吳綜，李浩，梁永波 ，陳真誠

(桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林 541004)

1 引 言

由于近紅外光譜技術(shù)具有安全、無創(chuàng)傷、以及高時(shí)間分辨率的特性，使得其在生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛[1]。在1977年，Jobsis 發(fā)現(xiàn)生物組織對近紅外光具有低吸收性，并首次使用近紅外光譜技術(shù)來測量腦組織的血氧變化[2]，開創(chuàng)了利用近紅外光譜技術(shù)測量血氧濃度變化的先河。目前，使用近紅外光譜技術(shù)測量血氧參數(shù)的對象及其廣泛，例如骨骼肌、乳腺組織、皮膚和腦組織等。腦是人體的控制中心，同時(shí)也是人體最復(fù)雜、功能最強(qiáng)的器官，參與人體的一切活動[3-4]。大腦前額葉作為大腦最重要的區(qū)域之一，有著非常廣泛的神經(jīng)聯(lián)系，該區(qū)域與人的判斷和記憶、操作、思考等作用息息相關(guān)，對人的行為和思維活動有著十分重要的作用[5]。經(jīng)研究表明，人的特定的行為活動會激活大腦皮層對應(yīng)的功能區(qū)域，從而導(dǎo)致該區(qū)域血氧濃度的變化，通過測量該區(qū)域的血氧狀態(tài)，就能夠?qū)Υ竽X的思維活動作出近似的評價(jià)[6-8]。此外，血紅蛋白是氧運(yùn)輸?shù)闹饕d體，人體新陳代謝的變化，會引起脫氧血紅蛋白以及氧合血紅蛋白的變化，所以測量大腦皮層血氧濃度的變化還有助于了解血氧的代謝功能，反映人的生理情況[9]。綜上所述，通過對皮層的血氧濃度、光學(xué)參數(shù)以及血液動力學(xué)參數(shù)的準(zhǔn)確測量，對分析大腦的高級功能，精神病患者的生理活動以及臨床保護(hù)都具有重大意義。本研究以近紅外光譜技術(shù)為基礎(chǔ)，對21位受試者在運(yùn)動想象、運(yùn)動發(fā)生以及靜息狀態(tài)下前額葉血氧飽和度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，分析處理，對深入研究思維活動與實(shí)際運(yùn)動之間關(guān)系，以及大腦的活動機(jī)理都有著非常重要的意義；此外，由于個(gè)體生理差異的存在，腦機(jī)接口技術(shù)一直發(fā)展甚微，本研究也為腦機(jī)接口技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了一定的理論依據(jù)。

2 材料和方法

2.1 研究對象

隨機(jī)選取21名大學(xué)生，其中11名男生，10名女生，年齡都在18～22歲之間，且身體健康，沒有遺傳病史和運(yùn)動功能障礙等疾病。

2.2 研究方法

2.2.1實(shí)驗(yàn)原理 由于生物組織在近紅外光波段體現(xiàn)出低吸收性以及很強(qiáng)的散射性，且對近紅外光的散射作用具有高度前向性，以至于近紅外光能夠穿透頭皮、顱骨、腦脊液，到達(dá)腦灰質(zhì)層[10-11]。又氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白在近紅外光波段具有不同的吸收特性，于是通過檢測光強(qiáng)的變化就能夠間接反映血氧濃度的變化，再結(jié)合修正的朗伯-比爾定律(Lambert-Beer)，就能夠定量計(jì)算出血氧濃度的變化量[12]，計(jì)算公式如下：

Δ[HbO2]=

Δ[HHb]=

Δ[HbT]=Δ[HbO2]+Δ[HHb]

本實(shí)驗(yàn)采用美國NIRs Medical technologies公司生產(chǎn)的多功能近紅外腦功能成像儀，使用760 nm和850 nm的雙波長發(fā)光光源，對21名受試者在實(shí)驗(yàn)過程中大腦前額的血氧濃度變化進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，通過NIRStar軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采樣頻率為7.81 Hz，使用nirsLAB軟件對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理。其中光源及傳感器探頭在大腦額部的分布見圖1，采用對稱分布的格局，8個(gè)光源和7個(gè)探測器之間形成20個(gè)采樣通道，覆蓋前額的整個(gè)區(qū)域，對各個(gè)方位的血氧信號進(jìn)行全面采集。

