基于功能性近红外光谱技术的屈光不正性弱视患儿视皮层功能研究△

吴晓彤 毕爱玲 柴永馨 曹 宁 张 颖 张莉唯 龚 胜 卢秀珍 毕宏生

屈光不正性弱视是由于视觉系统在儿童发育关键时期缺乏良好的视觉刺激，失去形成清晰图像的机会，致使大脑视觉功能受损所导致的眼科疾病。虽然弱视患者存在单眼或双眼视力下降，但是各种临床检查均未见患者出现眼部生理结构异常。动物模型和人的影像学研究表明，弱视个体发生的缺陷与视觉相关脑区的异常活动有关[1-5]。目前对弱视患者视皮层的评估方法主要是视觉诱发电位，它具有无创、客观等特点，但因操作耗时长、患儿依从性差很少应用于临床[6]。功能性近红外光谱技术(fNIRS)是基于血流动力学原理评估受试者在执行视觉任务时局部脑活动的检查技术，操作简便、无噪声。fNIRS将近红外光照射到生命体的表面，利用神经活动和微循环血流动力学的耦合，无创测量氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白含量的变化，并将其作为皮层激活的指标[7]。本研究应用 fNIRS比较屈光不正性弱视患儿与正常儿童视皮层血红蛋白含量的差异，研究屈光不正性弱视患儿视皮层功能是否存在异常，分析视皮层改变与视力之间的关系，为阐述弱视患儿的脑功能机制奠定基础。

1 资料与方法

1.1 一般资料本研究为病例对照研究。选取在山东中医药大学附属眼科医院2019年至2020年就诊的19例(38眼)临床确诊为双眼屈光不正性弱视的患儿作为弱视组。患者纳入标准：(1)年龄为6～12周岁；(2)符合弱视的诊断标准，双眼最佳矫正视力相差一行及以下，双眼睫状肌麻痹后球镜度数相差1.5 D以下、柱镜度数相差1.0 D以下。患者排除标准：(1)有显性斜视者；(2)合并有角膜白斑、先天性白内障、完全性上睑下垂等可造成形觉剥夺的器质性眼病者；(3)精神或法律上的残疾患者；(4)患有糖尿病、心血管疾病、脑部疾病等疾病者；(5)正在参加其他临床试验者。以上有一项符合即排除。另选取在山东中医药大学附属眼科医院进行视力检查的19例(38眼)视力正常的健康儿童作为正常组，年龄为6～12周岁，双眼裸眼视力均在1.0及以上，睫状肌麻痹后等效球镜度数>-0.5 D，无其他眼科及神经系统疾病。本研究遵循《赫尔辛基宣言》所要求的伦理学原则，受试者及其监护人均知情并签署知情同意书。

1.2 方法

1.2.1 主要检查所有儿童均采用标准对数视力表进行最佳矫正视力检查，采用fNIRS(日立ETG-4000近红外脑功能成像仪)进行大脑视皮层氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白的检查。此仪器利用血红蛋白对近红外光的吸收量对大脑皮质表面血液中的氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白的含量变化进行多点测量，并将血液分布的变化、脑的代谢以及血液循环以二维TOPO图像方式进行重建，通过动态图像显示脑的活动。

1.2.2 刺激任务及试验设计刺激任务是黑白棋盘格图片，设定视觉刺激期黑白棋盘格翻转率为2 Hz，即每500 ms转换一次棋盘格图片。黑白格子相互交错、数量相等，两幅图黑白格子位置交换，在图像中间添加红色“X”作为固视点。每张图的发光强度和麦克尔逊对比度参数设定参考文献[8]，对照内容为黑色背景图片。

使用E-Prime2.0制作视觉刺激任务程序，本研究采用事件相关设计，受试者两眼分别接受刺激，流程为10 s闭眼+30 s黑屏睁眼+30 s视觉刺激+50 s黑屏睁眼+10 s闭眼，每位受试者完成两次视觉刺激任务。刺激任务开始时自动触发日立ETG-4000近红外脑功能成像仪，同步记录血氧变化，事件切换时自动在成像仪上标记。

