近紅外腦功能成像在中樞神經系統疾病中的應用

【摘要】 近紅外腦功能成像是一種腦功能神經影像技術，被廣泛應用于神經病學疾病的研究與臨床診斷中。近紅外技術能夠非侵入性地測量組織的氧合狀態和血流動力學參數，為神經病學疾病的診斷、治療和監測提供了新的工具。文章旨在總結近年來近紅外技術在中樞神經系統疾病中的應用進展，并探討其潛在的臨床意義，包括在不同神經病學疾病中的應用以及在神經康復中的應用前景，為疾病的診斷和治療提供新的思路。

【關鍵詞】 近紅外腦功能成像；中樞神經系統疾病；神經康復

Application of near-infrared brain functional imaging in central nervous system diseases

YANG Yongqin1， LI Daojing2， QI Ziyou3

（1. Jining Medical University， Jining 272067， China； 2. Affiliated Hospital of Jining Medical College， Jining 272000， China）

Corresponding author： QI Ziyou， E-mail： zy-513@163.com

【Abstract】 Near-infrared spectroscopy is a brain functional neuroimaging technology， which is widely used in the research and clinical diagnosis of neurological diseases. Near-infrared technology can measure tissue oxygenation status and hemodynamic parameters non-invasively， providing a new tool for diagnosis， treatment and monitoring of neurological diseases. The purpose of this paper is to summarize the application progress of near-infrared technology in central nervous system diseases in recent years， and discuss its potential clinical significance， including the application in different neurological diseases and the application prospect in neurological rehabilitation， so as to provide new ideas for the diagnosis and treatment of diseases.

【Key words】 Near-infrared brain functional imaging technology； Central nervous system disease； Neurorehabilitation

近紅外腦功能成像（near-infrared spectroscopy，NIRS）是一種非侵入性測量組織氧合狀態的光譜分析技術，利用近紅外光在物質中的吸收和散射特性來研究物質的組成和結構。其生物學原理是在神經血管耦合機制的作用下，個體在大腦進行腦功能活動時耗氧量增加［1］，葡萄糖的代謝需求增加，導致局部腦血流量供過于求，以滿足大腦增加的代謝需求，而氧氣通過血液中的血紅蛋白進行傳輸，所以在認知活動時，大腦活動區域會出現血液中的氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白濃度的變化［2］。大腦皮層有著豐富的血管，通過測量在認知活動中大腦局部血管里的氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的變化可以間接反映大腦的功能狀態，推測認知活動相關的腦區和腦區間的相互關系。其物理學原理是當光通過組織時，會被組織中的染色物質吸收，導致出射光的強度減弱，這基于物質對不同波長的近紅外光的吸收和散射特性不同［2］。不同物質的分子結構和化學鍵會對近紅外光的吸收產生特定的影響［3］。在近紅外光譜范圍內，血紅蛋白、氧合血紅蛋白和細胞色素氧化酶是組織中的重要染色物質，它們的吸收光譜隨氧合狀態的改變而變化。通過測量這些染色物質的吸收變化，可以實時監測組織的氧合狀態［4］。自J?bsis［5］發明了體內NIRS開始，多個研究小組進行了早期的NIRS實驗，NIRS已被證明是研究腦生理學的有效工具，尤其是功能性NIRS（functional NIRS，fNIRS），對于評估腦功能和疾病診斷具有重要意義［3， 6］，已被廣泛應用于腦卒中神經康復、精神疾病、兒童發育障礙及神經退行性疾病等多個領域［7］。

1 近紅外光譜在中樞神經系統疾病中的應用

1.1 腦卒中

腦卒中是指由于血管病變導致腦部血液供應障礙的疾病，包括腦梗死、腦出血等，是世界范圍內第二大死亡原因，也是導致殘疾的主要原因［8］。NIRS可以實時監測腦血流灌注和氧合水平的變化，提供對腦血管病診斷和治療過程的實時監測和評估。Annus等［9］通過NIRS監測急性缺血性腦卒中患者在溶栓或血栓切除手術過程中的腦血管血流動力學變化，結果顯示，在溶栓或血栓切除過程中，NIRS監測的腦氧飽和度可以反映腦血流動力學的變化。不同患者的腦氧飽和度變化情況不同，但總體上與前循環側支循環的變化和臨床結果相關。該研究結果支持使用NIRS監測急性缺血性腦卒中患者，NIRS既可以提供實時的腦血流動力學信息，也能監測溶栓和血栓切除的效果。Becker等［10］通過NIRS探討了急性缺血性腦卒中患者的腦自動調節功能，并與健康對照組進行比較，結果顯示患者組的腦自動調節功能受損，無法像健康對照組那樣有效地調節系統血壓的波動。這項研究揭示了急性缺血性腦卒中患者的腦自動調節功能受損，這可能是導致其腦血流異常的重要因素，提示NIRS對于進一步理解腦卒中的病理生理機制及開發相關治療方法具有重要意義。

