功能性近红外光谱技术在神经疾病中的应用

崔威，李春光，徐嘉诚，何刘进，孙立宁

苏州大学江苏省机器人技术与系统重点实验室，江苏苏州市 215000

我国脑卒中发病率、致死率、致残率以及复发率高，患者年轻化趋势明显[1]。脑卒中患者多遗留不同程度运动功能障碍，早期康复能明显改善脑卒中患者的运动功能和日常生活活动能力，提高生活质量[2]。

功能性近红外光谱技术(functional near-infrared spectroscopy,fNIRS)是一种非侵入式脑成像技术，可以检测大脑皮质血流动力学变化，具有较好的时间分辨率[3]，成本低，不受环境影响，广泛应用于精神分裂症、癫痫、帕金森病等的研究中，在人体肌肉[4]、脑血流的生理研究[5]，认知科学，康复和脑机接口[6]等领域也得到广泛应用。本文综述fNIRS 在脑卒中患者运动功能评价中的应用，以及fNIRS 在脑卒中和其他神经疾病诊断中的应用。

1 脑卒中

1.1 运动功能与脑区激活

Miyai等[7]应用fNIRS测量初发脑卒中患者康复期间跑步机上行走时皮质激活情况，发现脑卒中后运动功能恢复与感觉运动区(sensory motor cortex,SMC)激活的不对称性改善和患侧前运动皮质(premotor cortex,PMC)激活增强有较大关联。Lo 等[8]使用fNIRS 研究脑卒中患者和健康人在不同强度刺激下皮质激活情况，发现健康人在高强度刺激下皮质区整体上没有激活，而脑卒中患者在不同强度刺激下，PMC、SMC、辅助运动区(supplementary motor area,SMA)和第二感觉皮质(S2)激活，低强度刺激下的S2区激活强度高于无刺激和高强度刺激。

虚拟现实技术等康复训练能促进脑卒中患者上肢功能改善[9]。Kober 等[10]基于fNIRS 进行右手握球运动的图像反馈研究，实验组观看自已的皮质活动获得真实反馈，对照组观看他人的视频获得虚假反馈，发现真实反馈诱发左侧运动区高度激活，虚假反馈导致整个皮质分散激活。

Lin 等[11]应用fNIRS 测量脑卒中患者在主动和辅助骑行过程中的速度反馈皮质激活，发现速度反馈增强PMC 激活，大脑血液循环改善。Mihara 等[12]使用fNIRS 研究发现，脑卒中患者在平台快速向前、向后移动干扰时，顶叶皮质、SMA 和前额叶皮质(prefrontal cortex,PFC)激活，这些区域对患者的平衡控制必不可少。Fujimoto 等[13]使用fNIRS 测定脑卒中患者纵向区域皮质激活，发现强化康复后，双侧SMA 与扰动相关的激活显著增加，SMA在身体平衡控制中发挥重要作用。

大脑患侧激活改善大脑半球活动的平衡性。随着脑卒中患者运动功能的恢复，左右半球主运动区的对称性得以改善。此外，在患者运动功能恢复过程中，PFC 和SMA 对运动平衡控制起重要作用。大脑是一个复杂的网络结构，各脑区相互连接，应该整体看待功能障碍而不能仅仅局限于某一受损脑区。贾杰[14]提出“上下肢一体化”整体康复新理念，获得更好地康复效果。所以我们应综合评估整体的功能障碍并且进行个性化干预，而不是只考虑受损区域。

Kato 等[15]同时使用fMRI 和fNIRS 研究脑梗死患者双手运动期间皮质激活情况，发现患侧手同侧半球对应功能区激活，可能有助于患者手部运动功能的恢复。Saita 等[16]用fNIRS 研究小脑卒中患者语言流畅性任务时皮质活动的变化，发现患侧前额叶有限激活，健侧对应功能区代偿对运动功能的恢复起主要作用。Takeda 等[17]用fNIRS 研究脑梗死后偏瘫恢复过程中运动激活区域的变化，发现早期患肢同侧(健侧)半球运动激活短暂增加可能对脑卒中后运动功能恢复起重要作用。陈蕊等[18]应用fNIRS 采集脑卒中患者在指鼻运动过程中的大脑血红蛋白信息，发现健侧SMA、PMC 等区域在患病初期可能承担代偿作用，后期代偿逐渐减弱。其他研究表明[19-21]，脑卒中患者PFC和双侧额顶叶皮质都在双脚行走、运动中起到重要作用，广泛存在健侧代偿作用。然而，近年来也有人对健侧半球代偿作用持不同看法[22]，认为存在先健侧代偿后患侧代偿的模式。临床研究证实[23-24]，功能区代偿的转移对患侧肢体功能恢复也起着至关重要的作用。

