基于不同频率的低能量近红外光疗评估*

刘洋洋，姚柳叶，曹雪虹，李韪韬，钱志余△

(1.南京工程学院信息与通信工程学院，南京 210016;2.南京航空航天大学生物医学工程系，南京 211106)

1 引 言

1967 年，Mester[1]提出低能量光疗，即利用红光或者近红外光源(波长为 600～1 100 nm)来照射生物体，能促进组织愈合、减轻炎症[2]。光源通常为低能量激光或 LED，不会引起组织温度明显升高[3-4]。研究表明，近红外发光二极管光照可以恢复受损组织的血液流动，其潜在机制是依赖细胞色素C氧化酶在特定波长(600～1 200 nm)内吸收光子，增加三磷酸腺苷的产生，有学者认为该光疗可以调节早期反应基因，激活活性氧，刺激细胞增殖[5]。然而，低能量光疗机制仍不明确，在治疗方案设计上存在没有明确的波长、频率、治疗时间等问题，当选择的治疗方案有偏差，则可能治疗无效或者难以达到治疗目的。

美国研究者提出利用闪烁LED实现阿尔兹海默症的疗法[6]，赵辉等[7]基于810 nm的近红外光进行了眼底病的治疗研究，有研究者对光疗的能量进行研究[8-10]，光疗的照射时间也是研究热点[11-12]。然而，少有研究关注光疗中的治疗频率。基于前人的研究成果，本研究提出基于不同频率的低能量近红外LED光疗评估。

通过四种刺激实验，LED闪烁频率分别为0、5、10和20 Hz。首先获得不同刺激状态下的脑电数据，采用时频分析方法观察光刺激是否产生一定效果；然后分析不同刺激情况下脑电复杂度，研究整个刺激过程中的信号变化；最后基于不同通道，研究脑电复杂度值的响应情况，为进一步研究低能量光疗机制和制定治疗方案提供理论依据。

2 实验方法

2.1 实验对象

实验对象为50名志愿者(男30名，女20名，平均年龄23.5岁)。所有受试者身体健康，无心血管或神经系统疾病。受试者平均分成5组，包括1个对照组和4个实验组，每组受试者分批次在室温25℃的房间中进行实验，实验过程中采集脑电信号。

2.2 实验系统

EEG信号采集设备采用的是Neuroscan脑电仪，电极分布为国际标准(10～20导联分布)，采样频率为1 000 Hz，皮肤阻抗低于30 KΩ，单极电极为右侧乳突，接地电极置于Fz。脑电信号的采集与预处理使用Curry 7软件完成。近红外刺激系统采用LED光源(波长810 nm)，可调节频率为0～30 Hz，检测器与光源在放置同侧，实验时将近红外刺激系统见图1，置于测试人员的前额部位。

2.3 实验过程及数据处理

对照组佩戴设备但无光照刺激，4个实验组分别进行四种刺激实验，LED闪烁频率分别为0、5、10和20 Hz，每次实验30 min。EEG信号特征参数提取：将每个人的EEG信号进行时频分析，并求取相关复杂度，具体数据处理如下。

图1 基于EEG信号检测的近红外刺激系统

(1)EEG时频分析

光疗前，分别记录对照组和实验组光照前30 s数据求取平均值，然后采用小波变换算法对各组的EEG信号进行时频分析[13-14]，作为各组光疗前的时频分析图；光疗后，分别记录光照后30 s数据求取平均值，通过时频分析得到各组光疗后的时频分析图。

(2)基于时间的EEG复杂度分析

实验组中，光疗进行30 min，求取30 min内EEG信号的复杂度进行分析[15-16]。

(3)基于不同通道的EEG复杂度分析

光疗前，对对照组和实验组的每个通道分别记录光照前30 s数据，并求取平均值，将求取的脑电信号复杂度作为初始值A1；光疗后，分别记录光照后的30s数据，求取平均值，并将求取的脑电信号复杂度作为结束值A2；各通道分别求取差值(A=A2-A1)，进行不同通道的信号复杂度分析。