1.2 神經系統變性疾病

1.2.1 帕金森病

帕金森病是一種神經系統退行性疾病，其主要癥狀包括震顫、肌肉僵直和運動障礙等。NIRS可以實時監測帕金森病患者的腦血流量和氧合水平，輔助評估疾病的嚴重程度和病情進展［11］。研究表明，帕金森病患者的腦血流灌注和氧合水平與病情的發展和嚴重程度相關［12］，因此通過NIRS非侵入性地實時監測腦血流動力學有助于評估患者疾病狀況。Hofmann等［13］探討了PD患者在執行連線測試任務時的認知功能和腦血氧水平的變化，他們采用了fNIRS來測量大腦皮層的氧合水平，并通過行為數據分析來評估連線測試任務的執行情況，結果顯示帕金森病患者在執行連線測試任務時的認知功能和腦血氧水平與健康對照組沒有顯著差異，這些結果對于進一步理解帕金森病患者的認知功能和腦血流動力學變化具有重要意義。Maidan等［14］使用了fNIRS測量前額葉皮層的氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的變化來探究帕金森病患者在不同步態任務下的前額葉激活情況，分析腦活動與步態表現之間的關系。結果顯示，在進行數字減法任務時，帕金森病患者的前額葉激活水平較低，與正常行走時相比有所下降。同時，帕金森病患者在通過障礙物時的步態表現也較差，步速較慢且通過障礙物的時間較長。這些結果表明，帕金森病患者在執行認知任務時，前額葉的激活水平下降，可能與步態控制障礙有關，這為該病患者的神經康復提供了重要信息。

1.2.2 阿爾茨海默病

阿爾茨海默病是一種中樞神經退行性病變［7］。fNIRS是一種頗具前景的早期診斷阿爾茨海默病的工具。一項探討fNIRS和正電子發射斷層掃描評估輕度認知功能障礙和阿爾茨海默病相關性的研究表明，fNIRS和正電子發射斷層掃描在評估兩者時具有相關性，而且fNIRS可以提供額外的信息來幫助了解這兩種疾病的生理機制［15］。Keles等［16］采用fNIRS研究了阿爾茨海默病患者的大腦活動，使用高密度fNIRS設備對阿爾茨海默病患者、輕度認知功能障礙患者和健康對照組進行了測量。結果顯示，阿爾茨海默病患者的前額葉皮層的功能連接性與健康對照組存在顯著差異。他們還通過機器學習算法發現使用少量的光學通道可以有效區分阿爾茨海默病患者和健康對照者，并且可以預測阿爾茨海默病患者的認知功能表現。這項研究表明fNIRS有助于更好地理解阿爾茨海默病的神經生理機制，并為其早期診斷和治療提供了線索，可以作為一種潛在的阿爾茨海默病診斷工具和評估認知功能的方法。

1.2.3 認知功能障礙

NIRS有助于更好地理解和治療認知功能障礙［17］。Haberstumpf等［18］使用fNIRS來測量參與者在進行視覺-空間處理任務時頂葉皮層的神經活動，結果顯示，與健康對照組相比，輕度認知功能障礙患者在這項任務中表現出較低的頂葉激活水平。這表明輕度認知功能障礙患者在進行視覺-空間處理時存在腦功能異常。這項研究對于理解輕度認知功能障礙患者的腦功能變化以及認知功能障礙的進展具有重要意義。fNIRS有助于發現認知功能障礙的相關生物學標志物，有助于該疾病的早期檢測和診斷，并為開發新的治療方法和干預措施提供基礎。此外，部分研究表明NIRS在癡呆疾病的研究中也有很大的應用前景和潛力［19-20］。

1.3 癲 癇

NIRS在癲癇中的應用主要是通過腦血氧濃度的變化來監測癲癇發作。癲癇發作時，腦血流和血氧含量會發生變化，這些變化可以通過NIR進行監測和記錄。Sirpal等［21］探討了將fNIRS測量結果與腦電圖（electroencephalogram，EEG）數據相結合的優勢，發現EEG-fNIRS多模態數據在癲癇發作檢測任務中表現出更好的性能，并且具有較低的泛化誤差和，誤檢率更低，可以提高癲癇發作檢測的性能。此外，該研究提出的神經網絡模型為未來的多模態癲癇檢測和預測提供了潛力框架。 此外，Tung等［22］借助fNIRS有效記錄了執行語言流暢性任務的癲癇患者和對照組的大腦活動。通過使用fNIRS，研究者可以了解顳葉癲癇患者在進行語言任務時大腦網絡的重組情況，這有助于理解癲癇對大腦功能連接的影響，并為癲癇的診斷和治療提供新的線索。

