光源-探測器小距離散射光譜在疼痛測量中的應(yīng)用

戴麗娟, 丁樂明，李韙韜，錢志余

1. 南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019 2. 南京航空航天大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系，江蘇 南京 210016

引 言

盡管數(shù)十年來神經(jīng)成像技術(shù)的發(fā)現(xiàn)揭示了大腦各種功能背后豐富而復(fù)雜的過程，但使用神經(jīng)成像作為量化或測量疼痛的客觀工具仍受到質(zhì)疑。 這是因?yàn)樘弁词且环N多因素的主觀體驗(yàn)，在疼痛的處理過程中，包含一個大的分布式腦網(wǎng)絡(luò)，從而導(dǎo)致神經(jīng)成像信號的準(zhǔn)確性和有效性有限[1-5]。

最近一些使用功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging, fMRI)的研究證實(shí)，源自局部脫氧血紅蛋白濃度變化的BOLD信號因痛覺而改變[6-9]。 類似地，一些使用功能近紅外光譜成像(functional near infrared imaging, fNIRI)的人類研究表明，熱刺激或電刺激會導(dǎo)致不同腦區(qū)血紅蛋白濃度的變化[10-13]。 因此，了解腦功能活動中神經(jīng)-血管耦合的性質(zhì)將有助于更好的量化或測量疼痛。

為了研究不同深度神經(jīng)核團(tuán)在疼痛處理中相關(guān)的神經(jīng)-血管耦合問題，利用一種簡單的穩(wěn)態(tài)光纖光譜儀和光源-檢測距離小的Y型雙光纖微創(chuàng)探頭對大鼠前扣帶回在疼痛過程中的散射光譜進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，基于改進(jìn)的Beer-Lambert定律(MBLL)獲得血流動力學(xué)參數(shù)，同時(shí)，采集大鼠前扣帶回的局部放電信號進(jìn)行功率強(qiáng)度變化分析，確認(rèn)血流動力學(xué)參數(shù)在疼痛過程中的變化與前扣帶回的功能激活相關(guān)，從而評估這種技術(shù)作為疼痛測量方式和增進(jìn)對疼痛相關(guān)的腦血管功能的了解的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 動物準(zhǔn)備

選用7只成年雄性SD大鼠，平均年齡(98.5±1.5) d，平均體重(363.4±11.2) g，所有動物均經(jīng)腹腔注射戊巴比妥鈉溶液麻醉(50 mg·kg-1)。 將PE10導(dǎo)管插入頸靜脈，以0.02 mL·min-1的固定速率持續(xù)靜脈注射戊巴比妥鈉(5 mg·mL-1)，從而在整個數(shù)據(jù)采集過程中維持麻醉。 將大鼠頭部固定在腦立體定位儀上，通過使用反饋控制加熱毯將大鼠體溫保持在37 ℃。 沿頭皮中線切開，暴露前扣帶回上方的頭骨，通過顱骨鉆三個孔，根據(jù)大鼠腦立體圖譜中前扣帶回的范圍，選擇孔1坐標(biāo)為前囟前1.44 mm、中線右側(cè)0.4 mm，孔2坐標(biāo)為前囟后0.6 mm、中線右側(cè)0.6 mm。 孔3用于安裝地線螺釘，選擇在孔2附近的合適位置即可。

1.2 裝置

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由光譜采集裝置和腦局部電信號采集裝置組成。 光譜采集裝置的基本組成部分是鎢鹵素光源(HL2000HP，Ocean Optics Inc.，Dunedin，F(xiàn)L，USA)、光纖光譜儀(USB 2000，Ocean Optics，Dunedin，F(xiàn)L，USA)、雙光纖探頭和用于控制和數(shù)據(jù)采集的計(jì)算機(jī)。 雙光纖探頭包含兩根多模光纖，一根用于光傳輸，另一根用于光檢測。 每根光纖直徑均為200 μm，兩纖芯距離400 μm，探頭尖端的外徑為1 mm。 腦局部電信號采集裝置主要由微電極、無線生物電記錄器和用于數(shù)據(jù)采集的計(jì)算機(jī)組成。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.3 數(shù)據(jù)采集和處理

