運動損傷與功能性近紅外光譜技術綜述

張皓 曹智潔 李雪梅 徐功鋮 李敏 祁洪凱 李增勇 李偉

1 濱州醫學院康復醫學院，濱州 264003；2 濱州醫學院附屬醫院康復醫學科，濱州 256600；3北京航空航天大學生物與醫學工程學院，北京 100191；4國家康復輔具研究中心 北京市老年功能障礙康復輔助技術重點實驗室，北京 252199

隨著全民運動的普及和體育競技的加劇，運動損傷的發生率逐年增加［1-3］，為了滿足運動損傷患者對康復治療和恢復運動能力的需求，我們迫切需要完善康復治療的理論體系［4］。隨著腦功能研究技術的逐漸成熟，研究人員開始探索人體運動的神經肌肉控制原理，這也成為了研究熱點之一。除此之外，已經證實非侵入式神經生物力學增能技術可以提升運動員的運動能力，但是它的機制仍然不明確，并且在患者身上的使用非常有限［5］。功能性近紅外光譜技術（functional near-infrared spectroscopy，fNIRS）在腦卒中患者腦功能監測方面被廣泛使用，因為其抗干擾、便攜且收集數據時非常安靜。然而，在研究神經肌肉控制原理方面，該技術應用的情況非常有限［5］。通過對有關運動損傷康復和fNIRS的文獻進行總結，討論我國運動損傷的現狀及康復和fNIRS 在研究運動損傷后損傷肢體神經控制機制方面的未來發展。

運動損傷

1.運動損傷流行病學調查

劉海濤等［6］對我國303 名籃球專項青年進行了膝關節損傷調查，結果顯示，男生中有258 名出現了膝關節損傷，患病率為62.4%；而女生中有45名出現了膝關節損傷，患病率為64.4%。這項研究沒有對膝關節損傷的具體類型進行分類。然而，根據以往研究，女子籃球運動項目中前交叉韌帶（anterior cruciate ligament，ACL）損傷的風險較高，女性的ACL 損傷率高于男性［7-8］。在半月板損傷方面，楊遠等［9］通過對中國運動損傷中半月板損傷的流行病學調查后發現，高水平網球運動員的半月板損傷率最高，為28.13%，這是在所有研究半月板損傷的報告中得出的結論［10］；全國籃球男女青年隊的半月板損傷率最低，只有2.5%［11］。李凈［12］對我國2 323 名大學生進行運動損傷流行病學調查的研究結果顯示，在運動損傷的各類別中，踝關節扭傷占比最高，達到21.05%；其次是膝關節扭傷，占比15.24%；緊隨其后的是腕關節扭傷，占比10.07%。劉宏煒等［13］對2010 年、2012 年和2014 年冬奧會注冊運動員進行的流行病學調查結果顯示，在15個比賽項目中，損傷率前3位的項目分別為單板滑雪（23.9%）、自由式滑雪（23.2%）和雪車（18.0%）。損傷率前3 高的類別是挫傷/血腫/擦傷占30.9%、扭傷（脫位/半脫位或韌帶斷裂）占17.8%、拉傷（肌肉斷裂/撕裂或肌腱斷裂）占11.8%。

2.運動損傷康復

青壯年常發生運動損傷，即便接受治療，很多患者仍然會長期受到影響，無法恢復運動功能和提高生活質量。以競爭性損傷中最常見的ACL 損傷為例［14］，治療ACL 損傷最常用的方法是進行ACL 重建手術［15-16］，盡管手術后患膝關節炎的風險明顯低于未手術患者［17］，但術后患者仍存在活動時腘繩肌肌肉活動增加而股四頭肌肌肉活動減少的情況。這可能是術后患膝為適應功能性活動而表現出神經肌肉代償策略［18］。這表明為使患者盡可能地恢復到受傷前的運動水平，高效的康復策略發揮著至關重要的作用。康復治療中存在多種經典策略，包括支具保護、肌力訓練、神經肌肉訓練和神經肌肉電刺激等。與此同時，中醫療法也廣泛應用于康復治療中，如中藥療法、推拿療法和針灸療法，其中包括盲針［19］、針刀［20］和針刺骨法［21］等。此外，一些相對較新的康復訓練方法，如肌內效貼［22］用于改善肌肉淋巴和血液循環、飛輪訓練［23］用于促進骨骼肌肉肥大，以及本體感神經肌肉易化法（proprioceptive neuromuscular facilitation，PNF）拉伸［24］可減少運動損傷，在國內還需要進一步推廣和應用。