1.4 偏頭痛

偏頭痛是一種嚴重的致殘性腦部疾病，被列為全球第六大致殘性疾病［23］。NIRS可以評估偏頭痛與腦血管反應性或腦血流動力學之間的關系，因其具有非侵入性、非放射性、即時性、低成本、便攜性和易操作等優點，因此在研究偏頭痛方面具有較高潛力［24］。Pourshoghi等［25］使用fNIRS測量偏頭痛患者的腦反應性，結果表明，血管理論可能無法完全解釋偏頭痛患者疼痛改善的機制，而神經理論可能更能解釋偏頭痛的發生原因。他們還指出，fNIRS可以作為在臨床環境中評估不同藥物對頭痛和偏頭痛血管效應的有效工具。

1.5 腦外傷

創傷性腦損傷是世界范圍內死亡和殘疾的主要原因［26］。繼發性腦損傷通常發生在創傷后前幾小時內，因此無創檢測可能有助于提供有關大腦狀況的早期信息，幫助救助人員盡早篩查疑似腦外傷的患者［27］。Robertson等［28］評估了一種便攜式NIRS設備在檢測創傷性顱內血腫方面的臨床效果，結果顯示該便攜式NIRS設備在檢測創傷性顱內血腫方面具有潛力，并可能成為一種檢測快速、非侵入性的篩查工具。有研究者使用手持式NIRS設備（Infrascanner）對疑似創傷性腦損傷患者進行了篩查。結果顯示，與CT掃描結果相比，Infrascanner檢測顱內血腫的敏感度為93.3%、特異度為78.6%。這意味著Infrascanner可以較準確地識別出需要接受手術干預的患者［29］。 NIRS作為一種非侵入性的診斷工具，可以幫助醫師及早發現創傷性腦損傷患者并實施適當的治療和轉運決策，從而提高患者的生存率和生活質量，因此NIRS可以成為現場和急救中心早期識別顱內血腫的實用輔助工具。

NIRS在監測創傷性腦損傷患者病情進展中也具有重要的作用和意義，可以非侵入性方式提供腦血流動力學參數，幫助評估腦自主調節功能，并預測患者的預后［30］。有研究者通過使用血氧水平依賴功能磁共振成像和fNIRS來評估創傷性腦損傷患者的腦血管反應。結果顯示，創傷性腦損傷患者的fNIRS結果與血氧水平依賴功能磁共振成像測量結果具有相關性，這提示使用NIRS可以更低價格且可重復地評估腦損傷患者的腦血管反應［10］。

在創傷性腦損傷治療方面，研究者通過NIRS實時監測腦部氧合水平的變化以了解經顱交流電刺激治療對腦組織的影響，結果顯示，在治療過程中患者的腦氧合水平顯著下降，這可能由神經元的活化引起。這一結果表明，在進行經顱交流電刺激治療時可能需要輔助氧療來維持腦部氧合水平。因此，NIRS在評估經顱交流電刺激對創傷性腦損傷患者腦氧合的影響方面起到了重要的作用。通過監測腦氧合水平的變化，可以更好地理解創傷性腦損傷對腦組織的影響，為患者的治療提供指導和改進經顱交流電刺激治療的策略［31］。

1.6 意識障礙

意識障礙是指各種因素導致人們無法保持清醒和意識的狀態。意識障礙包括昏迷、植物人狀態和輕度意識障礙等不同病理狀態［32］。fNIRS可通過測量大腦皮層的血氧水平變化來反映大腦活動，可評估意識障礙患者的殘余認知水平［33］，這對于判斷患者的意識狀態、制定個體化的康復治療方案以及預測康復潛力具有重要意義。Shu等［34］在研究中使用fNIRS記錄了意識障礙患者在接受腦深部電刺激治療前后的大腦活動。通過分析fNIRS數據，他們評估了不同腦葉之間的通信強度和整體通信效率的變化。結果表明，經腦深部電刺激治療后，患者的大腦功能連接性得到改善，整體通信效率也有所提高。這些發現對于理解腦深部電刺激治療對意識障礙患者的影響具有重要意義，提示fNIRS在評估意識障礙的治療效果方面具有一定的潛力，為進一步研究神經調控效應和個體化治療提供了重要參考。