將雙光纖探頭經(jīng)孔1放置于ACC上方，由探測光纖傳回的光信號經(jīng)光譜儀傳回電腦，使用LabWindows編程軟件記錄350～1 000 nm的散射光譜，采樣頻率2 Hz。 將微電極經(jīng)孔2插入ACC內(nèi)部，植入深度約3 mm。 地線螺釘插入孔3，用牙科膠固定微電極和螺釘。 經(jīng)微電極采集的腦局部電信號送入無線傳輸模塊，經(jīng)放大、A/D轉(zhuǎn)換后以無線方式傳輸給電腦，數(shù)據(jù)采集程序由LabView編寫，采樣頻率500 Hz。

實(shí)驗(yàn)開始后，先記錄10 min的基線數(shù)據(jù)，然后向大鼠左后肢足底中心注射0.1 mL福爾馬林溶液(濃度3%)以產(chǎn)生疼痛。 數(shù)據(jù)采集保持至注射后60 min。 數(shù)據(jù)采集完成后，選擇500～600 nm 波段的光譜進(jìn)行Δ[HbO]和Δ[Hb]的計(jì)算。 對采集的電信號，用MatLab編程進(jìn)行分割，10 s為一時(shí)間段，計(jì)算每段數(shù)據(jù)β波頻段(13～30 Hz)的功率強(qiáng)度。

1.4 血流動力學(xué)參數(shù)相對變化估算法

生物組織光學(xué)常用擴(kuò)散近似模型研究光(包括近紅外光)在生物組織中的傳播，但當(dāng)光源與探測器距離小于1 mm時(shí)，擴(kuò)散模型是無效的。 Zonios等對這一問題提出了解析的反射模型，但需要經(jīng)過嚴(yán)格的最小二乘擬合，耗時(shí)較長，限制了其在實(shí)時(shí)、隨時(shí)間變化的測量中的使用[14-15]。 本文采用以下算法來估計(jì)氧合血紅蛋白濃度[HbO]、脫氧血紅蛋白濃度[Hb]和總血紅蛋白濃度[HbT]的變化。 該算法基于修正的Beer-Lambert定律，假設(shè)水和除血紅蛋白衍生物外的其他吸光色團(tuán)不隨時(shí)間變化，則可以通過下式將光強(qiáng)變化ΔOD(λ)與色團(tuán)濃度的變化Δ[HbO]和Δ[Hb]聯(lián)系起來。

(1)

原則上，兩個波長點(diǎn)的數(shù)據(jù)就足夠計(jì)算式(1)的兩個未知量(Δ[HbO]和Δ[Hb])。 為了消除實(shí)驗(yàn)噪聲，增加擬合精度，在500～595 nm范圍內(nèi)使用90個波長點(diǎn)來確定Δ[HbO]和Δ[Hb]的值，相鄰波長點(diǎn)光譜分辨率約1 nm。 Δ[HbT]等于Δ[HbO]與Δ[Hb]的和。

圖2 兩種測量方法測得的Δ[HbO]和Δ[Hb]的比較Fig.2 Comparisons of Δ[HbO] and Δ[Hb] obtained by two methods