近年，針對改善和提高人體機能和運動能力的非侵入式神經生物力學增能技術受到國內外的廣泛關注，因大腦活動的神經元放電特性，經顱直流電刺激（transcranial direct current stimulation，tDCS）在該技術中受到的關注較多。Fregni 等［25］的研究結果表明，對于腦卒中患者的上肢運動，tDCS 的陽極和陰極刺激都可以短暫改善患者的運動表現。對于下肢運動，雖然其控制區域主要位于大腦運動皮層的大腦縱裂深處，并存在一定角度，但經顱電刺激（transcranial electrical stimulation，tES）在下肢運動的應用已受到關注。研究發現tDCS 陽極刺激左側顳葉皮層（T3 區）可以顯著提高健康成年人膝關節伸肌等速肌力［26］，而在皮層腦區使用tDCS 陽極刺激可以明顯提高受試者的膝關節等長收縮的肌肉耐力［27］，還有研究發現健康成年人和老年人的靜態或動態平衡控制能力可因tDCS 陽極刺激小腦而得到提高［28-29］。雖然上述研究有提示tES 在提高運動能力上的可能性，但依舊存在樣本量小和被試個體差異較大的局限性［30］。在未來，希望可以通過借助腦功能研究技術（如fNIRS 等）、便攜式數據傳輸和大數據等來完善對非侵入式神經生物力學增能技術在神經肌肉控制中的作用機制［31］。

國內目前主要致力于幫助運動損傷后的患者康復治療，然而一些研究認為，優秀的運動員基本上處于亞健康狀態，這是因為他們長期進行專項運動的訓練，導致了他們身體的適應性發生了變化［32］。對此，相較于“康復（rehabilitation）”，“康復性訓練（prehabilitation）”的概念應運而生，此理念致力于在運動員受傷之前通過一些康復訓練，避免或減少運動損傷的發生［33］。康復體能訓練便是兩者的結合。康復體能訓練的目的是結合康復醫療和體能訓練的概念和技術，根據運動員的運動水平和身體需求，設計適合專項運動的最佳素質組合和體能訓練計劃，以促使亞健康或非最佳狀態的運動員逐漸朝著更好的方向發展［34］。運動領域內的研究表明，康復體能訓練對于國內的花樣滑冰運動員［35］、青少年足球運動員［36］、柔道運動員［37］等具有積極的影響。目前，在國內“醫體”結合的形勢下，相信康復體能訓練將有很大的應用空間。

fNIRS的主要應用

1.fNIRS在腦卒中康復領域的臨床應用

腦卒中發病常伴有腦功能的障礙，神經重塑便是其康復的關鍵之一。皮質下腦卒中對大腦皮質功能活動的影響已被證實［38］。fNIRS 實時監測大腦皮層活動的特性結合特定的功能障礙任務范式，可完成對腦卒中患者大腦激活模式的評定以及對患者神經重塑情況的反映［39-40］。fNIRS 為觀察康復訓練中大腦皮層激活情況提供一種實時可視化檢測手段，指導設計患者的臨床康復干預實施方案和療效評估。Mihara 等［41］利用fNIRS 觀察到行走過程中腦卒中患者受損半球的前運動皮層激活增加有助于步態功能的恢復。Huo等［42］、荊靜等［43］通過fNIRS發現正中神經電刺激可以有助于腦卒中患者的認知改善。張穎彬等［44］通過fNIRS 發現重復經顱磁刺激治療可改善腦卒中患者的認知功能。以上說明了fNIRS 對指導和優化腦卒中患者康復方案的重要臨床價值。