圖1光源及探測器在大腦額部的分布圖及采樣通道分布圖(紅色代表光源、黃色代表探測器)

Fig1Distributionoflightsourceanddetectorinthefrontalpartofthebrain(redrepresentsthelightsource,yellowrepresentsthedetector)

2.2.2實(shí)驗(yàn)流程 實(shí)驗(yàn)開始前先對受試者進(jìn)行5～10 min的任務(wù)訓(xùn)練，任務(wù)為右腳做屈伸運(yùn)動，頻率為1 Hz。為了確保實(shí)驗(yàn)的規(guī)范性和準(zhǔn)確性，本實(shí)驗(yàn)使用EPRIM軟件提前制作一個(gè)動態(tài)的實(shí)驗(yàn)流程圖，受試者在實(shí)驗(yàn)過程中只需要根據(jù)其提示做出相應(yīng)的動作即可。由于不同的人、不同的時(shí)間段生理參數(shù)都有很大差異，因此，本實(shí)驗(yàn)對受試者在靜息、運(yùn)動想象、運(yùn)動發(fā)生三種狀態(tài)下的血氧濃度情況進(jìn)行連續(xù)采集。為了防止外界噪音及外界光對血氧信號產(chǎn)生干擾，整個(gè)實(shí)驗(yàn)在一個(gè)安靜、光線較暗的環(huán)境中進(jìn)行，整個(gè)實(shí)驗(yàn)的時(shí)長為8 min，流程見圖2。

圖2 實(shí)驗(yàn)流程圖

3 結(jié)果

3.1 時(shí)域分析

3.1.1空間配準(zhǔn) 通過導(dǎo)入探頭傳感器的位置配置信息以及NIRStar采集到的原始數(shù)據(jù)，以修正的Beer-Lambert定律為基本原理，nirsLAB軟件就能計(jì)算出每個(gè)通道的血液動力學(xué)狀態(tài)。同時(shí)通過nirsLAB軟件自帶的3D定位及成像工具，將20個(gè)采樣通道和受試者的前額進(jìn)行精確的空間配準(zhǔn)，使得每個(gè)采樣通道血氧濃度的變化都反映到對應(yīng)的前額位置，并以顏色的變化來表示血氧濃度的增大和減小。本研究以氧合血紅蛋白為例，在不同狀態(tài)下氧合血紅蛋白濃度的變化情況見圖3，右側(cè)條形圖顏色由藍(lán)至紅依次表示氧合血紅蛋白相對含量的變化情況，負(fù)值表示濃度減小，正值表示濃度增加。由圖可知，運(yùn)動想象和實(shí)際運(yùn)動都會引起前額葉氧合血紅蛋白濃度的顯著增加，且運(yùn)動想象引起的血氧濃度變化更加顯著。

圖3從左到右依次為靜息狀態(tài)、實(shí)際運(yùn)動狀態(tài)、想象運(yùn)動狀態(tài)氧合血紅蛋相對含量3D成像圖

Fig3The3Dimagingofrelativecontentofoxygenatedhemoglobinoffromlefttoright,therestingstateandtheactualstateofmotion

3.1.2曲線分析 選擇圖3所示激活區(qū)域的通道，本研究以通道3為例，即圖1右圖中藍(lán)色通道，使用Plot工具描繪出該激活區(qū)域氧合血紅蛋白、脫氧血紅蛋白、總血紅蛋白的相對含量變化曲線圖見圖4，其中縱軸表示濃度，單位為mmol/L，橫軸表示時(shí)間,單位為s。曲線圖將每一時(shí)刻血氧濃度的變化量和時(shí)間點(diǎn)一一對應(yīng)起來，非常直觀的顯示出HbO2、Hb、total Hb在不同狀態(tài)下的變化趨勢。由圖可知，在靜息狀態(tài)下血氧濃度維持相對穩(wěn)定，而在任務(wù)階段，氧合血紅蛋白的濃度會逐漸增加，脫氧血紅蛋白的濃度會逐漸降低，且在想象運(yùn)動狀態(tài)下的變化量更加顯著。