利用懸乳液和血液的混合液體模型進(jìn)行以上算法的驗(yàn)證。 通過在液體模型中通氧氣或氮?dú)獾姆椒▉碓黾踊驕p小氧飽和度，從而改變氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的濃度。 在液體模型中放入本文所用光源-探測器小距離散射光譜采集系統(tǒng)的探頭，采集模型的散射光譜后再按式(1)計(jì)算Δ[HbO]和Δ[Hb]。 同時(shí)，在模型中放入組織血氧儀探頭(ISS Oximeter)，以組織血氧儀的測量值作為檢驗(yàn)式(1)準(zhǔn)確度的金標(biāo)準(zhǔn)。 實(shí)驗(yàn)在氧飽和度范圍為20%～90%的14個數(shù)值點(diǎn)進(jìn)行測量(氧飽和度20%為基準(zhǔn))，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，使每個氧飽和度數(shù)值點(diǎn)都能獲得10次采樣。 兩種測量方法測得的Δ[HbO]和Δ[Hb]的比較如圖2所示。 式(1)中DPF取為常量20，其給出的計(jì)算結(jié)果與期望值誤差最小。 經(jīng)分析，式(1)計(jì)算值與標(biāo)準(zhǔn)值的相對誤差為14%±5%。

2 結(jié)果與討論

2.1 血流動力學(xué)參數(shù)相對變化

為了更好地顯示前扣帶回對福爾馬林誘導(dǎo)的傷害感受所作出的區(qū)域性血液動力學(xué)反應(yīng)，圖3分別給出Δ[HbO]，Δ[Hb]和Δ[HbT]在注射前、后10 min的變化曲線(n=7，以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示)。 圖上僅顯示小部分標(biāo)準(zhǔn)偏差線，以更好地顯示曲線。 圖中紅色箭頭處為注射的時(shí)間點(diǎn)。

圖3 前扣帶回血流動力學(xué)參數(shù)在注射前10 min和后10 min的變化(a)： 氧合血紅蛋白濃度變化； (b)： 脫氧血紅蛋白濃度變化； (c)： 總血紅蛋白濃度變化Fig.3 Changes of hemodynamic parameters of ACC in 10minutes before and 10 minutes after the injection(a)： Δ[HbO]; (b)： Δ[Hb]; (c)： Δ[HbT]

圖4所示為整個70 min內(nèi)區(qū)域血流動力學(xué)參數(shù)的變化曲線。 再按每5 min為一段的方式將數(shù)據(jù)按時(shí)間分組到13個時(shí)段，統(tǒng)計(jì)分析注射后每一時(shí)間段與注射前兩個時(shí)間段的差異，結(jié)果如圖5所示, 圖中#和∧表示該時(shí)間段的參數(shù)變化與注射前有顯著性差異(p=0.05)。

圖4 前扣帶回血流動力學(xué)參數(shù)注射前10 min和注射后60 min的變化Fig.4 Changes of hemodynamic parameters of ACC in 10minutes before and 60 minutes after the injection

圖5 每5 min時(shí)間段血流動力學(xué)參數(shù)變化差異性統(tǒng)計(jì)Fig.5 Statistics of the difference of hemodynamicparameters every 5 minutes

從圖3、圖4和圖5可知，隨著時(shí)間的推移，ACC區(qū)域的Δ[HbO]和Δ[Hb]均有顯著的變化。 具體而言，Δ[HbO]在注射后先是顯著增加，然后在10～20 min之間恢復(fù)到基線水平，之后為持續(xù)的單調(diào)下降。 反之，Δ[Hb]在注射后開始顯著下降，在注射后10～20 min之間恢復(fù)到基線水平，隨后持續(xù)單調(diào)增加。 與Δ[HbO]或Δ[Hb]不同，局部Δ[HbT]在注射后略增大，但沒有顯著性意義。

2.2 局部電信號功率變化

圖6為β波頻段(13～30 Hz)的功率強(qiáng)度與注射前10 min該頻段功率強(qiáng)度平均值的比值變化曲線(n=7，以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示)。 再以5 min為時(shí)間段，統(tǒng)計(jì)分析注射后每一時(shí)間段與注射前兩個時(shí)間段的差異，結(jié)果如圖7所示，圖中*表示該時(shí)間段的功率比值與注射前有顯著性差異(p=0.05)。

圖6 局部電信號(13～30 Hz)功率比在注射前后的變化

圖7 β波每5 min時(shí)間段功率譜數(shù)據(jù)差異性統(tǒng)計(jì)

