒中患者語言流暢性任務時皮質活動的變化，發現患側前額葉有限激活，健側對應功能區代償對運動功能的恢復起主要作用。Takeda 等[17]用fNIRS 研究腦梗死后偏癱恢復過程中運動激活區域的變化，發現早期患肢同側(健側)半球運動激活短暫增加可能對腦卒中后運動功能恢復起重要作用。陳蕊等[18]應用fNIRS 采集腦卒中患者在指鼻運動過程中的大腦血紅蛋白信息，發現健側SMA、PMC 等區域在患病初期可能承擔代償作用，后期代償逐漸減弱。其他研究表明[19-21]，腦卒中患者PFC和雙側額頂葉皮質都在雙腳行走、運動中起到重要作用，廣泛存在健側代償作用。然而，近年來也有人對健側半球代償作用持不同看法[22]，認為存在先健側代償后患側代償的模式。臨床研究證實[23-24]，功能區代償的轉移對患側肢體功能恢復也起著至關重要的作用。

fNIRS 是一種適合在運動任務中檢測大腦激活的腦成像技術，也有助于腦卒中患者的康復訓練反饋[25]。康復訓練后健側功能區激活，可促進患者運動功能的恢復；兩側半球共同作用更有利于患者運動功能的恢復。

1.2 診斷

fNIRS 因其具有非侵入性、無創性、成本低和實時可持續檢測等優點，為臨床提供了一種簡便的分析、診斷手段，廣泛應用于腦的高級功能研究領域[26]。

陳衛國等[27]應用近紅外光大腦拓撲圖技術對老鼠腦梗死缺血部位進行定位，拓撲圖顯示的缺血部位、面積與磁共振和解剖一致。fNIRS 也可以應用到早產兒局部腦組織氧合血紅蛋白的檢測，及時發現腦氧合異常，避免腦損傷發生[28]。Han 等[29]對腦梗死老年患者與健康老年人進行靜息狀態下多頻段左右額葉含氧血紅蛋白(oxyhemoglobin,oxy-Hb)信號小波相干分析，發現腦梗死患者PFC 功能顯著減弱。Al-Rawi 等[30]發現，oxy-Hb信號的變化對腦梗死具有較高的敏感性和特異性。

2 其他神經疾病

Watanabe 等[31]對難治性癲癇患者進行長程腦電監測的同時，應用fNIRS 監測腦血容量變化，結果表明fNIRS 可以進行癲癇病灶定位。

Asgari 等[32]運用fNIRS 研究神經膠質瘤患者術中微血管血容量、血氧飽和度與腫瘤組織學特征以及患者存活之間的聯系，發現應用fNIRS 可應用于神經膠質瘤的診斷。在言語流暢性任務中，使用fNIRS 測量精神分裂癥、抑郁癥、健康人oxy-Hb 濃度，發現有顯著性差異[33]。精神分裂癥患者顳葉在任務開始時oxy-Hb濃度變化慢，在任務的前半部分增加較少[34]，功能降低區域在前額葉；抑郁癥患者oxy-Hb 濃度在任務開始時的陡峰比精神分裂癥患者更深，功能降低區域在背外側前額葉、腹外側前額葉；相對抑郁癥患者，精神分裂癥患者皮質活動更慢，降低幅度更大，這可能有助于鑒別精神分裂癥和抑郁癥。Song等[35]用fNIRS提取精神分裂癥患者和健康人的oxy-Hb信號構建前額葉腦網絡，從中提取特征對精神分裂癥患者和健康人進行分類，總準確率85.5%，其中對精神分裂癥患者的準確率92.8%，對健康對照組的準確率76.5%。fNIRS進行腦功能成像結果更接近實際情況，被認為是繼正電子斷層掃描、功能性磁共振成像等方法的重要補充[36]。Nagdyman等[37]利用fNIRS研究一名4歲女孩心臟驟停和成功復蘇過程中腦部oxy-Hb濃度的變化，表明fNIRS 測量復蘇期間腦氧合蛋白的實時信息，為疾病診斷和輔助治療提供幫助和指導。

3 小結

通過fNIRS 觀察康復訓練中的腦激活情況，可為運動功能恢復的機制、診斷和預后研究提供工具，具有很大的應用潛力。目前fNIRS 仍處于起步階段，研究的樣本量相對較少，大多數是橫斷面研究。隨著現代科技的發展，各種腦成像技術也在不斷完善、創新。fNIRS 可以與其他技術相結合，探究大腦的整體機制。相信fNIRS 必然會在更多領域發揮越來越重要的作用。