1.2.3 测试过程嘱受试者安静坐在暗室环境中，待测眼距离视觉刺激任务的显示器为1 m，研究人员在受试者枕部头皮处配戴装有光源探头的检测帽，正中央探头正对枕骨粗隆处，其余探头与头皮紧密贴合，双眼与屏幕中央平齐，检测一眼的同时遮盖另一眼。准备就绪后，告知受试者需要按照语音播报睁眼或闭眼，并且在播放黑白棋盘格翻转时需要注视屏幕中央的红色“X”固视点。检测过程中禁止眼球运动、肢体动作，禁止说话，保持均匀呼吸，以减少出现运动伪影。

1.2.4 fNIRS感兴趣区域采用上海心果光电科技有限公司针对 Polhemus 公司的三维定位仪研发的可视化头部三维定位信息实时记录系统(VPen 1.0)对受试者各通道测量点位置进行定位记录，依据3D定位仪的解剖标记和重叠比例可得第11、12、15、16、17、20、21号通道主要对应初级视皮层。因此取以上7个通道为fNIRS感兴趣区域(ROI)通道。本研究将单眼注视黑白棋盘格翻转刺激时段作为刺激期，将此时段ROI通道的β均值用于表示双侧视皮层血红蛋白的含量变化。初级视皮层左、右侧中心区域各被检测帽三个通道覆盖，左侧为第12、17、21号通道，右侧为第11、15、20号通道，因此将刺激期左、右侧视皮层3个通道的β均值用于表示单侧视皮层血红蛋白的含量变化。

1.3 统计学方法采用SPSS 23.0软件对数据进行统计学分析。两组受试者性别差异采用χ2检验进行比较。全部计量资料用均数±标准差表示，两组间各项指标的比较采用两独立样本t检验，多组间比较采用单因素方差分析，进一步组间两两比较采用LSD-t检验。采用Pearson相关分析进行两变量相关性分析。检验水准：α=0.05。

2 结果

2.1 弱视组与正常组受试者一般情况比较弱视组患儿男9例(18眼)，女10例(20眼)，年龄(7.58±1.61)岁；正常组儿童男8例(16眼)，女11例(22眼)，年龄(7.15±0.37)岁。两组儿童的年龄、性别构成差异均无统计学意义(均为P>0.05)。弱视组患儿与正常组儿童最佳矫正视力(logMAR)分别为0.20±0.14和-0.02±0.04，两组间差异有统计学意义(t=-8.990，P<0.001)。

2.2 两组受试者双侧视皮层氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白β均值比较弱视组患儿氧合血红蛋白β均值低于正常组，差异有统计学意义(P<0.05)；脱氧血红蛋白β均值高于正常组，但差异无统计学意义(P>0.05)(表1)。

表1 弱视组与正常组受试者双侧视皮层氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白β均值比较

2.3 两组受试者单侧视皮层氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白β均值比较正常组儿童受试眼同侧视皮层与对侧视皮层的氧合血红蛋白β均值相比，差异无统计学意义(P=0.845)；弱视组患儿受试眼同侧视皮层与对侧视皮层的氧合血红蛋白β均值相比，差异亦无统计学意义(P=0.660)。弱视组患儿受试眼同侧视皮层氧合血红蛋白β均值较正常组儿童受试眼同侧视皮层、对侧视皮层均显著减小，差异均有统计学意义(P=0.009、0.003)；弱视组患儿受试眼对侧视皮层氧合血红蛋白β均值较正常组儿童受试眼同侧视皮层、对侧视皮层亦均显著减小，差异均有统计学意义(P=0.016、0.005)。两组受试眼同侧以及对侧视皮层脱氧血红蛋白β均值总体比较差异无统计学意义(P=0.669)(表2)。

表2 弱视组与正常组受试者单侧视皮层氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白β均值比较

2.4 弱视组患儿最佳矫正视力与视皮层氧合血红蛋白含量的关系弱视组患儿的最佳矫正视力与其视皮层氧合血红蛋白含量的相关系数r=-0.039(P=0.815)，二者无线性相关关系。

