基于功能性近紅外光譜技術(shù)的腦卒中患者下肢功能康復(fù)研究進(jìn)展

農(nóng)禮華,黃國付,葉思靜,楊唐柱

腦卒中是導(dǎo)致患者殘疾和死亡的主要原因[1]?；颊咭驓埣矡o法獨(dú)立生活,給家庭和社會(huì)帶來巨大負(fù)擔(dān)[2-3]。腦功能檢測(cè)技術(shù)可監(jiān)測(cè)大腦活動(dòng)期間的變化,為評(píng)估腦卒中康復(fù)治療的效果提供幫助[1]。相關(guān)的腦功能檢測(cè)技術(shù)有腦電圖(electroencephalogram,EEG)、功能性磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)、正電子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層顯像(positron emission computed tomography,PET)、功能性近紅外光譜(functional near-infrared spectroscopy,fNIRS)等[4-5]。其中,EEG具有較高的時(shí)間分辨率,但空間分辨率較低,且易受偽跡干擾[5];fMRI設(shè)備具有很強(qiáng)空間分辨率,但費(fèi)用昂貴,不可移動(dòng),且使用禁忌證較多[6];PET具有高特異性,但操作復(fù)雜并存在輻射性[6]。近年來,fNIRS被應(yīng)用于人腦的語言映射、神經(jīng)重癥監(jiān)護(hù)、癲癇等多個(gè)研究領(lǐng)域中[7]。本文主要從fNIRS技術(shù)的原理特點(diǎn)、在腦卒中后下肢功能恢復(fù)研究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果等方面進(jìn)行綜述,以期為后續(xù)相關(guān)研究提供參考。

1 fNIRS技術(shù)的原理與特點(diǎn)

1.1 fNIRS的基本原理 fNIRS是一種無創(chuàng)性光學(xué)成像技術(shù),可以在不受限制的環(huán)境中測(cè)量皮質(zhì)血流動(dòng)力學(xué)變化來推斷潛在的大腦神經(jīng)活動(dòng)[8-9]。它基于600～900nm的近紅外光傳播和散射到組織中,并被大腦中的氧合血紅蛋白(oxy-hemoglobin,HbO)與脫氧血紅蛋白(deoxyhemoglobin,HbR)吸收,并根據(jù)光子的波長顯示特定的吸收光譜[7,10]。fNIRS設(shè)備由光源、探測(cè)器、檢測(cè)組件、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成,光源通過發(fā)光二級(jí)管或激光管發(fā)射出近紅外光(2個(gè)或多個(gè)不同波長)照射至大腦,探測(cè)器在光散射通過組織后接收光[8]?；谏窠?jīng)血管耦合機(jī)制,神經(jīng)活動(dòng)的增加會(huì)導(dǎo)致大腦氧代謝的增加,在神經(jīng)元的氧代謝過程中,氧被消耗以產(chǎn)生能量,導(dǎo)致HbO濃度降低,HbR濃度升高,神經(jīng)活動(dòng)觸發(fā)腦血流動(dòng)力學(xué)的局部變化,導(dǎo)致向激活腦區(qū)的血流增強(qiáng),由于局部供氧大于耗氧,因此在激活的腦區(qū),可觀察到HbO濃度較高,HbR濃度較低[5]?；谛拚谋葼?朗伯定律(Modified Beer-Lambert Law)來計(jì)算出大腦皮質(zhì)血紅蛋白濃度相對(duì)變化[9]?；贖bO與HbR等指標(biāo),fNIRS技術(shù)能有效檢測(cè)與神經(jīng)元活動(dòng)、及血液動(dòng)力學(xué)相關(guān)不同大腦區(qū)域的功能[8]。

1.2 fNIRS的測(cè)量方法 fNIRS主要有3種測(cè)量模式:連續(xù)波(continuous wave,CW)、時(shí)域(time-domain,TD)和頻域(frequency domain,FD)[9]。CW是最常見和最簡(jiǎn)單的方法,可利用光源以恒定的頻率和振幅向腦組織發(fā)射光來測(cè)量HbO和HbR相對(duì)濃度的變化[9]。TD可以用短脈沖激光來檢測(cè)光子的飛行時(shí)間[9],具有精度高、空間分辨率高等優(yōu)點(diǎn)[11],但受限于系統(tǒng)體積大、成本高[12]。FD可利用穿過組織層的光來測(cè)量振幅、平均強(qiáng)度和新興波的相位[9]。CW光源與探測(cè)器較多且成本較低,相比于其他兩種測(cè)量模式,是目前應(yīng)用較為廣泛的測(cè)量類型[13]。每種類型都有其優(yōu)缺點(diǎn),研究人員可根據(jù)系統(tǒng)特性來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[9]。fNIRS光源與探測(cè)器放置最佳解決方案是使用神經(jīng)導(dǎo)航辦法,最常見和實(shí)用的策略是使用國際EEG10-20(10-10或10-5)系統(tǒng),并以fMRI的定位點(diǎn)參考來放位置,成人中光源與探測(cè)器的最佳距離為3.0cm或4.0cm,短通道約為0.8[14]。

