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精神疾病临床分类诊断中功能性近红外光谱技术的应用

作者:杨施羽   发布时间:2021-08-23   阅读次数:48

功能性近红外光谱(fNIRS)是一种很有前景的辅助检查工具,用于临床鉴别诊断和评估。fNIRS利用从头皮上探头发射的近红外光(650-1000nm)间接测量血液中血红蛋白浓度的变化,从而反映大脑皮层被激活的情况。

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依瑞德&资联虹康企业管理集团生产的fNIRS-TMS集成式线圈拍

最近的一项涉及多个(医学或研究)中心的有1000多名参与者(153名重度抑郁症(MDD)患者,136名慢性精神分裂症(ChSZ)患者,134名有抑郁症状的双相情感障碍患者,以及590名健康对照组)的研究中将fNIRS作为一款成熟的全科临床检查的工具。在该fNIRS系统中,任务过程中前额叶活动的强度(积分值)和时间(重心值)被用作诊断预测因子,结果表明,积分值可以区分患者和健康人群,准确率达70%以上,重心值可区分精神病障碍(即精神分裂症和双向情感障碍),重度抑郁症的准确率超过80%。2014年,日本厚生劳动省(Ministry of Health, Labour and Welfare of Japan)批准fNIRS作为临床辅助诊断工具,通过公共健康保险在有资质的医疗机构中区分精神病和重度抑郁症。

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下面是一项新的研究对上述fNIRS作为临床辅助诊断设备的相关内容进行了验证。

方法

共有144名参与者,其中包含47名精神病超高风险(UHR)个体(18 drug-naïve), 30名首发精神病(FEP)患者(6 drug-naïve), 34名慢性精神分裂症(ChSZ)患者(1 drug-naïve)和33名健康对照者参与。对照组的性别和发病前的智商与其他组匹配,年龄与FEP和ChSZ组匹配。FEP患者、ChSZ患者及健康对照组来自2009年7月至2014年6月之间招募,独立于之前的研究。在基线测量后12个月,使用相同的fNIRS程序测量了34例UHR患者(72%)、21例FEP患者(70%)和33例对照组的血流动力学反应。

目的

第一:检验之前的研究结果是否可重复(即ChSZ患者是否可以通过重心值成功地从MDD中划分为精神病范围组)。
第二:检验修改后的重心值和积分值是否适用于不同的临床阶段,包括首发精神病(FEP)和精神病超高风险(UHR)。
第三:测试UHR、FEP和对照组12个月纵向测量的准确性是否相同。

仪器和测量设置

使用52通道的fNIRS仪器,一个160秒的组块设计 (即30秒准备期,60秒任务期和70秒恢复期)的语言流畅性任务。任务周期被分为三个子周期,指示音节每20秒改变一次。

fNIRS算法变量

利用近红外光谱(fNIRS)波形的主成分分析,合成了额叶区(额叶区11个通道)和颞叶区(双侧颞叶区20个通道)的聚集通道信号。排除了2例基线ChSZ患者和1例随访FEP患者的数据(因为软件过滤后每个区域可用的通道少于6个,因此不支持进一步分析)。
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大脑地图顶部的黑点代表估计的通道位置。每个通道和组(控制组、UHR、FEP和ChSZ)的平均近红外波形分别用红色、橙色、蓝色和绿色线显示在底部。带有粗灰色和黑色线条的通道分别代表额叶区和颞叶区。

 

对于每个区域,计算积分值和重心值,定量提取之前研究中发现的fNIRS波形特征。积分值表示任务期间信号变化的和(图a)。更高的值意味着大脑各区域与认知任务相关的活动更大。在额叶区和颞叶区分别设置积分值的阈值为73和104。当积分值大于阈值(活动更大)时,参与者被分为非患者组;否则,参与者被分为患者组。

重心值代表活动时间,并在表现抑郁症状的患者中区分精神病范围障碍和MDD。重心值定义为fNIRS信号正变化曲线下面积达到整个任务总面积一半的时间(s)(图b)。由于本研究中相对的fNIRS信号变化主要发生在任务期和任务期后,值越小,说明大脑各区域对认知任务的反应越迅速。前缘区重心值的阈值为54 s(图b)。当重心值大于54(活动时间延迟更多)时,参与者被分为精神病范围组;否则,参与者被分为重度抑郁症组。
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额叶(c)和颞叶(d)区域的平均fNIRS波形



统计分析

以重心值和积分值为因变量,以不同组(对照组/UHR/FEP/ChSZ)为受试者间因素,区域(额叶/颞叶)为受试者内因素,使用双向重复测量协方差分析(ANCOVA)检验fNIRS算法变量的横断面组间差异。年龄和性别作为协变量。

在ChSZ组进行判别分析,以检验最初的发现是否可复制到以前的研究;具体来说,我们使用积分值来确定参与者是否被划分为患者组或非患者组,使用重心值来确定参与者是否被划分为精神病范围组或重度抑郁症组。在UHR和FEP组中也进行判别分析,以确定它们是使用积分值分布到患者组还是使用重心值分布到精神病范围组。对所有参与者以及临床阴性症状者按照现有算法进行判别分析。

结果


约三分之二的ChSZ患者使用积分值成功地分为患者组,使用重心值成功地分为精神病范围组。三分之二的UHR个体和FEP患者也被归类为精神病范围组,这些比率在12个月的随访测量中保持不变。考虑到年龄和性别的影响,超过80%的UHR个人和FEP患者使用修正的重心值被归为精神病范围组。此外,超过80%的FEP和ChSZ患者使用修改后的积分值归为患者组。


综上所述,fNIRS辅助临床检查有助于区分不同临床阶段的精神病和重度抑郁症。与MRI相比,fNIRS提供了一种更简单的方法来测量血流动力学反应,而无需限制体位,且测量时间较短,适用于对精神疾病患者的检查。


参考文献:S Koike,et al .  An application of functional near infrared spectroscopy as supplementary examination for diagnosis of clinical stages of psychosis spectrum . Psychiatry & Clinical Neurosciences, 2017 Dec;71(12):794-806

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