從圖6可知，注射福爾馬林前，β波段的功率比值較平穩(wěn)，變化范圍小。 注射福爾馬林后，功率比值呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢，在注射后約20分鐘達(dá)到峰值，之后保持在峰值附近。 根據(jù)圖6與圖7，可以確認(rèn)前扣帶回在疼痛傳導(dǎo)通路中產(chǎn)生響應(yīng)，在注射后60 min內(nèi)都處于功能激活狀態(tài)。

2.3 討論

有研究表明，與人類視覺、體感和運(yùn)動刺激相關(guān)的皮質(zhì)的血流動力學(xué)模式是[HbO]的增加伴隨著[Hb]的減少。 但當(dāng)受試者執(zhí)行字謎任務(wù)時(shí)，在人類前額葉皮層中發(fā)現(xiàn)了一種相反的模式，即[HbO]減少伴隨著[Hb]的增加。 因此，腦功能的血流動力學(xué)模式與腦區(qū)和所執(zhí)行的任務(wù)相關(guān)。

根據(jù)ACC區(qū)域局部電信號功率變化曲線分析，注射福爾馬林后，ACC區(qū)域即被激活，且持續(xù)時(shí)間可達(dá)數(shù)小時(shí)。 ACC中的神經(jīng)元隨著被激活而氧需求增加。 局部血管通過一系列潛在的作用對其作出反應(yīng)： 通過動脈血管擴(kuò)張?zhí)峁└嗟腍bO，加快HbO的釋氧速度，將Hb轉(zhuǎn)移到小靜脈，并加速Hb的轉(zhuǎn)運(yùn)。 因此，[HbO]增加，而[Hb]減少。 然而，福爾馬林誘導(dǎo)的氧氣需求持續(xù)數(shù)小時(shí)，局部血管將達(dá)到極限，無法進(jìn)一步擴(kuò)張，因此不能通過血管擴(kuò)張和動脈血流入來維持[HbO]的增加。 [HbO]隨著神經(jīng)元持續(xù)的高耗氧而降低。 同時(shí)，局部血管的能力達(dá)到上限水平，不能有效地清除累積的血紅蛋白，導(dǎo)致[Hb]增加。 本研究結(jié)果顯示，在福爾馬林注射后的最初階段，區(qū)域[HbO]增加，同時(shí)[Hb]減少。 在注射后晚期，區(qū)域[HbO]減少，同時(shí)[Hb]增加。 這一結(jié)果與上述分析相吻合。

3 結(jié) 論

基于修正的Beer-Lambert定律，建立氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白濃度變化與光源-探測器小距離探頭所采集的散射光譜強(qiáng)度變化的關(guān)系式，計(jì)算結(jié)果經(jīng)驗(yàn)證具有較高的準(zhǔn)確性。 通過對大鼠后肢注懾福爾馬林溶液使大鼠產(chǎn)生疼痛刺激，利用光源-探測器小距離探頭獲得散射光譜，在此基礎(chǔ)上計(jì)算氧合血紅蛋白濃度、脫氧血紅蛋白濃度和總血紅蛋白濃度的相對變化，分析核團(tuán)激活期間血流動力學(xué)的響應(yīng)模式，同時(shí)，利用微電極采集腦局部放電信號，經(jīng)功率變化分析，確認(rèn)大鼠前扣帶回區(qū)域血流動力學(xué)參數(shù)在注射后的變化與該區(qū)域功能激活高度相關(guān)。 以上結(jié)果表明，基于光源-探測器小距離探頭的局部散射光譜系統(tǒng)可有效地用于標(biāo)記與疼痛處理相關(guān)的核團(tuán)的功能激活和分析核團(tuán)的神經(jīng)-血管耦合機(jī)制，為利用小動物模型增進(jìn)對疼痛相關(guān)的腦血管功能的了解和疼痛測量提供了一種有效的新方式。