2.fNIRS在兒科領域的臨床應用

新生兒腦組織血氧代謝的監測具有重要意義［45］。fNIRS因其安全、無聲、便攜和對運動的抗干擾性，已被許多研究用來監測嬰幼兒，尤其是腦功能發育障礙兒童的腦組織血氧代謝，想以此來為腦功能障礙的診斷和評估提供可靠的生物學指標［46-48］。Tian 等［46］的研究準確識別了偏癱型腦癱患兒與健康對照組兒童相比，在一側手指運動過程中半球間運動功能所存在的異常情況。廖文靜等［47］研究發現，注意缺陷多動障礙（ADHD）患兒在靜息狀態下腦區存在自發增強的現象，且與多動癥狀嚴重程度顯著相關。Sutoko 等［48］的研究表明大腦激活情況可作為檢測ADHD 患兒藥物治療效果的生物指標。相信在未來，通過fNIRS將會發現更多腦功能障礙的定量檢測指標。

3.FNIRS在社會神經科學領域的應用

雖然功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）可用于社會神經科學研究。但黑暗嘈雜的監控環境并不是一般的社會狀況，社會互動的許多方面都難以實施fMRI 掃描。而fNIRS 可以記錄自然情境中的腦活動，因此，可以兼容更豐富的社會活動［49］。fNIRS 同步掃描監測大腦激活并允許自然交互行為的優點，彌補了fMRI 同步掃描關于內心狀態、情感和意圖的面對面、實時更新的關鍵社會信息的不足［49］。

fNIRS在運動損傷康復中的運用前景

為了保障運動損傷患者盡可能地恢復到傷前水平，大多數學者認為傷后及術后的康復治療是直接影響運動能力恢復的最重要的直接因素之一［50］，但目前以功能為導向的康復治療方案往往缺乏對一些“核心”肌群的訓練［51］，這是因為我們缺乏對人體運動神經肌肉控制過程與原理的理解。生物力學研究技術對深入理解神經肌肉控制機制起了重要作用。人體運動控制系統既神經-肌肉-骨骼系統中所有主動肌和拮抗肌在關節周圍產生的肌肉力矩代數和可視為神經控制信號，而肌電圖反映的便是肌肉的神經特性［31，52］，有研究用環節互動動力學模型和肌電圖（electromyogram，EMG）獲得的結果推估神經控制機制［53］。但此種方法的數據并非直接測于大腦，且所得信號已是中樞神經系統對最終期望運動的指令，對運動指令的整合過程很難反映，而fNIRS可反映運動過程中的腦區激活和腦連接且擁有對運動低敏感性和設備穿戴便攜性［54-57］的優勢，可將環節互動動力學模型、EMG 和fNIRS 相結合，探究損傷肢體運動過程中測得的肌電信號與腦區信號的相關性，以明確損傷肢體所對應的大腦皮層運動區的激活狀況、激活模式和半球間的聯系，進而了解神經肌肉控制機制并了解肢體運動功能的改善對腦功能的影響。人體的運動并非只與大腦皮層有關，與運動相關的腦結構還有丘腦底核、海馬［58］、腹外側丘腦［59］、蒼白球［60］、中腦腹側被蓋區［61］、伏隔核［62］等，這些區域位置較深并不能很好地被fNIRS 的光源所探及，雖然可以調節探測深度但會降低信噪比，對此可以用fMRI 和腦電圖探查靜息態和任務態后腦功能狀態的差異，以推測運動過程中這些區域的變化過程。另一方面，BrainCate聯盟中的斯坦福團隊開發的基于大腦想象字跡的文本解碼系統中的字符數據標記，建立了手寫字體的神經表征模板和運動起始神經活動的特征［63］，參考其神經解碼算法來用于神經肌肉控制機制的解析，獲得具體運動的神經表征模板和起始神經活動特征，在未來應該會有很大的探索空間。同時，該團隊應用的是有創腦機接口，那么同樣是采集實時腦活動的無創的基于fNIRS 的腦機接口［54-55，64］在未來應會有很大的用武之地。

總結

目前，我國的運動損傷康復治療理念和方案還有很大的完善空間，腦功能的探索及fNIRS的應用更是存在著巨大的可能性，fNIRS在運動損傷方面的應用將進一步完善康復理論體系，并讓腦功能的探索更進一步。

作者貢獻聲明張皓：實施研究，起草文章；曹智潔：實施研究；李雪梅：對文章的知識性內容作批評性審閱；徐功鋮、李敏、祁洪凱：指導；李增勇：醞釀和設計試驗，指導；李偉：醞釀和設計試驗，獲取研究經費，指導