吳麗芳，湯奕林，羅錦川，歐陽林

視覺疲勞是由于長時間用眼(如高度緊張地目視、用眼過度等)之后出現(xiàn)視模糊、眼脹、干澀、流淚、眼眶酸痛等眼部癥狀，嚴(yán)重時會發(fā)展為頭痛、眩暈、乏力等全身不適的一種綜合癥狀[1]。目前，對視覺疲勞的研究大多基于視屏終端(visual display terminal，VDT)工作(長時間注視電腦屏幕)、各種顯示器引起的視覺疲勞，即眼睛自由開合狀態(tài)下長時間使用眼睛造成的視覺疲勞，而對于長時間眼睛高度緊張注視前方(如飛行員、司機(jī)、狙擊手等)等引起的定向視覺疲勞缺乏探索[2]。另外，在功能磁共振與視覺的研究上，已進(jìn)行大量研究，利用血氧水平依賴成像(blood oxygen level dependence，BOLD)，確定大腦視覺功能區(qū)位于枕葉矩狀裂雙側(cè)皮層，屬于布勞德曼第17區(qū)(the 17th area of Brodmann，BA17，亦稱紋狀體，位于楔葉、舌回)，屬于初級視覺皮層，然后視覺信息又傳至視覺聯(lián)合皮層(BA18、19區(qū)又稱紋狀前皮質(zhì)，位于枕葉外側(cè))，均位于大腦枕葉[3-4]，而其他功能磁共振的視覺研究比較少見，如磁敏感成像(susceptibility weighted imaging，SWI)、腦血流速(cerebral blood flow，CBF)等。筆者就定向視覺疲勞進(jìn)行探索，設(shè)計三種視覺狀態(tài)，定向視覺狀態(tài)(控制眨眼注視前方固定目標(biāo))、自由視覺狀態(tài)(自由眨眼注視前方非固定目標(biāo))和閉眼靜息狀態(tài)(作為實驗基線值)，應(yīng)用功能磁共振(magnetic resonance imaging，MRI)技術(shù)，包括CBF和SWI，評價受試者視覺疲勞時視區(qū)腦血流與氧飽和度水平的改變。

1 材料與方法

1.1 研究對象

21名健康志愿者參加本研究，其中男11名，女10名，平均年齡為(26±4)歲，身高(171.8±8.4) cm，體重(60±7.5) kg。納入標(biāo)準(zhǔn)：(1)其裸眼視力或矯正視力均在1.0以上；(2)具有良好理解力與配合力。排除標(biāo)準(zhǔn)：(1)體內(nèi)含金屬物質(zhì)如血管支架、心臟起搏器等，或幽閉恐懼癥等無法接受磁共振檢查人群；(2)注意力缺陷，無法配合完成實驗的人群；(3)既往患有眼疾病史。本研究通過中國人民解放軍聯(lián)勤保障部隊第九〇九醫(yī)院(廈門大學(xué)附屬東南醫(yī)院)醫(yī)學(xué)倫理委員會同意。試驗前讓所有實驗者了解實驗內(nèi)容與步驟，征求他們的配合并簽訂知情同意書。

1.2 研究方法

儀器為Siemens Verio 3.0 T核磁共振成像儀(Siemens Corporation，Bolin，German)，掃描參數(shù)見表1。

1.3 實驗方法

被試者實驗前被征得配合和簽訂知情同意書。在實驗測試前，被試接受實驗訓(xùn)練，包括控制眨眼、定向注視訓(xùn)練和靜心凝神。實驗測試安排在完成實驗訓(xùn)練的第二天。實驗在一間安靜的磁共振掃描儀機(jī)房內(nèi)進(jìn)行，光線調(diào)節(jié)至室內(nèi)自然光強(qiáng)度。刺激為一個直徑5 cm天藍(lán)色圓形圖案，貼在患者視覺正前方的磁共振成像儀掃描機(jī)架內(nèi)壁，被試距離刺激的距離為60 cm。實驗過程中利用掃描儀頭托固定患者頭部正向前，軀干及四肢制動，保持心情平靜、神志清楚、排除雜念。

實驗開始前，被試平躺在掃描床上保持閉眼靜息5 min調(diào)整狀態(tài)，之后進(jìn)行定向視覺實驗，被試被要求保持不眨眼注視正前方刺激，以開始感覺視覺疲勞時為定向視覺疲勞時間(visual fatigue time，VFT)，立即掃描測試，到掃描結(jié)束時為實驗終止時間(掃描期間如果被試不能堅持，允許被試閉眼休息)。定向視覺疲勞實驗終止時間之后閉眼靜息5 min，再進(jìn)入閉眼靜息實驗，以定向視覺的VFT為掃描測試開始時間。同樣，完成閉眼視覺實驗終止時間之后閉眼靜息5 min，再進(jìn)入自由視覺實驗，同樣是以定向視覺的VFT為掃描測試開始時間。實驗技術(shù)路線圖見圖1。