3.1.3統(tǒng)計(jì)分析 運(yùn)用spss19.0數(shù)值統(tǒng)計(jì)軟件，定量計(jì)算21名受試者在運(yùn)動想象、運(yùn)動執(zhí)行以及靜息狀態(tài)下血紅蛋白相對含量變化的平均值見表1。

對21名受試者在靜息狀態(tài)、想象運(yùn)動狀態(tài)、實(shí)際運(yùn)動狀態(tài)下的血紅蛋白相對含量兩兩之間做配對樣品t檢驗(yàn)，得出如下結(jié)論：運(yùn)動發(fā)生時(shí)，大腦額部的血氧飽和度與靜息狀態(tài)下相比具有顯著性差異(P<0.01)；想象運(yùn)動狀態(tài)下大腦額部的血氧飽和度與靜息狀態(tài)下相比也具有顯著性差異(P<0.01)；想象運(yùn)動狀態(tài)下的血氧飽和度與實(shí)際運(yùn)動狀態(tài)下相比具有顯著性差異(P<0.05)。

HbO2HbHbtotal靜息狀態(tài)-0.2061E-3±0.000190.0200E-3±0.00021-0.2977E-3±0.00041實(shí)際運(yùn)動狀態(tài)0.5181E-3±0.00059-0.0862E-3±0.000150.4319E-3±0.00018想象運(yùn)動狀態(tài)0.1153E-3±0.00101-0.0235E-3±0.000670.0918E-3±0.00110

3.2 頻域分析

使用MATLAB對靜息、運(yùn)動想象、運(yùn)動執(zhí)行三種狀態(tài)下的氧合血紅蛋白相對含量分別作傅里葉變換，得到的頻譜圖見圖5，其中(a)、(b)、(c)分別表示靜息狀態(tài)、運(yùn)動想象、運(yùn)動執(zhí)行下的頻譜圖。由于個(gè)體生理差異的存在，每個(gè)受試者的頻譜圖都不盡相同，圖5只是隨機(jī)選取的三幅圖。但從頻率的分布可以發(fā)現(xiàn)，不管是在任務(wù)狀態(tài)下還是在靜息狀態(tài)下，氧合血紅蛋白濃度變化的頻率分布在0～0.1 Hz之間。由于人的呼吸頻率一般在0.25 Hz左右，心跳頻率在1 Hz左右，因此利用低通濾波能有效濾除呼吸、心跳等生理活動的影響，該結(jié)論將有助于腦機(jī)接口技術(shù)的開發(fā)。

圖4HbO2、Hb、totalHb相對含量變化曲線圖

Fig4Thechangeofrelativecontentofoxygenatedhemoglobin,deoxygenatedhemoglobinandtotalhemoglobin

圖5 氧合血紅蛋白的傅里葉譜圖

4 討論

隨著科技技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，生命科學(xué)已經(jīng)成為眾學(xué)科中一個(gè)非常重要的學(xué)科。人腦是人體的控制中樞，對人的生命活動起著絕對的控制作用。然而，前額葉是大腦最重要的組成之一，與人的思維、操作、判斷等功能息息相關(guān)[13]，探討前額葉血氧濃度變化的特點(diǎn)，不僅有助于深度研究腦功能機(jī)理，而且還能為腦卒中患者的康復(fù)治療提供一定的理論依據(jù)[14-15]。本實(shí)驗(yàn)使用多功能近紅外腦功能成像儀對21名受試者在下肢運(yùn)動和想象下肢運(yùn)動時(shí)的前額葉血氧飽和度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，由于每個(gè)人的生理參數(shù)各不相同，以及外界環(huán)境未知因素的影響，本實(shí)驗(yàn)中所測得的血氧濃度均為相對值，而非絕對值。通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析，由于個(gè)體生理差異的存在，使得結(jié)果不盡相同，但是整體特征都具有統(tǒng)一性，具體表現(xiàn)為：在任務(wù)狀態(tài)下的前額葉血氧飽和度會明顯提高，且運(yùn)動想象比實(shí)際運(yùn)動更能激活雙側(cè)額葉前區(qū)，而血氧濃度變化的頻率一般在0.1 Hz以下。該結(jié)論對于深度探究腦認(rèn)知機(jī)理，思維與運(yùn)動之間的聯(lián)系提供了一定的基礎(chǔ)，同時(shí)也有助于腦機(jī)接口技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。