1.3 fNIRS的優(yōu)點(diǎn)與不足 fNIRS的主要優(yōu)點(diǎn)是:監(jiān)測(cè)了HbO和HbR的濃度相對(duì)變化值,比只測(cè)量HbR的fMRI具有優(yōu)勢(shì)[9];高時(shí)間分辨率:fNIRS的時(shí)間分辨率明顯高于fMRI,并且能夠完成動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控,允許在運(yùn)動(dòng)過程中監(jiān)測(cè)大腦的活動(dòng)[15];安全性高:使用PET測(cè)量時(shí)需注入放射性示蹤劑限制重復(fù)測(cè)量次數(shù)[16],而fNIRS為大腦皮質(zhì)非侵入性成像,對(duì)人體無副作用[8];便攜式:通常fMRI和PET可為大腦狀態(tài)檢查提供良好的空間分辨率,但設(shè)備體積大或缺乏流動(dòng)性,這些評(píng)估只能在有限的環(huán)境中進(jìn)行[17]。fNIRS設(shè)備體積相對(duì)較小并且可移動(dòng),無需占用很大的面積,并且采用光纖傳輸[7,8,18],成本較低[19]。fNIRS的不足有:淺層穿透,檢測(cè)范圍多局限于大腦皮質(zhì),較難測(cè)量大腦深層結(jié)構(gòu)[9];信號(hào)干擾,深色頭發(fā)可能會(huì)阻擋光線,會(huì)影響進(jìn)出顱骨的信號(hào)強(qiáng)度等[20]。

2 使用fNIRS技術(shù)進(jìn)行下肢康復(fù)研究的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 腦區(qū)選擇 有證據(jù)表明,腦卒中后的功能恢復(fù)依賴于受損神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的重組[21]。皮質(zhì)損傷后的運(yùn)動(dòng)恢復(fù)在很大程度上是通過行為代償實(shí)現(xiàn)的,也有研究者認(rèn)為在卒中患者中,由于調(diào)節(jié)脊髓上運(yùn)動(dòng)中樞的皮質(zhì)脊髓運(yùn)動(dòng)通路被中斷,鄰近或遠(yuǎn)離受損區(qū)域的其他皮質(zhì)可以接管受損區(qū)域發(fā)揮作用[22]。皮質(zhì)脊髓束是運(yùn)動(dòng)控制的主要系統(tǒng)之一,起源于感覺運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)的一部分及其他皮質(zhì)區(qū),研究者發(fā)現(xiàn)有助于恢復(fù)卒中上肢運(yùn)動(dòng)活動(dòng)的大腦結(jié)構(gòu)分為3組:初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層完整病灶周圍區(qū)域;緊鄰執(zhí)行控制結(jié)構(gòu)的同側(cè)和對(duì)側(cè)輔助運(yùn)動(dòng)系統(tǒng);以及對(duì)側(cè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)[22]。然而,腦卒中后下肢功能重組仍不清楚,步態(tài)的精細(xì)控制涉及多個(gè)腦區(qū),包括感覺運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)(sensorimotor cortex,SMC)、輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)(supplementary motor area,SMA)、小腦和腦干等[23]。此外,前運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)(premotor cortex,PMC)激活增強(qiáng)可能反映在步態(tài)中穩(wěn)定近端肢體和軀干的需要,因?yàn)樗鼌⑴c了對(duì)側(cè)近端和雙側(cè)軸性肌肉組織的控制[24-25]。前額葉皮質(zhì)(prefrontal cortex,PFC)在使步態(tài)適應(yīng)環(huán)境條件變化方面起著至關(guān)重要的作用,腦卒中患者前額葉病變時(shí)注意力降低[25]。先前一項(xiàng)單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)研究表明,健康受試者步行與雙側(cè)SMC、SMA和PMC的激活相關(guān)[26]。Miyai等[27]運(yùn)用fNIRS技術(shù)比較健康受試者肢體運(yùn)動(dòng)時(shí)的腦激活模式,表明步行和單側(cè)踝關(guān)節(jié)背屈也與雙側(cè)SMC和SMA的激活相關(guān),這與先前研究結(jié)果類似。腦卒中下肢康復(fù)相關(guān)研究中使用fNIRS技術(shù)測(cè)量的大腦區(qū)域主要是SMC、SMA、PMC、PFC等[19,21,24,25,28-39]。

