基于功能性近紅外光譜技術的卒中后上肢單側任務與雙側任務的腦功能成像對比觀察

田婧，何志杰，楊青，劉玨，賈杰

卒中后常出現上肢運動功能缺損，其中約1/3的患者上肢運動障礙可持續6個月甚至更長時間[1]。超過一半的日常生活活動（如穿衣、進食）依賴于上肢功能[2]，因此上肢運動障礙是卒中患者重新融入社會的一個重要障礙。

單側上肢訓練和雙側上肢訓練均是目前常用的卒中后上肢訓練方法。雙側上肢訓練要求患者用雙側上肢完成運動任務，健側和患側肢體通過同時訓練來促進雙側肢體間的協調配合，以促進受損肢體的功能恢復[3]。功能性近紅外光譜技術（functional near-infrared spectroscopy，fNIRS）是一種新型的無創腦功能檢測技術，可以通過實時檢測大腦皮質中氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的含量，間接地反映大腦神經活動，可用于評估卒中后功能的恢復或治療的效果[4-5]。通過fNIRS檢測的大腦皮質活動可在一定程度上反映卒中后皮質及皮質下大腦功能的重塑[6]。因此，fNIRS配合特定的訓練任務可對執行任務時患者的腦功能活動進行實時動態檢測，完整地評定卒中患者大腦激活模式，反映患者的神經重塑情況[7-9]。本研究采用fNIRS實時檢測上肢訓練過程中大腦皮質相關功能區的激活程度以及氧合血紅蛋白的濃度變化，以探索單側上肢訓練和雙側上肢訓練激活大腦的程度和方式的差異，為臨床選擇更適宜的康復訓練模式提供參考。

1 對象與方法

1.1 研究對象 本研究為前瞻性研究，連續入組2021年1-4月在復旦大學附屬華山醫院、上海市第一康復醫院、上海市第三康復醫院接受康復治療的卒中患者。納入標準：①年齡30～80歲；②首次卒中（腦出血、腦梗死）或既往有腔隙性腦梗死但未遺留神經功能缺損；③卒中診斷符合1995年全國第四屆腦血管病學術會議通過的各類腦血管病診斷要點，且經頭顱CT或MRI檢查證實[10]；④發病時間≥2周，存在運動功能障礙；⑤無認知障礙，MMSE≥25分；⑥上肢Brounnstrom分期≥Ⅲ期；⑦頭顱完整，未行開顱手術或顱骨修補術；⑧患者自行簽署或授權委托人簽署知情同意書。排除標準：①發病在2周內；②存在嚴重認知障礙或精神性疾病，無法配合指令或檢查；③存在顱骨缺損、頭部感染及皮膚破損等情況無法進行近紅外腦功能成像檢測；④癲癇發作期。本研究獲得復旦大學附屬華山醫院倫理委員會批準，審批號：（2020）臨審第（677）號。

1.2 近紅外腦功能成像方法 采用便攜式近紅外腦功能成像設備（NirSmart，丹陽慧創醫療）對患者進行大腦近紅外觀察。該設備包含24個光源探頭、16個探測探頭，在實驗設計中構成40個有效通道（圖1），通道距離采用3 cm間距，參考國際10～20系統進行定位，覆蓋前額與兩側運動區（圖2）。該設備全通道采樣率≥11 Hz。光源探頭采用波長分別為730 nm和850 nm，可在運動狀態下同時檢測大腦皮質相關區域氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白濃度的變化。

圖1 近紅外腦功能成像設備檢測通道的顯示圖

圖2 近紅外腦功能成像設備在大腦上的定位模型

1.3 執行任務方法 單側任務為患者在安靜室內，獨立坐位，患側上肢單獨上舉至鼻尖水平位置，緩慢放下后再重復動作，每組上舉30 s，休息20 s，重復9組。雙側任務為患者在安靜室內，獨立坐位，健手和患手的手指交叉共同上舉至鼻尖水平位置，然后緩慢放下后再重復動作，每組上舉30 s，休息20 s，重復9組。

1.4 數據處理和比較 采用NirSpark近紅外數據處理軟件分析收集的原始光強數據。利用低通和高通濾波器對數據進行濾波，消除脈搏和呼吸等生理波動引起的噪聲以及環境和溫度變化引起的基線漂移；在不改變任何原始數據的情況下，對病灶位于大腦右側的數據進行左右腦反轉；通過使用修正的比爾-朗伯定律，將光密度數據轉換成氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的濃度；使用廣義線性模型來擬合和分析血流動力學相應函數，并獲得提示激活程度的β值；通過對特征值編輯獲得任務過程中的氧合血紅蛋白濃度均值。分別比較單側上肢訓練和雙側上肢訓練時患側和健側大腦各腦區的β值及氧合血紅蛋白濃度。

1.5 統計學方法 采用SPSS 23軟件進行統計分析，計量資料為非正態分布，采用M（P25～P75）表示，采用獨立樣本秩和檢驗進行組間比較，計數資料采用頻數和率（%）表示。以P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

