劉洋洋，姚柳葉，曹雪虹，李韙韜，錢志余△

(1.南京工程學(xué)院信息與通信工程學(xué)院，南京 210016;2.南京航空航天大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系，南京 211106)

1 引 言

1967 年，Mester[1]提出低能量光療，即利用紅光或者近紅外光源(波長(zhǎng)為 600～1 100 nm)來(lái)照射生物體，能促進(jìn)組織愈合、減輕炎癥[2]。光源通常為低能量激光或 LED，不會(huì)引起組織溫度明顯升高[3-4]。研究表明，近紅外發(fā)光二極管光照可以恢復(fù)受損組織的血液流動(dòng)，其潛在機(jī)制是依賴細(xì)胞色素C氧化酶在特定波長(zhǎng)(600～1 200 nm)內(nèi)吸收光子，增加三磷酸腺苷的產(chǎn)生，有學(xué)者認(rèn)為該光療可以調(diào)節(jié)早期反應(yīng)基因，激活活性氧，刺激細(xì)胞增殖[5]。然而，低能量光療機(jī)制仍不明確，在治療方案設(shè)計(jì)上存在沒(méi)有明確的波長(zhǎng)、頻率、治療時(shí)間等問(wèn)題，當(dāng)選擇的治療方案有偏差，則可能治療無(wú)效或者難以達(dá)到治療目的。

美國(guó)研究者提出利用閃爍LED實(shí)現(xiàn)阿爾茲海默癥的療法[6]，趙輝等[7]基于810 nm的近紅外光進(jìn)行了眼底病的治療研究，有研究者對(duì)光療的能量進(jìn)行研究[8-10]，光療的照射時(shí)間也是研究熱點(diǎn)[11-12]。然而，少有研究關(guān)注光療中的治療頻率?；谇叭说难芯砍晒狙芯刻岢龌诓煌l率的低能量近紅外LED光療評(píng)估。

通過(guò)四種刺激實(shí)驗(yàn)，LED閃爍頻率分別為0、5、10和20 Hz。首先獲得不同刺激狀態(tài)下的腦電數(shù)據(jù)，采用時(shí)頻分析方法觀察光刺激是否產(chǎn)生一定效果；然后分析不同刺激情況下腦電復(fù)雜度，研究整個(gè)刺激過(guò)程中的信號(hào)變化；最后基于不同通道，研究腦電復(fù)雜度值的響應(yīng)情況，為進(jìn)一步研究低能量光療機(jī)制和制定治療方案提供理論依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為50名志愿者(男30名，女20名，平均年齡23.5歲)。所有受試者身體健康，無(wú)心血管或神經(jīng)系統(tǒng)疾病。受試者平均分成5組，包括1個(gè)對(duì)照組和4個(gè)實(shí)驗(yàn)組，每組受試者分批次在室溫25℃的房間中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采集腦電信號(hào)。

2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

EEG信號(hào)采集設(shè)備采用的是Neuroscan腦電儀，電極分布為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(10～20導(dǎo)聯(lián)分布)，采樣頻率為1 000 Hz，皮膚阻抗低于30 KΩ，單極電極為右側(cè)乳突，接地電極置于Fz。腦電信號(hào)的采集與預(yù)處理使用Curry 7軟件完成。近紅外刺激系統(tǒng)采用LED光源(波長(zhǎng)810 nm)，可調(diào)節(jié)頻率為0～30 Hz，檢測(cè)器與光源在放置同側(cè)，實(shí)驗(yàn)時(shí)將近紅外刺激系統(tǒng)見(jiàn)圖1，置于測(cè)試人員的前額部位。

2.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及數(shù)據(jù)處理

對(duì)照組佩戴設(shè)備但無(wú)光照刺激，4個(gè)實(shí)驗(yàn)組分別進(jìn)行四種刺激實(shí)驗(yàn)，LED閃爍頻率分別為0、5、10和20 Hz，每次實(shí)驗(yàn)30 min。EEG信號(hào)特征參數(shù)提?。簩⒚總€(gè)人的EEG信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析，并求取相關(guān)復(fù)雜度，具體數(shù)據(jù)處理如下。

圖1 基于EEG信號(hào)檢測(cè)的近紅外刺激系統(tǒng)

(1)EEG時(shí)頻分析

光療前，分別記錄對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組光照前30 s數(shù)據(jù)求取平均值，然后采用小波變換算法對(duì)各組的EEG信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析[13-14]，作為各組光療前的時(shí)頻分析圖；光療后，分別記錄光照后30 s數(shù)據(jù)求取平均值，通過(guò)時(shí)頻分析得到各組光療后的時(shí)頻分析圖。

(2)基于時(shí)間的EEG復(fù)雜度分析

實(shí)驗(yàn)組中，光療進(jìn)行30 min，求取30 min內(nèi)EEG信號(hào)的復(fù)雜度進(jìn)行分析[15-16]。

(3)基于不同通道的EEG復(fù)雜度分析

光療前，對(duì)對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組的每個(gè)通道分別記錄光照前30 s數(shù)據(jù)，并求取平均值，將求取的腦電信號(hào)復(fù)雜度作為初始值A(chǔ)1；光療后，分別記錄光照后的30s數(shù)據(jù)，求取平均值，并將求取的腦電信號(hào)復(fù)雜度作為結(jié)束值A(chǔ)2；各通道分別求取差值(A=A2-A1)，進(jìn)行不同通道的信號(hào)復(fù)雜度分析。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 EEG時(shí)頻分析圖

