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近红外脑功能成像在康复领域的应用

作者:znion   发布时间:2019-05-07   阅读次数:123

近红外脑功能成像原理简介


对人体来说,体内95%的能量来自于不同的氧化反应,氧是一切生命活动的基础。组织中的氧运输其主要载体是血红蛋白,它由氧合血红蛋白(HbO2)和脱氧血红蛋白(Hb)组成。随着人体组织的有氧代谢,氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的含量会不断发生变化,因而组织中的血氧含量的变化能够反映出人体生理状态、细胞的活动变化以及各组织结构的功能情况。


近红外脑功能成像系统是一款利用近红外脑成像技术(fNIRS)监测大脑皮层血红蛋白浓度变化,反映脑功能的产品,具有无痛、无创伤、实时、连续的特点。它可以实现不同脑区多通道同时检测,达到研究高级脑功能的目的。


作用机制


其生理机制来源于神经一血管耦联机制,即脑功能活动的变化会引起局部脑血流的变化。大脑皮层在被激活时会引起局部氧代谢率和局部脑血流的动力学改变。具体来说,人在静息状态时,局部脑组织氧代谢和局部脑血流供养水平相当;而当人大脑在激活状态时,局部脑血流增加率远超过局部氧代谢率,故表现为大脑被激活区域中oxy-Hb含量相对增加,deoxy-Hb含量相对减少。


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近年来随着技术本身的发展,fNIRS越来越多地被应用于精神心理和康复领域。此文对近红外脑功能成像在康复领域中的应用作详细介绍。



 近红外脑功能成像在康复领域中的应用


1
脑卒中


Mihara等对12例中风患者和11个健康参与者(对照组)分别进行了测试。所有被试在跑步机上运动的同时使用近红外成像技术监测血红蛋白的变化情况。研究结果显示,对照组在步速加快后额叶区激活有所减少,而患者组额叶区在加速后稳定阶段却一直处于活跃状态。结果表明患者加快步伐的过程需要额叶区域的调控,在患者康复过程中额叶区可能会成为代偿区域,参与步速的调控。 


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(a)12根光源纤维(红圈)和16个探测器(蓝圈)组成的光纤帽覆盖前顶叶皮质(这幅图显示了正常大脑表面的解剖位置以及每个大脑表面所覆盖的假定皮质区域)

(b)对照组和中风患者运动任务期间血红蛋白变化的代表性数据(红线表示氧合血红蛋白,蓝线表示脱氧血红蛋白,绿线表示总血红蛋白;黑线表示跑步机速度;蓝色、橙色和紫色条分别表示步态周期的静止期、加速期和稳定期)


近红外脑功能成像系统除了用于脑卒中患者的诊断研究外,还可用于脑卒中患者的干预治疗研究。越来越多的证据表明,上肢和下肢的想象运动和实际运动有着共同的神经网络机制


研究利用21个对象进行手指想象运动,实验过程中基于近红外给予真实反馈和虚假反馈。相较于虚假的反馈来说,真实的血氧反馈可以引发对侧运动前区显著的激活和动觉运动想象自我评价的更高得分。研究结果同时证明近红外实时反馈系统在运动想象方面的表现具有可行性和有效性。

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(a)基于NIRS的神经反馈系统的模式(b)使用中基于NIRS的神经反馈(c)神经反馈后皮质活动增强


如果能够及早诊断出患有脑卒中的风险并采取相应的措施进行预防与治疗,将直接关系到潜伏期患者今后的康复预后效果,因此有必要对脑卒中发病机理及治疗进行深入研究。而fNIRS为无创研究脑卒中提供了有效的手段,且目前已取得初步成果,对脑卒中的诊断与防治有一定的指导意义。


2
慢性疼痛


临床中有大量证据表明慢性疼痛患者具有认知损伤。近红外脑功能成像技术通过检测认知活动中前额叶皮层的激活,进而获取疼痛患者失常与认知障碍的关系。


一项研究中采用言语流畅性任务(VFT),用fNIRS对24例躯体疼痛患者(SPD)和 24名健康人前额叶区(PFC)氧合血红蛋白(oxy-Hb)  的相对浓度进行测量,结果发现在VFT任务中,SPD患者产生的词数比健康对照组少,且SPD患者的激活区域的面积小于健康对照组,SPD患者氧合血红蛋白的平均活化强度明显低于健康对照组,证据表明SPD患者的认知缺陷可能牵涉PFC,尤其是双侧背外侧前额叶皮质(DLPFC)显著的功能失常。

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3
帕金森病


在一项研究中,选取了38名健康老年人和68名帕金森病患者,分别让他们完成3项步行任务:(a)常规步行;(b)DT步行(双任务步行)(c)越障。结果用fNIRS测量发现在正常行走过程中,PD患者的激活率较高(P<0.030);而在DT期间,氧合血红蛋白浓度仅在健康的老年人中增加(P<0.001);在越障期间,PD患者的氧合血红蛋白显著增加(p=0.001),健康老年人的氧合血红蛋白倾向增加(P=0.53)。这说明了PD患者的DT和越障成本较高(P<0.003),认知能力较差。帕金森病患者在正常行走过程中的更高激活表明,前额叶皮质已经发挥了重要作用,且帕金森病患者前额叶的激活取决于任务的性质。这些发现可能对PD患者步态的恢复有重要意义。


结论


近红外脑功能成像技术在康复患者的大脑功能区域与肢体恢复的关系、康复评估、诊断、以及基于补偿模式的针对性运动功能改善(上下肢动作改善、速度调整、平衡控制、步态改善等)的研究上均有很大的潜力。由于其便携性,可以方便对不能移动的重症患者进行检测;加上该技术对被试以及实验环境局限性少,有利于开展一些贴近日常生活的动作测试并进行相应诊断。综上所述,近红外脑功能成像技术在康复领域具有很大的潜在应用前景,对人类的健康状况以及生命科学的研究有着重要意义。



参考文献

1.李泓钰, 王强杜晓霞王静徐舒, & 王曼, et al. (2018). 近红外脑功能成像对卒中后抑郁神经机制的研究中国康复理论与实践, 24(4).

2.眭演祥, 李春光胡海燕李娟李伟达, & 郭浩, et al. (2016). 基于近红外脑功能成像技术的脑卒中研究现状中国

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