fNIRS 是一种适合在运动任务中检测大脑激活的脑成像技术，也有助于脑卒中患者的康复训练反馈[25]。康复训练后健侧功能区激活，可促进患者运动功能的恢复；两侧半球共同作用更有利于患者运动功能的恢复。

1.2 诊断

fNIRS 因其具有非侵入性、无创性、成本低和实时可持续检测等优点，为临床提供了一种简便的分析、诊断手段，广泛应用于脑的高级功能研究领域[26]。

陈卫国等[27]应用近红外光大脑拓扑图技术对老鼠脑梗死缺血部位进行定位，拓扑图显示的缺血部位、面积与磁共振和解剖一致。fNIRS 也可以应用到早产儿局部脑组织氧合血红蛋白的检测，及时发现脑氧合异常，避免脑损伤发生[28]。Han 等[29]对脑梗死老年患者与健康老年人进行静息状态下多频段左右额叶含氧血红蛋白(oxyhemoglobin,oxy-Hb)信号小波相干分析，发现脑梗死患者PFC 功能显著减弱。Al-Rawi 等[30]发现，oxy-Hb信号的变化对脑梗死具有较高的敏感性和特异性。

2 其他神经疾病

Watanabe 等[31]对难治性癫痫患者进行长程脑电监测的同时，应用fNIRS 监测脑血容量变化，结果表明fNIRS 可以进行癫痫病灶定位。

Asgari 等[32]运用fNIRS 研究神经胶质瘤患者术中微血管血容量、血氧饱和度与肿瘤组织学特征以及患者存活之间的联系，发现应用fNIRS 可应用于神经胶质瘤的诊断。在言语流畅性任务中，使用fNIRS 测量精神分裂症、抑郁症、健康人oxy-Hb 浓度，发现有显著性差异[33]。精神分裂症患者颞叶在任务开始时oxy-Hb浓度变化慢，在任务的前半部分增加较少[34]，功能降低区域在前额叶；抑郁症患者oxy-Hb 浓度在任务开始时的陡峰比精神分裂症患者更深，功能降低区域在背外侧前额叶、腹外侧前额叶；相对抑郁症患者，精神分裂症患者皮质活动更慢，降低幅度更大，这可能有助于鉴别精神分裂症和抑郁症。Song等[35]用fNIRS提取精神分裂症患者和健康人的oxy-Hb信号构建前额叶脑网络，从中提取特征对精神分裂症患者和健康人进行分类，总准确率85.5%，其中对精神分裂症患者的准确率92.8%，对健康对照组的准确率76.5%。fNIRS进行脑功能成像结果更接近实际情况，被认为是继正电子断层扫描、功能性磁共振成像等方法的重要补充[36]。Nagdyman等[37]利用fNIRS研究一名4岁女孩心脏骤停和成功复苏过程中脑部oxy-Hb浓度的变化，表明fNIRS 测量复苏期间脑氧合蛋白的实时信息，为疾病诊断和辅助治疗提供帮助和指导。

3 小结

通过fNIRS 观察康复训练中的脑激活情况，可为运动功能恢复的机制、诊断和预后研究提供工具，具有很大的应用潜力。目前fNIRS 仍处于起步阶段，研究的样本量相对较少，大多数是横断面研究。随着现代科技的发展，各种脑成像技术也在不断完善、创新。fNIRS 可以与其他技术相结合，探究大脑的整体机制。相信fNIRS 必然会在更多领域发挥越来越重要的作用。