功能性近紅外光譜成像技術評估腦卒中患者上肢運動功能康復：任務態范式

毛夢釵，許東升,3*

(1.上海中醫藥大學康復醫學院，上海 201203；2.中醫智能康復教育部工程研究中心，上海 201203;3.上海中醫藥大學附屬曙光醫院康復科，上海 201203)

腦卒中具有高發病率、高致殘率、高死亡率、高復發率、高經濟負擔的特點，防治報告[1]顯示我國腦卒中發病率呈逐年上升趨勢。早期康復治療可有效改善患者運動、感覺、執行控制、認知、言語及情緒等功能障礙，但仍有超過半數的患者存在后遺癥[2]，尤其是上肢運動功能障礙，嚴重影響患者日常生活，是臨床康復研究的重點[3]。

腦卒中康復干預手段包括物理治療、中醫療法等傳統方法，以及神經調控技術等新型干預手段，但尚缺乏動態、量化、客觀評價康復效果的指標。功能性近紅外光譜成像技術(functional near-infrared spectroscopy，fNIRS)是新興的腦功能成像技術，可通過檢測大腦皮質血氧活動水平變化間接反映神經活動強度，具有良好的時間分辨率及一定的空間定位能力，同時具有功能MRI(functional MRI，fMRI)不可比擬的經濟性和生態效度[4-5]，可用于檢測卒中后偏癱患者腦功能[6]；用于運動領域評估健康受試者運動皮質功能也具有良好的可重復性[7]。本文從方法學角度梳理fNIRS用于評估腦卒中患者上肢運動功能康復的常用任務態范式與指標。

1 試驗任務設置

1.1 手部運動任務 手部運動任務包括抓握運動和對指運動。抓握運動要求受試者以一定頻率、強度重復屈曲-伸展手指。2002年，KATO等[6]采用fMRI與fNIRS分別觀察腦卒中患者進行康復抓握運動時皮質激活情況來驗證fNIRS運動評估的有效性，是目前評估卒中患者手部運動功能最常用的試驗范式。8項研究[6，8-14]通過觀察卒中患者手部抓握表現評估運動功能及運動皮質功能恢復；除空手抓握外，部分研究[10-11]要求受試者抓握橡膠球，或使用握力計量化評估[12]。另有5項研究[15-19]采用對指運動任務，即要求受試者以一定頻率、強度、順序將拇指和其他手指依次相對，或敲擊鍵盤。以上研究抓握與對指運動均采用組塊設計，任務階段與休息階段交替進行。KASHOU等[20]對比健康受試者在抓握和對指時皮質血氧響應情況，發現2種運動任務范式激活運動皮質情況并無顯著差異，且在3天的重復測量中fNIRS信號一致性良好，提示抓握與對指運動可在fNIRS臨床應用研究中互換使用。

1.2 前臂運動任務 前臂運動任務包括手肘和手腕屈伸等運動。10項研究[21-30]通過前臂運動評估腦卒中患者運動皮質血氧響應，其中5項研究[21-25]采用手肘屈伸試驗范式，要求受試者以一定的頻率和幅度彎曲、伸展手肘[21-24]，或在機械臂引導下進行被動運動[25]；2項研究[26-27]涉及機械臂輔助引導的綜合上肢運動；此外，有研究采用前臂肌肉等長收縮運動[28]、屈腕運動[29]或伸腕運動想象任務[30]。試驗范式均采用組塊設計，任務階段與休息階段交替進行。

實際臨床研究中會根據患者具體情況，選擇或調整運動任務范式，如URUSHIDANI等[31]的研究，對1例腦卒中患者感覺運動皮質功能進行動態fNIRS檢測，卒中后2個月其手指功能初步恢復，可完成手指屈曲和伸展，而對指和握拳功能尚未恢復，因此研究者以手指屈曲、伸展運動為試驗范式進行運動區fNIRS觀測，發現患者患側運動功能提升停滯且偏側化指標下降，從而調整任務范式對其進行15天的重復性經顱磁刺激結合作業治療康復干預。LIM等[12]對腦卒中患者制定綜合任務，要求受試者越過桌面障礙物拿取盒子中目標物，此任務需患者調動運動計劃并執行，均為上肢關鍵功能。

2 觀察腦區與光極配置

fNIRS測量光極所覆蓋腦區主要包括運動區和前額葉[8，18-19，22-24，27]，也可評估顳葉及枕葉皮質[10，18]。腦卒中患者上肢運動功能康復研究多聚焦于運功功能本身，亦有研究[8，10，15，22]同時測量前額葉和初級運動皮質的血氧響應活動，探討鏡像療法[15]或提醒治療法[8]等運動認知療法對腦卒中患者運動功能恢復的影響。除1項研究[8]檢測范圍主要覆蓋右半球外，其余大部分研究fNIRS測量覆蓋雙側皮質，同時評估健側和患側大腦皮質功能。觀測通道均為多通道，其中1項研究[29]除常規觀測通道(發射與接收光極之間常為3 cm間距)外，額外配置了11個短間距通道用于測量淺層生理噪聲。

由于fNIRS測量光極放置于皮膚表面，其位置的準確性決定了實際觀測腦區和測量效果。12項研究[8-9，12-14，16-17，19，22，25，29，30]采用了國際10-20系統，1項研究[27]采用國際10-10系統，另1項研究[24]通過高精度相機記錄光極位置以輔助光極定位。此外，為更精準地定位腦區，部分研究[8，23-26，28，31]額外通過三維定位儀進行輔助定位和空間配準。