2.2 系統(tǒng)與參數(shù)選擇 腦卒中下肢康復(fù)相關(guān)研究中所用fNIRS系統(tǒng)型號(hào)并不統(tǒng)一,相對(duì)使用較多的型號(hào)是OMM-2001[21,24,25]、NIRO-200NX[37,40,41]、OXYMON MkII[34,38,42]、BS-3000[43,44]、ISS Imagent[31]等。在這些的研究中,研究人員使用了2～56通道、2～16個(gè)光源和2～23個(gè)探測(cè)器,光源與探測(cè)器的距離多為3cm,所用的采樣率為0.76～30Hz。Lim等[19]采用了兩種不同的間距,48個(gè)長(3～3.5cm)通道和8個(gè)短(0.8cm)分離通道間隔。研究者在數(shù)據(jù)處理時(shí)常選擇HbO均值作為下肢運(yùn)動(dòng)任務(wù)中皮質(zhì)激活的標(biāo)志,因?yàn)樗谕ㄟ^fNIRS評(píng)估局部腦血流時(shí)對(duì)運(yùn)動(dòng)較敏感[45]。

2.3 范式選擇 腦卒中下肢康復(fù)相關(guān)研究中大部分采用的是組塊設(shè)計(jì),包括休息和任務(wù)期。使用的范式有3～8個(gè)組塊,包括1～3個(gè)運(yùn)動(dòng)任務(wù)期(20～60s)和1～2個(gè)休息期(15～60s)交替進(jìn)行單任務(wù)或雙重任務(wù)。這些范式是血氧水平依賴fMRI中常用的組塊時(shí)間,并且與產(chǎn)生強(qiáng)大皮質(zhì)激活圖的周期(15s或30s)相一致[46]。單任務(wù)包括行走任務(wù)、踝關(guān)節(jié)背屈任務(wù)、騎行任務(wù)等。雙重任務(wù)是指?jìng)€(gè)體同時(shí)執(zhí)行兩項(xiàng)任務(wù)的行為過程,可涉及同時(shí)進(jìn)行的感覺、運(yùn)動(dòng)或認(rèn)知任務(wù),類似于日常生活中的活動(dòng),如做飯、購物或邊走邊說話等。何曉闊等[43]還增加采集患者治療前后靜息態(tài)。

3 fNIRS技術(shù)在下肢康復(fù)研究中的應(yīng)用

fNIRS技術(shù)在監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)方面發(fā)揮著重要作用,類似于fMRI[34,47]。腦卒中后下肢運(yùn)動(dòng)功能障礙包括步態(tài)及下肢痙攣等問題,fNIRS具有多種優(yōu)勢(shì),為持續(xù)運(yùn)動(dòng)任務(wù)過程中動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供了巨大的價(jià)值。越來越多的證據(jù)表明,腦卒中的運(yùn)動(dòng)恢復(fù)涉及皮質(zhì)活動(dòng)的改變[34,47,48]。國內(nèi)外研究者利用fNIRS技術(shù)監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)任務(wù)期間皮質(zhì)的局部血流動(dòng)力學(xué)變化并對(duì)腦卒中患者步態(tài)與痙攣恢復(fù)的神經(jīng)機(jī)制進(jìn)行了相關(guān)研究。