1.4 圖像分析與數(shù)據(jù)收集

根據(jù)文獻(xiàn)，大腦視覺功能區(qū)位于枕葉，包括枕葉距狀裂兩側(cè)皮層(BA17區(qū))及枕葉外側(cè)(BA18、19區(qū))[3]，本實驗選取顱腦橫斷面中該區(qū)最大層面為興趣區(qū)。分別采集三種狀態(tài)的圖像后，使用磁共振掃描儀自帶后處理軟件測量圖像，分別獲取三種狀態(tài)兩側(cè)視覺皮層興趣區(qū)CBF及SWI相位值，邊緣部位注意沿皮質(zhì)下勾畫、避開周圍腦池和顱骨(圖2，3)。兩名從事腦功能磁共振成像工作的醫(yī)師A (工作10年，副主任醫(yī)師)和B (工作5年，主治醫(yī)師)共同分析圖像，采用討論一致性確定最終結(jié)果。

表1 視覺疲勞試驗中腦視區(qū)磁共振成像參數(shù)Tab. 1 Magnetic resonance imaging parameters of the brain visual area in visual fatigue test

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計學(xué)分析

表2 三次視覺試驗中視覺皮層興趣區(qū)面積大小(mm2)及一致性評價Tab. 2 The visual cortex area of interest (mm2) and consistency evaluation in three visual tests

2 結(jié)果

2.1 視覺實驗疲勞評價

21名被試均成功完成全部實驗過程。被試經(jīng)過訓(xùn)練，定向視覺疲勞延長，訓(xùn)練階段為(35±15) s，測試階段為(50±6) s，組間差異不顯著(t=1.97，P=0.07)。在定向視覺測試階段VFT，21名被試均不同程度出現(xiàn)視覺疲勞癥狀，其中12名出現(xiàn)眩暈、頭痛感，這些嚴(yán)重被試者根據(jù)實驗前協(xié)議立即閉眼放松休息。在自由視覺狀態(tài)和閉眼靜息中，同等時間內(nèi)沒有1名感到視覺疲勞癥狀。

2.2 視覺實驗中視覺皮層興趣區(qū)面積一致性評價

A和B醫(yī)師共同判讀圖像和確定視區(qū)興趣區(qū)范圍，基于經(jīng)驗，在討論一致性的基礎(chǔ)上繪制兩側(cè)的視覺皮層興趣區(qū)并允許修正繪制線形態(tài)輪廓，以達(dá)到左、右兩側(cè)興趣區(qū)形態(tài)、范圍盡可能一致，以及三次視覺實驗中興趣區(qū)形態(tài)、范圍盡可能相同(表2)。

表3 不同視視覺狀態(tài)區(qū)CBF和SWI相位值改變情況Tab. 3 CBF and SWI phase value changes in different visual states in the visual cortex

2.3 三種視覺狀態(tài)實驗中視區(qū)CBF和SWI相位值評價

在三種視覺狀態(tài)各自的雙側(cè)視覺皮層興趣區(qū)面積以及三次實驗之間的視區(qū)興趣區(qū)面積一致性的基礎(chǔ)上，測量被試三種視覺狀態(tài)的CBF和SWI相位值，將各自視覺狀態(tài)的雙側(cè)興趣區(qū)測量值之和作為該狀態(tài)的視覺皮層區(qū)CBF和SWI測量值(表3；圖2，3)。

總體改變趨勢，以定向視覺VFT為測量時間點，以閉眼靜息狀態(tài)為基線值，則自由視覺運動引起視區(qū)CBF明顯升高(P=0.05)，但定向視覺視區(qū)CBF反而顯著下降(P＜0.001)；SWI相位值在自由視覺狀態(tài)比閉眼靜息狀態(tài)升高不顯著(P=0.10)，而在定向視覺疲勞時顯著升高(P＜0.05)(圖4)。

從個體改變分布特點分析，以定向視覺VFT為測量時間點，本實驗中21名被試的CBF測量值均表現(xiàn)為自由視覺狀態(tài)視區(qū)CBF高于閉眼狀態(tài)，而定向視覺狀態(tài)的低于閉眼狀態(tài)；自由視覺狀態(tài)SWI相位值散點曲線與閉眼狀態(tài)的基本處于同一水平區(qū)域，部分點值重合(升高不顯著)，但定向視覺狀態(tài)的SWI相位值三點曲線水平明顯升高(圖5)。