3 实验结果

3.1 EEG时频分析图

图2为对照组和实验组的脑电信号时频分析图，均为30 s数据。由图2(a)、图2(b)可以看出，对照组在无光照实验条件下，初始和最终的脑电信号重心频率呈现略微下降趋势(由10.7降到9.05)。不同实验组前后比较，在0、5、10 Hz的光照条件下，脑电信号重心频率均呈现轻微上升趋势，而在20 Hz的光照条件下，脑电信号重心频率上升趋势明显(由10.8升至12.3)。与对照组相比，实验组变化趋势明显，并具有明显的与光照频率相关的变化规律，表明实验有效。

图2 光疗前后不同组别的EEG时频分析图

3.2 基于时间的EEG复杂度分析

图3反映了30 min内每间隔1 min的EEG复杂度，其中对照组的脑电信号复杂度比实验组的低(P<0.05)，对照组与实验组明显处于两个幅值范围。对照组显示随着时间进行，复杂度曲线呈现显著的下降趋势。实验组各组均呈现一种略微上升趋势，幅值到达一定范围后，曲线趋势略微下降并趋于平缓，20 Hz实验组的EEG复杂度一直表现出较大的幅值，之后依次是10、5、0，实验结果显示不同的光照频率引起的光疗效果不同，且具有明显的变化规律，与时频分析结果一致。

3.3 基于不同通道的EEG复杂度分析

由图4可知，对照组差异不明显，而实验组在前额叶以及枕叶区域激活明显。20 Hz组前额叶和枕叶幅值最大，变化最不明显的是0 Hz组。结果表明，刺激主要引起前额叶和枕叶区域的变化，且随着刺激频率的升高，激活越明显。

图3 基于时间的EEG复杂度分析

(a)对照组EEG复杂度差值

(b)0 Hz实验组EEG复杂度差值

(c)5 Hz实验组EEG复杂度差值

(d)10 Hz实验组EEG复杂度差值

(e)20 Hz实验组EEG复杂度差值

4 讨论

低能量近红外LED光疗是一种有效的治疗手段，但因其治疗机制尚不明确，目前还未广泛应用，本研究提出了基于不同频率的低能量近红外LED光疗评估方法。由图2可知，当对照组中的受试者经过无光照30 min等待后，采集到的脑电信号重心频率略微下降，该现象可能是由大脑的疲劳度上升引起的，与实验前期的研究结果具有一致性[17-19]。

与对照组的时频分析图相比，实验组的频率波段分布明显上升，说明低能量的光疗具有一定效果。由图3可知，对照组的脑电信号复杂度比实验组的低，具有明显区分性。脑电信号的复杂度作为光疗的一个评价指标，复杂度的高低与脑的活跃程度直接相关[20-22]。本研究提出不同频率的光疗是基于相同的光辐射能量，未考虑不同频率与光能量之间的关系。是否给予不同频率和不同光辐射能量后的光疗效果更优，将在后续研究中进行探究。

分析30 min内不同实验组脑电信号的复杂度变化，20 Hz实验组的EEG复杂度表现出较大的幅值，不同光照频率引起的光疗效果不同，若基于脑电信号的复杂度建模，即可推测出光疗相关频率波段。研究基于不同通道的EEG复杂度，发现实验组在前额叶以及枕叶区域激活明显。光疗主要在该部分脑区进行，后续研究中可进行多脑区的光疗研究。

5 结论

本研究通过评估不同频率低能量近红外LED光疗方法，为光疗技术完善提供了新的思路。(1)对照组与实验组的脑电信号具有显著差异性，表明采用的低能量近红外LED光疗具有有效性，时频分析方法和复杂度分析方法丰富了光疗的评估指标。(2)进行不同频率(0、5、10、20 Hz)光疗后，受试者的脑电信号具有差异性，复杂度等参数反映了不同频率引起的脑活跃度，复杂度与频率具有正相关性。(3)基于不同通道的EEG复杂度分析，在同一频率不同通道以及同一通道不同频率下的脑电信号复杂度具有差异性，进一步表明光疗的有效性。