崔威，李春光，徐嘉誠(chéng)，何劉進(jìn)，孫立寧

蘇州大學(xué)江蘇省機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇蘇州市 215000

我國(guó)腦卒中發(fā)病率、致死率、致殘率以及復(fù)發(fā)率高，患者年輕化趨勢(shì)明顯[1]。腦卒中患者多遺留不同程度運(yùn)動(dòng)功能障礙，早期康復(fù)能明顯改善腦卒中患者的運(yùn)動(dòng)功能和日常生活活動(dòng)能力，提高生活質(zhì)量[2]。

功能性近紅外光譜技術(shù)(functional near-infrared spectroscopy,fNIRS)是一種非侵入式腦成像技術(shù)，可以檢測(cè)大腦皮質(zhì)血流動(dòng)力學(xué)變化，具有較好的時(shí)間分辨率[3]，成本低，不受環(huán)境影響，廣泛應(yīng)用于精神分裂癥、癲癇、帕金森病等的研究中，在人體肌肉[4]、腦血流的生理研究[5]，認(rèn)知科學(xué)，康復(fù)和腦機(jī)接口[6]等領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用。本文綜述fNIRS 在腦卒中患者運(yùn)動(dòng)功能評(píng)價(jià)中的應(yīng)用，以及fNIRS 在腦卒中和其他神經(jīng)疾病診斷中的應(yīng)用。

1 腦卒中

1.1 運(yùn)動(dòng)功能與腦區(qū)激活

Miyai等[7]應(yīng)用fNIRS測(cè)量初發(fā)腦卒中患者康復(fù)期間跑步機(jī)上行走時(shí)皮質(zhì)激活情況，發(fā)現(xiàn)腦卒中后運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)與感覺(jué)運(yùn)動(dòng)區(qū)(sensory motor cortex,SMC)激活的不對(duì)稱(chēng)性改善和患側(cè)前運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)(premotor cortex,PMC)激活增強(qiáng)有較大關(guān)聯(lián)。Lo 等[8]使用fNIRS 研究腦卒中患者和健康人在不同強(qiáng)度刺激下皮質(zhì)激活情況，發(fā)現(xiàn)健康人在高強(qiáng)度刺激下皮質(zhì)區(qū)整體上沒(méi)有激活，而腦卒中患者在不同強(qiáng)度刺激下，PMC、SMC、輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)(supplementary motor area,SMA)和第二感覺(jué)皮質(zhì)(S2)激活，低強(qiáng)度刺激下的S2區(qū)激活強(qiáng)度高于無(wú)刺激和高強(qiáng)度刺激。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等康復(fù)訓(xùn)練能促進(jìn)腦卒中患者上肢功能改善[9]。Kober 等[10]基于fNIRS 進(jìn)行右手握球運(yùn)動(dòng)的圖像反饋研究，實(shí)驗(yàn)組觀看自已的皮質(zhì)活動(dòng)獲得真實(shí)反饋，對(duì)照組觀看他人的視頻獲得虛假反饋，發(fā)現(xiàn)真實(shí)反饋誘發(fā)左側(cè)運(yùn)動(dòng)區(qū)高度激活，虛假反饋導(dǎo)致整個(gè)皮質(zhì)分散激活。

Lin 等[11]應(yīng)用fNIRS 測(cè)量腦卒中患者在主動(dòng)和輔助騎行過(guò)程中的速度反饋皮質(zhì)激活，發(fā)現(xiàn)速度反饋增強(qiáng)PMC 激活，大腦血液循環(huán)改善。Mihara 等[12]使用fNIRS 研究發(fā)現(xiàn)，腦卒中患者在平臺(tái)快速向前、向后移動(dòng)干擾時(shí)，頂葉皮質(zhì)、SMA 和前額葉皮質(zhì)(prefrontal cortex,PFC)激活，這些區(qū)域?qū)颊叩钠胶饪刂票夭豢缮?。Fujimoto 等[13]使用fNIRS 測(cè)定腦卒中患者縱向區(qū)域皮質(zhì)激活，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)化康復(fù)后，雙側(cè)SMA 與擾動(dòng)相關(guān)的激活顯著增加，SMA在身體平衡控制中發(fā)揮重要作用。

