聯合腦血流速和磁敏感成像研究定向視覺疲勞視區改變

吳麗芳，湯奕林，羅錦川，歐陽林

視覺疲勞是由于長時間用眼(如高度緊張地目視、用眼過度等)之后出現視模糊、眼脹、干澀、流淚、眼眶酸痛等眼部癥狀，嚴重時會發展為頭痛、眩暈、乏力等全身不適的一種綜合癥狀[1]。目前，對視覺疲勞的研究大多基于視屏終端(visual display terminal，VDT)工作(長時間注視電腦屏幕)、各種顯示器引起的視覺疲勞，即眼睛自由開合狀態下長時間使用眼睛造成的視覺疲勞，而對于長時間眼睛高度緊張注視前方(如飛行員、司機、狙擊手等)等引起的定向視覺疲勞缺乏探索[2]。另外，在功能磁共振與視覺的研究上，已進行大量研究，利用血氧水平依賴成像(blood oxygen level dependence，BOLD)，確定大腦視覺功能區位于枕葉矩狀裂雙側皮層，屬于布勞德曼第17區(the 17th area of Brodmann，BA17，亦稱紋狀體，位于楔葉、舌回)，屬于初級視覺皮層，然后視覺信息又傳至視覺聯合皮層(BA18、19區又稱紋狀前皮質，位于枕葉外側)，均位于大腦枕葉[3-4]，而其他功能磁共振的視覺研究比較少見，如磁敏感成像(susceptibility weighted imaging，SWI)、腦血流速(cerebral blood flow，CBF)等。筆者就定向視覺疲勞進行探索，設計三種視覺狀態，定向視覺狀態(控制眨眼注視前方固定目標)、自由視覺狀態(自由眨眼注視前方非固定目標)和閉眼靜息狀態(作為實驗基線值)，應用功能磁共振(magnetic resonance imaging，MRI)技術，包括CBF和SWI，評價受試者視覺疲勞時視區腦血流與氧飽和度水平的改變。

1 材料與方法

1.1 研究對象

21名健康志愿者參加本研究，其中男11名，女10名，平均年齡為(26±4)歲，身高(171.8±8.4) cm，體重(60±7.5) kg。納入標準：(1)其裸眼視力或矯正視力均在1.0以上；(2)具有良好理解力與配合力。排除標準：(1)體內含金屬物質如血管支架、心臟起搏器等，或幽閉恐懼癥等無法接受磁共振檢查人群；(2)注意力缺陷，無法配合完成實驗的人群；(3)既往患有眼疾病史。本研究通過中國人民解放軍聯勤保障部隊第九〇九醫院(廈門大學附屬東南醫院)醫學倫理委員會同意。試驗前讓所有實驗者了解實驗內容與步驟，征求他們的配合并簽訂知情同意書。

1.2 研究方法

儀器為Siemens Verio 3.0 T核磁共振成像儀(Siemens Corporation，Bolin，German)，掃描參數見表1。

1.3 實驗方法

被試者實驗前被征得配合和簽訂知情同意書。在實驗測試前，被試接受實驗訓練，包括控制眨眼、定向注視訓練和靜心凝神。實驗測試安排在完成實驗訓練的第二天。實驗在一間安靜的磁共振掃描儀機房內進行，光線調節至室內自然光強度。刺激為一個直徑5 cm天藍色圓形圖案，貼在患者視覺正前方的磁共振成像儀掃描機架內壁，被試距離刺激的距離為60 cm。實驗過程中利用掃描儀頭托固定患者頭部正向前，軀干及四肢制動，保持心情平靜、神志清楚、排除雜念。

實驗開始前，被試平躺在掃描床上保持閉眼靜息5 min調整狀態，之后進行定向視覺實驗，被試被要求保持不眨眼注視正前方刺激，以開始感覺視覺疲勞時為定向視覺疲勞時間(visual fatigue time，VFT)，立即掃描測試，到掃描結束時為實驗終止時間(掃描期間如果被試不能堅持，允許被試閉眼休息)。定向視覺疲勞實驗終止時間之后閉眼靜息5 min，再進入閉眼靜息實驗，以定向視覺的VFT為掃描測試開始時間。同樣，完成閉眼視覺實驗終止時間之后閉眼靜息5 min，再進入自由視覺實驗，同樣是以定向視覺的VFT為掃描測試開始時間。實驗技術路線圖見圖1。