昏迷是指各種病因導致的高級神經中樞結構與功能活動處于嚴重而廣泛抑制狀態的病理過程，是一種持續的無意識狀態。Rivera-Lara等［35］采用了NIRS和經顱多普勒超聲監測技術監測33例昏迷患者，并比較了2種技術的最佳平均動脈壓的計算結果。結果表明，2種技術在評估昏迷患者的腦自主調節方面具有一致性，均可作為有效的監測工具。

fNIRS在評估植物人狀態和極低意識狀態患者的殘余意識水平方面也有一定的作用和意義。Lu等［36］使用fNIRS評估了18例長期意識障礙患者和15名健康對照組的腦功能，研究結果表明，fNIRS可以通過測量患者對不同刺激的腦反應來評估其殘余意識水平。與健康對照組相比，長期意識障礙患者在被動刺激下的氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白濃度均值上升，且隨著意識水平降低而呈上升趨勢。這表明fNIRS在評估長期意識障礙患者的殘余意識方面具有可行性和可靠性。此外，通過fNIRS，研究人員揭示了極低意識狀態患者前額葉功能網絡的紊亂情況，有助于更好地理解極低意識狀態的病理機制［37］。fNIRS也可以檢測極低意識狀態患者的殘余功能網絡［38］，這為進一步理解該類患者的神經生理特征和診斷提供了有價值的信息。

2 近紅外光譜在神經重癥監護中的應用

神經危重疾病是患者長期預后不良的常見原因，對于神經科醫師來說，早期識別和治療神經危重疾病患者是巨大的挑戰［39］。NIRS正成為一種輔助決策因急性腦損傷進入ICU患者的治療決策的有效工具［40］。Adatia等［41］使用NIRS監測了患者的腦氧飽和度，并將其與體溫變化進行比較。他們使用COx指數來評估患者的腦血流自動調節狀態。通過監測腦血流自動調節的變化，醫師可以及時調整治療策略以維持患者的腦灌注和氧供，從而改善患者的預后。Rivera-Lara等［42］探討了使用NIRS監測腦血流自動調節狀態和計算最佳平均動脈壓的可行性，并分析了平均動脈壓偏離最佳平均動脈壓與患者預后的關系。結果顯示，通過優化腦灌注壓，可以減少腦缺血和腦灌注不足，從而降低患者的病死率和嚴重殘疾率。該項研究提示NIRS在神經危重病患者的監測和治療中具有重要的作用和意義。此外，多項研究系統地探討了NIRS在神經危重病護理中的潛在應用和發展前景［39-40， 43］，未來NIRS將在神經危重疾病領域發揮更大作用。

3 近紅外光譜在神經康復中的應用

近年來，NIRS在神經康復領域得到了廣泛應用［44］。fNIRS在研究腦功能和血氧代謝變化方面具有重要作用，它可被用于診斷和篩查腦功能障礙，推斷神經活動狀態，實時監測腦區的血氧代謝變化，并為康復治療提供指導［45］。康復訓練對腦卒中后運動功能的恢復至關重要。研究者利用fNIRS分析了腦卒中患者和健康人群進行上肢訓練時的大腦皮層活動狀態，結果顯示，在腦卒中患者和健康人群中，與被動運動相比，主動上肢運動更易引起更高的皮層激活，外部運動表現的視覺反饋可能有助于促進對側大腦半球的感覺運動區的活動［46］。這些發現對于理解腦卒中患者的上肢康復和運動訓練的神經機制具有重要意義。此外，研究顯示fNIRS還可用于評估腦卒中患者的吞咽功能和卒中后失語的康復治療效果［47-48］，也可用于評估機器人輔助步態訓練的效果［49］。隨著技術的不斷發展和改進，NIRS還可為神經源性下尿路功能障礙、女性的控尿功能障礙等疾病的病理機制研究提供神經影像學依據［50］，NIRS將為神經康復的個體化治療和康復效果評估提供更多的可能性，也能為開發新的診斷和治療方法提供思路。

4 結語與展望

神經系統疾病在現代疾病發病率中的占比逐漸升高，因此早期診斷極其重要。NIRS具有易操作、方便快捷、適用人群廣、對身體及環境條件要求低、對參與者的行為限制少等優點。其中的fNIRS具有疾病病種適用廣泛、應用場景多元、抗運動干擾、抗電磁干擾、支持長時程無創檢測、可移動性好等獨特優勢，這使得fNIRS在腦功能疾病診斷和療效評估方面的應用越來越廣泛［7］。目前，通過fNIRS可以實時監測腦血流灌注和氧合水平變化，實現對神經系統疾病診療過程的實時監測和評估，為個性化治療提供更多的可能性。但NIRS存在一些局限性，包括缺乏解剖特異性、空間分辨率低、無法進入不鄰近頭皮的皮質區域，信號容易受到頭皮、頭發等組織散射和吸收的影響，需要進行信號處理和校正［2， 6， 51］，這些挑戰不可忽略。未來，隨著技術水平的提高，設備的空間分辨率和時間分辨率將進一步提升，并可結合人工智能技術提高診斷效能，NIRS將在神經系統疾病的診療中發揮更大的作用。

利益沖突聲明：本研究未受到企業、公司等第三方資助，不存在潛在利益沖突。

參 考 文 獻

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（責任編輯：洪悅民）