大腦患側(cè)激活改善大腦半球活動(dòng)的平衡性。隨著腦卒中患者運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)，左右半球主運(yùn)動(dòng)區(qū)的對(duì)稱(chēng)性得以改善。此外，在患者運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)過(guò)程中，PFC 和SMA 對(duì)運(yùn)動(dòng)平衡控制起重要作用。大腦是一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，各腦區(qū)相互連接，應(yīng)該整體看待功能障礙而不能僅僅局限于某一受損腦區(qū)。賈杰[14]提出“上下肢一體化”整體康復(fù)新理念，獲得更好地康復(fù)效果。所以我們應(yīng)綜合評(píng)估整體的功能障礙并且進(jìn)行個(gè)性化干預(yù)，而不是只考慮受損區(qū)域。

Kato 等[15]同時(shí)使用fMRI 和fNIRS 研究腦梗死患者雙手運(yùn)動(dòng)期間皮質(zhì)激活情況，發(fā)現(xiàn)患側(cè)手同側(cè)半球?qū)?yīng)功能區(qū)激活，可能有助于患者手部運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)。Saita 等[16]用fNIRS 研究小腦卒中患者語(yǔ)言流暢性任務(wù)時(shí)皮質(zhì)活動(dòng)的變化，發(fā)現(xiàn)患側(cè)前額葉有限激活，健側(cè)對(duì)應(yīng)功能區(qū)代償對(duì)運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)起主要作用。Takeda 等[17]用fNIRS 研究腦梗死后偏癱恢復(fù)過(guò)程中運(yùn)動(dòng)激活區(qū)域的變化，發(fā)現(xiàn)早期患肢同側(cè)(健側(cè))半球運(yùn)動(dòng)激活短暫增加可能對(duì)腦卒中后運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)起重要作用。陳蕊等[18]應(yīng)用fNIRS 采集腦卒中患者在指鼻運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的大腦血紅蛋白信息，發(fā)現(xiàn)健側(cè)SMA、PMC 等區(qū)域在患病初期可能承擔(dān)代償作用，后期代償逐漸減弱。其他研究表明[19-21]，腦卒中患者PFC和雙側(cè)額頂葉皮質(zhì)都在雙腳行走、運(yùn)動(dòng)中起到重要作用，廣泛存在健側(cè)代償作用。然而，近年來(lái)也有人對(duì)健側(cè)半球代償作用持不同看法[22]，認(rèn)為存在先健側(cè)代償后患側(cè)代償?shù)哪Ｊ?。臨床研究證實(shí)[23-24]，功能區(qū)代償?shù)霓D(zhuǎn)移對(duì)患側(cè)肢體功能恢復(fù)也起著至關(guān)重要的作用。

fNIRS 是一種適合在運(yùn)動(dòng)任務(wù)中檢測(cè)大腦激活的腦成像技術(shù)，也有助于腦卒中患者的康復(fù)訓(xùn)練反饋[25]?？祻?fù)訓(xùn)練后健側(cè)功能區(qū)激活，可促進(jìn)患者運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)；兩側(cè)半球共同作用更有利于患者運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)。

1.2 診斷

fNIRS 因其具有非侵入性、無(wú)創(chuàng)性、成本低和實(shí)時(shí)可持續(xù)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，為臨床提供了一種簡(jiǎn)便的分析、診斷手段，廣泛應(yīng)用于腦的高級(jí)功能研究領(lǐng)域[26]。