3 討論

磁共振腦功能成像是近些年來在常規(guī)磁共振成像基礎(chǔ)上快速發(fā)展起來的一種成像技術(shù)[5-7]。有學(xué)者于1990年首先提出BOLD概念[8]，接著有報告由血氧T2效應(yīng)設(shè)計出相應(yīng)刺激任務(wù)并獲得視覺功能區(qū)激活的功能圖像[9-12]，其成像原理是當(dāng)大腦受到視覺刺激時，鄰近血管床的血流量及血容量增加，并高于局部氧代謝所需的量，即活動區(qū)脫氧血紅蛋白與氧化蛋白的比值減少。目前，視覺領(lǐng)域是神經(jīng)生理研究的最透徹的課題之一，視覺神經(jīng)通路的非高級中樞現(xiàn)在已非常明確，即枕葉。基于BOLD技術(shù)，學(xué)者們也在磁共振上找到相應(yīng)的定位，初級視覺皮層即位于枕葉矩狀裂雙側(cè)皮層(BA17區(qū))及次級視覺皮層(BA18區(qū)、BA19區(qū))。這是研究測量CBF及SWI相位值區(qū)域選擇的理論基礎(chǔ)。

3.1 動脈自旋標(biāo)記技術(shù)及CBF結(jié)果的釋義

動脈自旋標(biāo)記技術(shù)(arterial spin labeling technique，ASL)是一種安全無害，不需要注射對比劑，便能反映血管內(nèi)血流情況的一種技術(shù)，該技術(shù)首先由Detre等于1992年提出[13]，其原理如下：血液流入組織中，如果其自旋狀態(tài)與組織原有的血液不同時，就會引起整體磁化強(qiáng)度的改變，這種變化可被磁共振成像儀檢測出[14-15]。ASL技術(shù)利用動脈血中的水作為一種內(nèi)源性示蹤劑，在成像平面上游利用反轉(zhuǎn)脈沖對動脈血進(jìn)行標(biāo)記，使血液的自旋狀態(tài)發(fā)生改變，待到達(dá)成像平面后，含有標(biāo)記的動脈血的圖像稱為標(biāo)記像，標(biāo)記像與沒有反轉(zhuǎn)標(biāo)記的控制像相減，即可得到灌注圖像，再通過一定的數(shù)學(xué)模型，可定量測量CBF值[16-17]。本研究利用此技術(shù)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)定向視覺疲勞時，其視區(qū)CBF值顯著下降，與同樣時間的自由視覺狀態(tài)和閉眼靜息狀態(tài)之間的差異有顯著性意義；推測可能是由于大腦自我調(diào)節(jié)負(fù)反饋狀態(tài)，迫使大腦接受休息指令，緩解視覺疲勞壓力。但是同樣時間情況下，正常睜眼自由視覺狀態(tài)較自由閉眼靜息狀態(tài)時視區(qū)CBF值增加，這符合大腦受到視覺刺激時，鄰近血管床的血流量及血容量增加的理論解釋[8，10]。本研究結(jié)果顯示了定向視覺疲勞則引起視區(qū)血流快速下降。

3.2 磁敏感技術(shù)及其相位值結(jié)果的釋義

SWI是另一種腦功能磁共振技術(shù)，其原理是利用不同組織之間的磁敏感度差異產(chǎn)生信號對比，本質(zhì)是高空間分辨力的三維梯度回波序列，反映的是小靜脈血流中的脫氧血紅蛋白含量[18-21]，本研究中，自由視覺時SWI相位值雖有所延長，但與閉眼靜息的比較，不具有統(tǒng)計學(xué)意義，可能是由于自由視覺時視區(qū)腦組織氧耗量需求更大，引起動脈血流量增加，補(bǔ)償了組織微循環(huán)中氧飽和度，使視覺皮層區(qū)小靜脈的脫氧血紅蛋白比例增加不明顯，故差異不顯著；然而，定向視覺中腦組織氧耗量急劇增大，早期可能存在應(yīng)急代償機(jī)制，腦小靜脈擴(kuò)張，增加靜脈血流量，加速無氧代謝物的排出，后期則無氧代謝產(chǎn)物積聚，反射性刺激微循環(huán)小動脈收縮，引起血流量下降。

3.3 結(jié)論及不足

本研究只是初步探索了整體視區(qū)三種視覺狀態(tài)時CBF、SWI相位值的改變，而對被試情緒、認(rèn)知狀態(tài)、注意力等因素缺乏關(guān)注，而且未將初級視覺皮層及次級視覺皮層分開測量分析，今后需多方面因素綜合分析及進(jìn)一步探索初級及次級視覺皮層的差異。

綜上所述，本研究發(fā)現(xiàn)人體定向視覺狀態(tài)容易引起腦視覺皮層區(qū)動脈血流量減少和靜脈中脫氧血紅蛋白增加(氧飽和度下降)，這或許是視覺疲勞的病理生理基礎(chǔ)，但本研究也顯示訓(xùn)練可以延長定向視覺疲勞時間。本研究利用安全無創(chuàng)的功能磁共振技術(shù)闡述了定向視覺、閉眼靜息和自由視覺狀態(tài)中視區(qū)的血流及血氧變化情況，具有一定的新穎性，為一些特殊職業(yè)的技能提高培訓(xùn)和差錯防范提供了一定的理論依據(jù)。

利益沖突：無。