3 數據處理

對信號進行濾波去噪是fNIRS數據預處理的常規步驟，15項研究[8，10-12，14-19，22，26-28，30]使用帶通濾波器去除高頻和低頻噪聲。對于運動偽跡的干擾可進行偽跡校正處理，6項研究采用線性插值[15]或樣條插值[8，14，16，26-27]算法、4項[10-11，28，30]通過手動檢查去除運動偽跡和壞的試次、3項[9，13，27]采用滑窗平均法、2項[10，25]采用小波算法、1項[12]通過去除5個標準差之外的數據點去除運動偽跡、另1項[18]通過相鄰信號替代法校正運動偽跡。此外，XIE等[27]采用獨立成分分析(independent component analysis，ICA)、主成分分析(principal component analysis，PCA)及樣條插值算法等多種綜合去噪算法進行多次運動偽跡去除和校正。

常規血氧時間序列分析中，因考慮血氧延遲效應，多以任務開始后一段時間為分析時間窗口的起點，并對信號進行了基線校正和試次平均。2項研究[13，16]以完整任務段為分析時間窗口、1項[12]增加任務結束后10 s作為分析時間。

另11項研究[10，14-15，17-18，21，23-25，30-31]以試驗任務條件卷積血流動力響應函數(hemodynamic response function，HRF)作為預測因子，構建一般線性模型(generalized linear model，GLM)對fNIRS信號進行激活區檢測分析。

4 評估指標

大部分研究以血紅蛋白濃度變化值為指標，其中17項研究[8-9，11，13-14，16-17，19，21-22，25-31]僅基于含氧血紅蛋白(oxygenated hemoglobin，oxyHb)信號，2項[11，18]評估oxyHb和脫氧血紅蛋白(deoxygenated hemoglobin，deoxyHb)濃度變化值，1項[6]同時評估oxyHb、deoxyHb和總血紅蛋白3種信號。LIM等[12]以血紅蛋白差值(Hbdiff=HbO-HbR)判斷大腦激活情況并用于評估皮質功能。GLM激活區檢測分析的研究中，3項[10，15，17]以權重參數β值為激活指標，7項[14，18，21，23-25，31]以β值的統計量t值為激活指標，用于評估皮質功能。

此外，XIE等[27]通過對fNIRS數據低頻成分進行小波變化，計算小波幅值(wavelet amplitude，WA)用以衡量皮質激活水平。有研究定義偏側化指數[9，14，17，21，27-28，31]、半球間指數[12]或對側偏側化指數[13]表征健側和患側皮質功能的平衡性，用于評估卒中后皮質功能動態變化與恢復。不同研究對偏側化指數的定義和計算方式不同，多基于左右半球oxyHb濃度變化[9，14，28，31]，也可基于激活腦區大小[21]、激活通道數量[13]或WA指標[27]。另1項研究[15]以鏡像指數評估鏡像療法引起的健側和患側運動皮質及楔前葉功能平衡。

5 主要研究結果

上肢運動主要涉及初級運動皮質、感覺運動皮質、運動前區、輔助運動區、運動感覺聯合皮質及前額葉等腦區活動[6，8-16，19，21-27，31]。與健康受試者相比，腦卒中患者患側腦區激活弱化[8，10-11，22]，對側腦區過度激活[6，21-22]，尤其是卒中早期；提示對側運動相關皮質存在代償康復機制。

但LIM等[12]研究發現卒中患者患側感覺運動皮質激活高于健康對照，且伴隨著更差的運動表現，提示卒中患者運動皮質加工效率降低，或由于病灶周圍健康腦區對損傷區域出現同側代償。患者經過康復訓練后，伴隨著上肢運動功能改善，皮質活動向損傷同側偏轉[9-10，13，15，18，22-24，31]，且能維持較長的時間[24]，實現神經功能重建。

6 多模態記錄

fNIRS基于光學檢測，不會與電磁場產生干擾，可兼容其他技術進行多模態檢測。研究[9，15，21-22，29]在使用fNIRS觀測的同時，以肌電圖(electromyography，EMG)記錄受試者運動時外周肌電活動；另有研究[10-12，15，30]采用fNIRS-腦電波同步記錄皮質電活動和血氧變化，更全面地評估運動任務中大腦活動狀態；KHAN等[29]同時兼容經顱直流電刺激(transcranial direct current stimulation，tDCS)-fNIRS-EMG技術，用以優化單一tDCS技術的康復干預方案。

7 小結與展望

臨床研究中不同的試驗范式、數據處理方法和評估指標均會對fNIRS研究結果造成影響，所獲臨床闡釋也可能有所不同，提示研究者需更加重視fNIRS應用于腦卒中康復研究中的標準化問題，本文所涉及的部分研究方法學梳理詳見表1。

表1 基于fNIRS評估腦卒中患者上肢運動功能康復的代表性研究方法學梳理

今后關于fNIRS腦卒中康復研究建議注意以下幾項：①應詳細報告fNIRS參數、試驗范式參數設置與數據處理過程及參數設定；②為彌補fNIRS顱外記錄所帶來的定位缺陷，應使用10-20系統輔助光極定位，并使用三維定位儀記錄光極和通道位置，與標準腦配準后形成更準確的空間定位；③根據受試者實際情況選擇合適的試驗任務、試驗次數及任務時長；④關于fNIRS數據處理，建議將運動偽跡校正和信號濾波納入常規預處理流程，運動任務易伴隨較大幅度的身體運動，在信號采集過程中易引入運動偽跡，應在后期數據處理時重視去除運動偽跡，根據數據噪聲情況選擇合適的運動偽跡校正方法。

期望本文能為臨床工作者開展fNIRS腦卒中運動康復研究提供參考，共同推進fNIRS的規范性和標準化應用。