基于时、频域的前额叶血氧浓度特征分析*

吴综，李浩，梁永波 ，陈真诚

(桂林电子科技大学，广西 桂林 541004)

1 引 言

由于近红外光谱技术具有安全、无创伤、以及高时间分辨率的特性，使得其在生物医学光子学领域的应用越来越广泛[1]。在1977年，Jobsis 发现生物组织对近红外光具有低吸收性，并首次使用近红外光谱技术来测量脑组织的血氧变化[2]，开创了利用近红外光谱技术测量血氧浓度变化的先河。目前，使用近红外光谱技术测量血氧参数的对象及其广泛，例如骨骼肌、乳腺组织、皮肤和脑组织等。脑是人体的控制中心，同时也是人体最复杂、功能最强的器官，参与人体的一切活动[3-4]。大脑前额叶作为大脑最重要的区域之一，有着非常广泛的神经联系，该区域与人的判断和记忆、操作、思考等作用息息相关，对人的行为和思维活动有着十分重要的作用[5]。经研究表明，人的特定的行为活动会激活大脑皮层对应的功能区域，从而导致该区域血氧浓度的变化，通过测量该区域的血氧状态，就能够对大脑的思维活动作出近似的评价[6-8]。此外，血红蛋白是氧运输的主要载体，人体新陈代谢的变化，会引起脱氧血红蛋白以及氧合血红蛋白的变化，所以测量大脑皮层血氧浓度的变化还有助于了解血氧的代谢功能，反映人的生理情况[9]。综上所述，通过对皮层的血氧浓度、光学参数以及血液动力学参数的准确测量，对分析大脑的高级功能，精神病患者的生理活动以及临床保护都具有重大意义。本研究以近红外光谱技术为基础，对21位受试者在运动想象、运动发生以及静息状态下前额叶血氧饱和度进行数据采集，分析处理，对深入研究思维活动与实际运动之间关系，以及大脑的活动机理都有着非常重要的意义；此外，由于个体生理差异的存在，脑机接口技术一直发展甚微，本研究也为脑机接口技术的进一步发展提供了一定的理论依据。

2 材料和方法

2.1 研究对象

随机选取21名大学生，其中11名男生，10名女生，年龄都在18～22岁之间，且身体健康，没有遗传病史和运动功能障碍等疾病。

2.2 研究方法

2.2.1实验原理 由于生物组织在近红外光波段体现出低吸收性以及很强的散射性，且对近红外光的散射作用具有高度前向性，以至于近红外光能够穿透头皮、颅骨、脑脊液，到达脑灰质层[10-11]。又氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白在近红外光波段具有不同的吸收特性，于是通过检测光强的变化就能够间接反映血氧浓度的变化，再结合修正的朗伯-比尔定律(Lambert-Beer)，就能够定量计算出血氧浓度的变化量[12]，计算公式如下：

Δ[HbO2]=

Δ[HHb]=

Δ[HbT]=Δ[HbO2]+Δ[HHb]

本实验采用美国NIRs Medical technologies公司生产的多功能近红外脑功能成像仪，使用760 nm和850 nm的双波长发光光源，对21名受试者在实验过程中大脑前额的血氧浓度变化进行实时检测，通过NIRStar软件进行数据采集，采样频率为7.81 Hz，使用nirsLAB软件对采集到的数据进行分析、处理。其中光源及传感器探头在大脑额部的分布见图1，采用对称分布的格局，8个光源和7个探测器之间形成20个采样通道，覆盖前额的整个区域，对各个方位的血氧信号进行全面采集。

图1光源及探测器在大脑额部的分布图及采样通道分布图(红色代表光源、黄色代表探测器)

Fig1Distributionoflightsourceanddetectorinthefrontalpartofthebrain(redrepresentsthelightsource,yellowrepresentsthedetector)

2.2.2实验流程 实验开始前先对受试者进行5～10 min的任务训练，任务为右脚做屈伸运动，频率为1 Hz。为了确保实验的规范性和准确性，本实验使用EPRIM软件提前制作一个动态的实验流程图，受试者在实验过程中只需要根据其提示做出相应的动作即可。由于不同的人、不同的时间段生理参数都有很大差异，因此，本实验对受试者在静息、运动想象、运动发生三种状态下的血氧浓度情况进行连续采集。为了防止外界噪音及外界光对血氧信号产生干扰，整个实验在一个安静、光线较暗的环境中进行，整个实验的时长为8 min，流程见图2。