1.4 圖像分析與數據收集

根據文獻，大腦視覺功能區位于枕葉，包括枕葉距狀裂兩側皮層(BA17區)及枕葉外側(BA18、19區)[3]，本實驗選取顱腦橫斷面中該區最大層面為興趣區。分別采集三種狀態的圖像后，使用磁共振掃描儀自帶后處理軟件測量圖像，分別獲取三種狀態兩側視覺皮層興趣區CBF及SWI相位值，邊緣部位注意沿皮質下勾畫、避開周圍腦池和顱骨(圖2，3)。兩名從事腦功能磁共振成像工作的醫師A (工作10年，副主任醫師)和B (工作5年，主治醫師)共同分析圖像，采用討論一致性確定最終結果。

表1 視覺疲勞試驗中腦視區磁共振成像參數Tab. 1 Magnetic resonance imaging parameters of the brain visual area in visual fatigue test

1.5 數據統計學分析

表2 三次視覺試驗中視覺皮層興趣區面積大小(mm2)及一致性評價Tab. 2 The visual cortex area of interest (mm2) and consistency evaluation in three visual tests

2 結果

2.1 視覺實驗疲勞評價

21名被試均成功完成全部實驗過程。被試經過訓練，定向視覺疲勞延長，訓練階段為(35±15) s，測試階段為(50±6) s，組間差異不顯著(t=1.97，P=0.07)。在定向視覺測試階段VFT，21名被試均不同程度出現視覺疲勞癥狀，其中12名出現眩暈、頭痛感，這些嚴重被試者根據實驗前協議立即閉眼放松休息。在自由視覺狀態和閉眼靜息中，同等時間內沒有1名感到視覺疲勞癥狀。

2.2 視覺實驗中視覺皮層興趣區面積一致性評價

A和B醫師共同判讀圖像和確定視區興趣區范圍，基于經驗，在討論一致性的基礎上繪制兩側的視覺皮層興趣區并允許修正繪制線形態輪廓，以達到左、右兩側興趣區形態、范圍盡可能一致，以及三次視覺實驗中興趣區形態、范圍盡可能相同(表2)。

表3 不同視視覺狀態區CBF和SWI相位值改變情況Tab. 3 CBF and SWI phase value changes in different visual states in the visual cortex

2.3 三種視覺狀態實驗中視區CBF和SWI相位值評價

在三種視覺狀態各自的雙側視覺皮層興趣區面積以及三次實驗之間的視區興趣區面積一致性的基礎上，測量被試三種視覺狀態的CBF和SWI相位值，將各自視覺狀態的雙側興趣區測量值之和作為該狀態的視覺皮層區CBF和SWI測量值(表3；圖2，3)。

總體改變趨勢，以定向視覺VFT為測量時間點，以閉眼靜息狀態為基線值，則自由視覺運動引起視區CBF明顯升高(P=0.05)，但定向視覺視區CBF反而顯著下降(P＜0.001)；SWI相位值在自由視覺狀態比閉眼靜息狀態升高不顯著(P=0.10)，而在定向視覺疲勞時顯著升高(P＜0.05)(圖4)。

從個體改變分布特點分析，以定向視覺VFT為測量時間點，本實驗中21名被試的CBF測量值均表現為自由視覺狀態視區CBF高于閉眼狀態，而定向視覺狀態的低于閉眼狀態；自由視覺狀態SWI相位值散點曲線與閉眼狀態的基本處于同一水平區域，部分點值重合(升高不顯著)，但定向視覺狀態的SWI相位值三點曲線水平明顯升高(圖5)。