共入組31例卒中患者，年齡38～80歲，平均63.4±10.5歲；男性24例（77.4%），女性7例（22.6%）；腦梗死29例（93.5%），腦出血2例（6.5%）；左側上肢功能障礙14例（45.2%），右側上肢功能障礙17例（54.8%）；平均發病時間135.2±106.8 d。17例病灶位于大腦左側，14例病灶位于大腦右側，病灶位于右側的數據經左右腦反轉處理。

在雙側任務與單側任務β值比較中，40個通道中有14個通道（患側8個，健側6個）的β值差異有統計學意義，單側任務時的β值低于雙側任務時，所代表的腦區分別為健、患兩側的初級運動皮質區、輔助運動皮質區、初級軀體感覺皮質區及部分前額葉皮質區等（表1）。

表1 單側和雙側訓練任務時β值差異有統計學意義的腦區數據

在雙側任務與單側任務氧合血紅蛋白濃度比較中，40個通道中有12個通道（患側8個，健側4個）的氧合血紅蛋白濃度差異有統計學意義，單側任務時的氧合血紅蛋白濃度低于雙側任務時，所代表的腦區分別為健、患兩側的初級運動皮質區、輔助運動皮質區、初級軀體感覺皮質區及部分前額葉皮質區等（表2）。

表2 單側和雙側訓練任務時氧合血紅蛋白濃度差異有統計學意義的腦區數據（單位：mmol·L-1·mm-1）

3 討論

大量證據表明中樞神經系統疾病后功能的恢復是基于大腦重組和神經的可塑性[11-13]。腦損傷后未受損半球的活動可能有助于運動功能的有效恢復，其機制可能為其他潛在的腦網絡活動替代了腦損傷區的功能[12]。Rehme等[13]報道，雙側半球初級運動皮質區、輔助運動皮質區活動的增加與高級運動功能有關。健側初級運動皮質區和其他區域的補償性增強反映了卒中后功能網絡的變化，即重組現象。輕度運動障礙患者患側的初級運動皮質區中有更多的激活，而重度運動障礙患者則是健側初級運動皮質區和輔助運動皮質區中有更強的激活[13]。在本研究中，與單側上肢訓練時相比，雙側上肢訓練時健側和患側的初級運動皮質區和輔助運動皮質區的激活程度有普遍增高，提示雙側上肢訓練在促進卒中后功能網絡重組方面的作用可能優于單側訓練。

大腦的運動和感覺由對側大腦半球的初級運動和感覺皮質控制，雙側半球同等腦區間通過大量的胼胝體纖維聯系，并且雙側半球初級運動皮質區和感覺皮質間還存在動態的功能聯系和相互抑制，處在正常制衡狀態[14]。近年來的研究發現，如果患側腦損傷過于嚴重，則患者的功能恢復可能更多地依賴對側半球的功能代償，這種代償可能存在于雙側同等腦區之間或正常情況下有結構和功能連接的腦區之間，也可能形成雙側半球間新的結構和功能連接[15]。因此，這時的臨床治療重點為促進健側腦的有效代償，減少無意義的病理性異常模式形成。在本研究中，雙側任務與單側任務對比發現，健側腦同位腦區出現了與患側同等程度的激活和氧合血紅蛋白濃度的增高，說明雙側訓練時健側腦可能通過建立新的功能連接來代償患側腦損傷的功能。但僅從大腦皮質的激活并不能完全說明以上問題，還需要深入地去研究大腦在執行活動時內在的網絡連接或重建。

雙側上肢訓練和單側上肢訓練均是目前常用的卒中后上肢訓練方法，一些研究認為單側上肢訓練僅適用于肢體功能較好的偏癱患者，患側上肢訓練并不能改善雙手協調性[16]。還有一些功能磁共振成像（functional MRI，fMRI）研究顯示，雙側上肢訓練可增加大腦半球間的感覺和運動皮質區的功能連接和半球內同側運動功能區的功能整合[17]。本研究的結果同樣顯示對比單側任務，患者在執行雙側任務時患側和健側大腦的激活均更為明顯，與上述研究的觀點一致。目前國內也有相關研究認為雙側訓練比單側訓練更為有效[18-19]。綜上所述，雙側上肢訓練可能是卒中患者更有效的干預手段。

本研究的不足在于：僅設計了一次任務的數據對比觀察，反映的是大腦皮質激活的即時效果，對于兩種訓練在腦功能重建方面的證據尚不足。后續將進行更深入的腦網絡連接研究來探索單側上肢和雙側上肢訓練對大腦相應腦區的網絡連接以及腦功能重塑方面的促進和影響。

【點睛】卒中后康復訓練中針對上肢功能的雙側任務訓練較單側訓練對腦區的激活更明顯，主要為大腦初級運動、輔助運動和初級軀體感覺等皮質區，提示雙側任務訓練可能在促進腦功能重塑方面有積極的作用。