3 讨论

本研究结果证实，fNIRS检查可显示屈光不正性弱视患儿的脑功能活动异常，这些异常可能与屈光不正性弱视的神经病理机制有关。在动物模型中，对弱视动物视皮层的研究主要集中在初级视皮层，Shooner等[9]通过电极阵列记录弱视猕猴和正常对照猕猴初级视皮层/次级视皮层边界的神经元活动，发现弱视眼受刺激时视皮层的信号灵敏度和响应性降低，这与本研究的结果相一致。因此，了解双眼视皮层的相关性对于理解弱视患者脑功能异常至关重要。一直以来，功能性磁共振成像(fMRI)为弱视患者视皮层功能障碍的研究提供证据，Dai等[10]在利用静息态fMRI研究弱视患儿与正常儿童局部脑活动的差异时发现，弱视患儿双侧额叶、颞叶和枕叶区低频波动幅度值低于正常儿童。Goodyear等[11]利用fMRI研究初级视皮层证实了同一视觉刺激下弱视眼的激活区域小于正常眼。 Barnes等[12]研究斜视性弱视患者的视皮质缺陷时，发现初级视皮层和次级视皮层区域的fMRI激活减少。因此，我们认为弱视可能与初级视皮层神经元的功能改变有关。

尽管fMRI被广泛应用于研究弱视患者视皮层功能，但其噪声大、金属回避性等常会导致数据可信度降低。相比较而言，fNIRS弥补了以上不足，它是一种无创、非侵入性的脑血流动力学功能监测和成像方法，近年来在人脑功能和各种病理学的研究中得到越来越多应用[13]。在视神经炎的研究中，Miki等[14]发现，fNIRS可以检测出患者视皮层激活减弱的变化。在弱视治疗的研究中，Iwata等[15]通过fNIRS证实弱视患者双眼睁开时视皮层的激活程度高于单眼睁开时，推测在不遮挡健康眼的情况下进行弱视治疗可能效果更显著。

有研究发现，正常儿童在观看棋盘格刺激时氧合血红蛋白的含量高于观看黑屏时的含量[16]。本研究中在同一视觉刺激条件下，给予弱视患儿最佳矫正视力(以排除视网膜成像不清)，fNIRS检查发现弱视组患儿双侧视皮层的氧合血红蛋白含量低于正常组。因此，我们推测，视觉刺激可使视皮层神经元需氧量增加，更多的血液流向神经元最活跃的皮质部位，由于输送的氧气比消耗的氧气多得多，从而导致氧合血红蛋白含量局部升高[17]。弱视患儿长期视物不清晰，传入视皮层的信号较少，刺激来源不足，致使神经元反应降低，氧合血红蛋白含量下降，视皮层功能也相对减弱[18]。

视觉信息以半交叉的方式从视网膜传到视皮层，来自鼻侧视网膜的信息通过53%视交叉传递到对侧视皮层，来自颞侧视网膜的信息通过47%视交叉传递到同侧视皮层[19]。为了进一步研究屈光不正性弱视患儿是否存在双侧视皮层受累，本研究比较了弱视组患儿受试眼同侧视皮层、对侧视皮层，正常组儿童受试眼同侧视皮层、对侧视皮层之间的氧合血红蛋白含量的差异。结果显示，不论是正常组还是弱视组，其自身双侧视皮层之间不存在差异；不论是受试眼同侧视皮层还是受试眼对侧视皮层，弱视组患儿受试眼氧合血红蛋白含量均低于正常组。Wang等[20]利用血氧水平依赖性fMRI和图形视觉诱发电位研究屈光参差性弱视相关神经机制的试验发现，弱视眼同侧、对侧视皮层的激活面积均比健康眼同侧、对侧视皮层小，这与本研究结果一致。但弱视眼同侧视皮层的血氧反应低于自身对侧视皮层，这与本研究结果不同。

我们对弱视患儿最佳矫正视力与视皮层氧合血红蛋白含量相关关系的研究发现，矫正视力的高低与视皮层功能障碍并无相关关系，这与朱娟等[21]对屈光不正性弱视患者的研究结果相同。这可能是由于影响弱视发展的因素有很多，年龄、病程、病因等均会影响视皮层功能，有的患者虽然视力低，但病程短，因此对视皮层神经元的影响较小。

综上所述， fNIRS可以作为测量弱视患者初级视皮层血红蛋白含量的新方法，屈光不正性弱视患儿视皮层存在功能异常。