3 討論

磁共振腦功能成像是近些年來在常規磁共振成像基礎上快速發展起來的一種成像技術[5-7]。有學者于1990年首先提出BOLD概念[8]，接著有報告由血氧T2效應設計出相應刺激任務并獲得視覺功能區激活的功能圖像[9-12]，其成像原理是當大腦受到視覺刺激時，鄰近血管床的血流量及血容量增加，并高于局部氧代謝所需的量，即活動區脫氧血紅蛋白與氧化蛋白的比值減少。目前，視覺領域是神經生理研究的最透徹的課題之一，視覺神經通路的非高級中樞現在已非常明確，即枕葉。基于BOLD技術，學者們也在磁共振上找到相應的定位，初級視覺皮層即位于枕葉矩狀裂雙側皮層(BA17區)及次級視覺皮層(BA18區、BA19區)。這是研究測量CBF及SWI相位值區域選擇的理論基礎。

3.1 動脈自旋標記技術及CBF結果的釋義

動脈自旋標記技術(arterial spin labeling technique，ASL)是一種安全無害，不需要注射對比劑，便能反映血管內血流情況的一種技術，該技術首先由Detre等于1992年提出[13]，其原理如下：血液流入組織中，如果其自旋狀態與組織原有的血液不同時，就會引起整體磁化強度的改變，這種變化可被磁共振成像儀檢測出[14-15]。ASL技術利用動脈血中的水作為一種內源性示蹤劑，在成像平面上游利用反轉脈沖對動脈血進行標記，使血液的自旋狀態發生改變，待到達成像平面后，含有標記的動脈血的圖像稱為標記像，標記像與沒有反轉標記的控制像相減，即可得到灌注圖像，再通過一定的數學模型，可定量測量CBF值[16-17]。本研究利用此技術，發現當定向視覺疲勞時，其視區CBF值顯著下降，與同樣時間的自由視覺狀態和閉眼靜息狀態之間的差異有顯著性意義；推測可能是由于大腦自我調節負反饋狀態，迫使大腦接受休息指令，緩解視覺疲勞壓力。但是同樣時間情況下，正常睜眼自由視覺狀態較自由閉眼靜息狀態時視區CBF值增加，這符合大腦受到視覺刺激時，鄰近血管床的血流量及血容量增加的理論解釋[8，10]。本研究結果顯示了定向視覺疲勞則引起視區血流快速下降。

3.2 磁敏感技術及其相位值結果的釋義

SWI是另一種腦功能磁共振技術，其原理是利用不同組織之間的磁敏感度差異產生信號對比，本質是高空間分辨力的三維梯度回波序列，反映的是小靜脈血流中的脫氧血紅蛋白含量[18-21]，本研究中，自由視覺時SWI相位值雖有所延長，但與閉眼靜息的比較，不具有統計學意義，可能是由于自由視覺時視區腦組織氧耗量需求更大，引起動脈血流量增加，補償了組織微循環中氧飽和度，使視覺皮層區小靜脈的脫氧血紅蛋白比例增加不明顯，故差異不顯著；然而，定向視覺中腦組織氧耗量急劇增大，早期可能存在應急代償機制，腦小靜脈擴張，增加靜脈血流量，加速無氧代謝物的排出，后期則無氧代謝產物積聚，反射性刺激微循環小動脈收縮，引起血流量下降。

3.3 結論及不足

本研究只是初步探索了整體視區三種視覺狀態時CBF、SWI相位值的改變，而對被試情緒、認知狀態、注意力等因素缺乏關注，而且未將初級視覺皮層及次級視覺皮層分開測量分析，今后需多方面因素綜合分析及進一步探索初級及次級視覺皮層的差異。

綜上所述，本研究發現人體定向視覺狀態容易引起腦視覺皮層區動脈血流量減少和靜脈中脫氧血紅蛋白增加(氧飽和度下降)，這或許是視覺疲勞的病理生理基礎，但本研究也顯示訓練可以延長定向視覺疲勞時間。本研究利用安全無創的功能磁共振技術闡述了定向視覺、閉眼靜息和自由視覺狀態中視區的血流及血氧變化情況，具有一定的新穎性，為一些特殊職業的技能提高培訓和差錯防范提供了一定的理論依據。

利益沖突：無。