图2 实验流程图

3 结果

3.1 时域分析

3.1.1空间配准 通过导入探头传感器的位置配置信息以及NIRStar采集到的原始数据，以修正的Beer-Lambert定律为基本原理，nirsLAB软件就能计算出每个通道的血液动力学状态。同时通过nirsLAB软件自带的3D定位及成像工具，将20个采样通道和受试者的前额进行精确的空间配准，使得每个采样通道血氧浓度的变化都反映到对应的前额位置，并以颜色的变化来表示血氧浓度的增大和减小。本研究以氧合血红蛋白为例，在不同状态下氧合血红蛋白浓度的变化情况见图3，右侧条形图颜色由蓝至红依次表示氧合血红蛋白相对含量的变化情况，负值表示浓度减小，正值表示浓度增加。由图可知，运动想象和实际运动都会引起前额叶氧合血红蛋白浓度的显著增加，且运动想象引起的血氧浓度变化更加显著。

图3从左到右依次为静息状态、实际运动状态、想象运动状态氧合血红蛋相对含量3D成像图

Fig3The3Dimagingofrelativecontentofoxygenatedhemoglobinoffromlefttoright,therestingstateandtheactualstateofmotion

3.1.2曲线分析 选择图3所示激活区域的通道，本研究以通道3为例，即图1右图中蓝色通道，使用Plot工具描绘出该激活区域氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白、总血红蛋白的相对含量变化曲线图见图4，其中纵轴表示浓度，单位为mmol/L，横轴表示时间,单位为s。曲线图将每一时刻血氧浓度的变化量和时间点一一对应起来，非常直观的显示出HbO2、Hb、total Hb在不同状态下的变化趋势。由图可知，在静息状态下血氧浓度维持相对稳定，而在任务阶段，氧合血红蛋白的浓度会逐渐增加，脱氧血红蛋白的浓度会逐渐降低，且在想象运动状态下的变化量更加显著。

3.1.3统计分析 运用spss19.0数值统计软件，定量计算21名受试者在运动想象、运动执行以及静息状态下血红蛋白相对含量变化的平均值见表1。

对21名受试者在静息状态、想象运动状态、实际运动状态下的血红蛋白相对含量两两之间做配对样品t检验，得出如下结论：运动发生时，大脑额部的血氧饱和度与静息状态下相比具有显著性差异(P<0.01)；想象运动状态下大脑额部的血氧饱和度与静息状态下相比也具有显著性差异(P<0.01)；想象运动状态下的血氧饱和度与实际运动状态下相比具有显著性差异(P<0.05)。

HbO2HbHbtotal静息状态-0.2061E-3±0.000190.0200E-3±0.00021-0.2977E-3±0.00041实际运动状态0.5181E-3±0.00059-0.0862E-3±0.000150.4319E-3±0.00018想象运动状态0.1153E-3±0.00101-0.0235E-3±0.000670.0918E-3±0.00110

3.2 频域分析

使用MATLAB对静息、运动想象、运动执行三种状态下的氧合血红蛋白相对含量分别作傅里叶变换，得到的频谱图见图5，其中(a)、(b)、(c)分别表示静息状态、运动想象、运动执行下的频谱图。由于个体生理差异的存在，每个受试者的频谱图都不尽相同，图5只是随机选取的三幅图。但从频率的分布可以发现，不管是在任务状态下还是在静息状态下，氧合血红蛋白浓度变化的频率分布在0～0.1 Hz之间。由于人的呼吸频率一般在0.25 Hz左右，心跳频率在1 Hz左右，因此利用低通滤波能有效滤除呼吸、心跳等生理活动的影响，该结论将有助于脑机接口技术的开发。

图4HbO2、Hb、totalHb相对含量变化曲线图

Fig4Thechangeofrelativecontentofoxygenatedhemoglobin,deoxygenatedhemoglobinandtotalhemoglobin

图5 氧合血红蛋白的傅里叶谱图

4 讨论

随着科技技术的进步和发展，生命科学已经成为众学科中一个非常重要的学科。人脑是人体的控制中枢，对人的生命活动起着绝对的控制作用。然而，前额叶是大脑最重要的组成之一，与人的思维、操作、判断等功能息息相关[13]，探讨前额叶血氧浓度变化的特点，不仅有助于深度研究脑功能机理，而且还能为脑卒中患者的康复治疗提供一定的理论依据[14-15]。本实验使用多功能近红外脑功能成像仪对21名受试者在下肢运动和想象下肢运动时的前额叶血氧饱和度进行数据采集，由于每个人的生理参数各不相同，以及外界环境未知因素的影响，本实验中所测得的血氧浓度均为相对值，而非绝对值。通过对实验数据进行时域和频域分析，由于个体生理差异的存在，使得结果不尽相同，但是整体特征都具有统一性，具体表现为：在任务状态下的前额叶血氧饱和度会明显提高，且运动想象比实际运动更能激活双侧额叶前区，而血氧浓度变化的频率一般在0.1 Hz以下。该结论对于深度探究脑认知机理，思维与运动之间的联系提供了一定的基础，同时也有助于脑机接口技术的进一步发展。