陳衛(wèi)國(guó)等[27]應(yīng)用近紅外光大腦拓?fù)鋱D技術(shù)對(duì)老鼠腦梗死缺血部位進(jìn)行定位，拓?fù)鋱D顯示的缺血部位、面積與磁共振和解剖一致。fNIRS 也可以應(yīng)用到早產(chǎn)兒局部腦組織氧合血紅蛋白的檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)腦氧合異常，避免腦損傷發(fā)生[28]。Han 等[29]對(duì)腦梗死老年患者與健康老年人進(jìn)行靜息狀態(tài)下多頻段左右額葉含氧血紅蛋白(oxyhemoglobin,oxy-Hb)信號(hào)小波相干分析，發(fā)現(xiàn)腦梗死患者PFC 功能顯著減弱。Al-Rawi 等[30]發(fā)現(xiàn)，oxy-Hb信號(hào)的變化對(duì)腦梗死具有較高的敏感性和特異性。

2 其他神經(jīng)疾病

Watanabe 等[31]對(duì)難治性癲癇患者進(jìn)行長(zhǎng)程腦電監(jiān)測(cè)的同時(shí)，應(yīng)用fNIRS 監(jiān)測(cè)腦血容量變化，結(jié)果表明fNIRS 可以進(jìn)行癲癇病灶定位。

Asgari 等[32]運(yùn)用fNIRS 研究神經(jīng)膠質(zhì)瘤患者術(shù)中微血管血容量、血氧飽和度與腫瘤組織學(xué)特征以及患者存活之間的聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用fNIRS 可應(yīng)用于神經(jīng)膠質(zhì)瘤的診斷。在言語(yǔ)流暢性任務(wù)中，使用fNIRS 測(cè)量精神分裂癥、抑郁癥、健康人oxy-Hb 濃度，發(fā)現(xiàn)有顯著性差異[33]。精神分裂癥患者顳葉在任務(wù)開(kāi)始時(shí)oxy-Hb濃度變化慢，在任務(wù)的前半部分增加較少[34]，功能降低區(qū)域在前額葉；抑郁癥患者oxy-Hb 濃度在任務(wù)開(kāi)始時(shí)的陡峰比精神分裂癥患者更深，功能降低區(qū)域在背外側(cè)前額葉、腹外側(cè)前額葉；相對(duì)抑郁癥患者，精神分裂癥患者皮質(zhì)活動(dòng)更慢，降低幅度更大，這可能有助于鑒別精神分裂癥和抑郁癥。Song等[35]用fNIRS提取精神分裂癥患者和健康人的oxy-Hb信號(hào)構(gòu)建前額葉腦網(wǎng)絡(luò)，從中提取特征對(duì)精神分裂癥患者和健康人進(jìn)行分類(lèi)，總準(zhǔn)確率85.5%，其中對(duì)精神分裂癥患者的準(zhǔn)確率92.8%，對(duì)健康對(duì)照組的準(zhǔn)確率76.5%。fNIRS進(jìn)行腦功能成像結(jié)果更接近實(shí)際情況，被認(rèn)為是繼正電子斷層掃描、功能性磁共振成像等方法的重要補(bǔ)充[36]。Nagdyman等[37]利用fNIRS研究一名4歲女孩心臟驟停和成功復(fù)蘇過(guò)程中腦部oxy-Hb濃度的變化，表明fNIRS 測(cè)量復(fù)蘇期間腦氧合蛋白的實(shí)時(shí)信息，為疾病診斷和輔助治療提供幫助和指導(dǎo)。

3 小結(jié)

通過(guò)fNIRS 觀察康復(fù)訓(xùn)練中的腦激活情況，可為運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)的機(jī)制、診斷和預(yù)后研究提供工具，具有很大的應(yīng)用潛力。目前fNIRS 仍處于起步階段，研究的樣本量相對(duì)較少，大多數(shù)是橫斷面研究。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，各種腦成像技術(shù)也在不斷完善、創(chuàng)新。fNIRS 可以與其他技術(shù)相結(jié)合，探究大腦的整體機(jī)制。相信fNIRS 必然會(huì)在更多領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。