圖2為對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組的腦電信號(hào)時(shí)頻分析圖，均為30 s數(shù)據(jù)。由圖2(a)、圖2(b)可以看出，對(duì)照組在無(wú)光照實(shí)驗(yàn)條件下，初始和最終的腦電信號(hào)重心頻率呈現(xiàn)略微下降趨勢(shì)(由10.7降到9.05)。不同實(shí)驗(yàn)組前后比較，在0、5、10 Hz的光照條件下，腦電信號(hào)重心頻率均呈現(xiàn)輕微上升趨勢(shì)，而在20 Hz的光照條件下，腦電信號(hào)重心頻率上升趨勢(shì)明顯(由10.8升至12.3)。與對(duì)照組相比，實(shí)驗(yàn)組變化趨勢(shì)明顯，并具有明顯的與光照頻率相關(guān)的變化規(guī)律，表明實(shí)驗(yàn)有效。

圖2 光療前后不同組別的EEG時(shí)頻分析圖

3.2 基于時(shí)間的EEG復(fù)雜度分析

圖3反映了30 min內(nèi)每間隔1 min的EEG復(fù)雜度，其中對(duì)照組的腦電信號(hào)復(fù)雜度比實(shí)驗(yàn)組的低(P<0.05)，對(duì)照組與實(shí)驗(yàn)組明顯處于兩個(gè)幅值范圍。對(duì)照組顯示隨著時(shí)間進(jìn)行，復(fù)雜度曲線呈現(xiàn)顯著的下降趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)組各組均呈現(xiàn)一種略微上升趨勢(shì)，幅值到達(dá)一定范圍后，曲線趨勢(shì)略微下降并趨于平緩，20 Hz實(shí)驗(yàn)組的EEG復(fù)雜度一直表現(xiàn)出較大的幅值，之后依次是10、5、0，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示不同的光照頻率引起的光療效果不同，且具有明顯的變化規(guī)律，與時(shí)頻分析結(jié)果一致。

3.3 基于不同通道的EEG復(fù)雜度分析

由圖4可知，對(duì)照組差異不明顯，而實(shí)驗(yàn)組在前額葉以及枕葉區(qū)域激活明顯。20 Hz組前額葉和枕葉幅值最大，變化最不明顯的是0 Hz組。結(jié)果表明，刺激主要引起前額葉和枕葉區(qū)域的變化，且隨著刺激頻率的升高，激活越明顯。

圖3 基于時(shí)間的EEG復(fù)雜度分析

(a)對(duì)照組EEG復(fù)雜度差值

(b)0 Hz實(shí)驗(yàn)組EEG復(fù)雜度差值

(c)5 Hz實(shí)驗(yàn)組EEG復(fù)雜度差值

(d)10 Hz實(shí)驗(yàn)組EEG復(fù)雜度差值

(e)20 Hz實(shí)驗(yàn)組EEG復(fù)雜度差值

4 討論

低能量近紅外LED光療是一種有效的治療手段，但因其治療機(jī)制尚不明確，目前還未廣泛應(yīng)用，本研究提出了基于不同頻率的低能量近紅外LED光療評(píng)估方法。由圖2可知，當(dāng)對(duì)照組中的受試者經(jīng)過(guò)無(wú)光照30 min等待后，采集到的腦電信號(hào)重心頻率略微下降，該現(xiàn)象可能是由大腦的疲勞度上升引起的，與實(shí)驗(yàn)前期的研究結(jié)果具有一致性[17-19]。

與對(duì)照組的時(shí)頻分析圖相比，實(shí)驗(yàn)組的頻率波段分布明顯上升，說(shuō)明低能量的光療具有一定效果。由圖3可知，對(duì)照組的腦電信號(hào)復(fù)雜度比實(shí)驗(yàn)組的低，具有明顯區(qū)分性。腦電信號(hào)的復(fù)雜度作為光療的一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，復(fù)雜度的高低與腦的活躍程度直接相關(guān)[20-22]。本研究提出不同頻率的光療是基于相同的光輻射能量，未考慮不同頻率與光能量之間的關(guān)系。是否給予不同頻率和不同光輻射能量后的光療效果更優(yōu)，將在后續(xù)研究中進(jìn)行探究。

分析30 min內(nèi)不同實(shí)驗(yàn)組腦電信號(hào)的復(fù)雜度變化，20 Hz實(shí)驗(yàn)組的EEG復(fù)雜度表現(xiàn)出較大的幅值，不同光照頻率引起的光療效果不同，若基于腦電信號(hào)的復(fù)雜度建模，即可推測(cè)出光療相關(guān)頻率波段。研究基于不同通道的EEG復(fù)雜度，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)組在前額葉以及枕葉區(qū)域激活明顯。光療主要在該部分腦區(qū)進(jìn)行，后續(xù)研究中可進(jìn)行多腦區(qū)的光療研究。

5 結(jié)論

本研究通過(guò)評(píng)估不同頻率低能量近紅外LED光療方法，為光療技術(shù)完善提供了新的思路。(1)對(duì)照組與實(shí)驗(yàn)組的腦電信號(hào)具有顯著差異性，表明采用的低能量近紅外LED光療具有有效性，時(shí)頻分析方法和復(fù)雜度分析方法豐富了光療的評(píng)估指標(biāo)。(2)進(jìn)行不同頻率(0、5、10、20 Hz)光療后，受試者的腦電信號(hào)具有差異性，復(fù)雜度等參數(shù)反映了不同頻率引起的腦活躍度，復(fù)雜度與頻率具有正相關(guān)性。(3)基于不同通道的EEG復(fù)雜度分析，在同一頻率不同通道以及同一通道不同頻率下的腦電信號(hào)復(fù)雜度具有差異性，進(jìn)一步表明光療的有效性。