3.1 步態(tài)障礙康復(fù) 研究者利用fNIRS技術(shù)發(fā)現(xiàn)正常步態(tài)和偏癱步態(tài)之間皮層激活模式的主要差異是不對(duì)稱的SMC激活,受損半球比未受損半球的激活少,其他與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的區(qū)域激活以及通過治療使不對(duì)稱SMC激活得到改善可能在腦卒中后運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)中發(fā)揮重要作用,對(duì)研究卒中后的下肢運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)重組機(jī)制有幫助[25,28]。Miyai等[24]應(yīng)用fNIRS技術(shù)觀測(cè)了在部分體重支持下執(zhí)行跑步機(jī)步行期間的皮質(zhì)激活情況,發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)下肢擺動(dòng)干預(yù)比輔助行走對(duì)受損半球激活更大,并證明PMC和SMC激活可能在腦卒中患者步態(tài)恢復(fù)中發(fā)揮重要作用。隨后,他們闡明了步態(tài)障礙恢復(fù)的更詳細(xì)的機(jī)制[25],采用類似的研究在對(duì)患者進(jìn)行多學(xué)科康復(fù)治療2個(gè)月前后分別監(jiān)測(cè)步行任務(wù)腦激活變化,結(jié)果顯示受損傷半球PMC激活的增強(qiáng)和SMC激活的不對(duì)稱性改善起著代償作用,提示其可能在運(yùn)動(dòng)恢復(fù)中發(fā)揮作用。隨后他們還將其研究擴(kuò)展到在部分減重支撐系統(tǒng)支持下,使用fNIRS技術(shù)監(jiān)測(cè)腦卒中患者和健康受試者在跑步機(jī)上步行期間的皮質(zhì)激活變化,結(jié)果發(fā)現(xiàn)SMC的活性與該系統(tǒng)調(diào)節(jié)步態(tài)性能改善之間存在相關(guān)性[21]。Lee等[28]研究使用fNIRS技術(shù)監(jiān)測(cè)腦卒中患者在可穿戴式髖部輔助機(jī)器人輔助下在跑步機(jī)上步行時(shí)受損半球的SMC激活更高,表現(xiàn)出更對(duì)稱的大腦激活模式,有助于步態(tài)功能恢復(fù)。前額葉也參與了運(yùn)動(dòng)控制,Taguchi等[29]通過fNIRS技術(shù)監(jiān)測(cè)腦卒中患者在虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練過程中及結(jié)束后,在逆向步行任務(wù)后立即觀察PFC顯著激活,表明虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練可能誘發(fā)了運(yùn)動(dòng)錯(cuò)覺。Lim等[19]通過fNIRS技術(shù)監(jiān)測(cè)腦卒中患者在步行任務(wù)過程中發(fā)現(xiàn)在PFC也存在持續(xù)的激活,受損半球顯示出更強(qiáng)的激活,SMC在行走的早期加速階段活躍,后頂葉皮質(zhì)在后期穩(wěn)態(tài)階段激活且該區(qū)域與直立平衡和姿勢(shì)控制有關(guān),表明了PFC、SMC和后頂葉皮質(zhì)在卒中后步態(tài)中的重要性。Kim等[30]通過fNIRS技術(shù)監(jiān)測(cè)末端執(zhí)行器機(jī)器人輔助步態(tài)訓(xùn)練或部分體重支撐下跑步機(jī)步態(tài)訓(xùn)練治療4周前步行任務(wù)腦卒中患者大腦變化,結(jié)果顯示僅在機(jī)器人輔助步態(tài)訓(xùn)練治療后受損半球SMA、SMC、PMC的激活顯著增加,提示機(jī)器人輔助可有效改善卒中患者的神經(jīng)可塑性和臨床結(jié)局。一項(xiàng)騎自行車運(yùn)動(dòng)的研究也提示卒中后下肢功能重組,Lin等[31]將fNIRS技術(shù)監(jiān)測(cè)腦卒中患者在3種騎行任務(wù)條件下的皮層情況:有視覺速度反饋的主動(dòng)騎行,無視覺速度反饋的主動(dòng)騎行,以及機(jī)器驅(qū)動(dòng)下的被動(dòng)騎行,結(jié)果顯示被動(dòng)騎行和主動(dòng)騎行對(duì)SMC、SMA和PMC產(chǎn)生了相似的皮層激活模式,這表明被動(dòng)騎行也可能有利于促進(jìn)卒中后的運(yùn)動(dòng)恢復(fù),此外,被動(dòng)比主動(dòng)騎行時(shí)未受損半球SMC激活的減少,這可能與主動(dòng)狀態(tài)相比肌肉收縮需求減少。然而,功能重組的模式并不統(tǒng)一,可能因每個(gè)患者的病變類型或癥狀而異,Mihara等[32]使用fNIRS技術(shù)監(jiān)測(cè)伴有共濟(jì)失調(diào)的腦卒中患者和健康受試者在跑步機(jī)上步行任務(wù)下的大腦變化,結(jié)果顯示患者在整個(gè)步行階段PFC表現(xiàn)出持續(xù)激活,而健康受試者在加速階段激活在穩(wěn)定階段減弱。在慢性退行性共濟(jì)失調(diào)患者中也發(fā)現(xiàn)了PFC激活的增加,Caliandro等[33]使用fNIRS技術(shù)研究報(bào)道了PFC的皮質(zhì)激活與步寬之間的顯著正相關(guān)。上述研究表明PFC活性可能與共濟(jì)失調(diào)步態(tài)的代償機(jī)制相關(guān)。研究人員通過fNIRS技術(shù)監(jiān)測(cè)腦卒中患者額外的認(rèn)知或運(yùn)動(dòng)任務(wù)來研究復(fù)雜行走過程中的腦激活變化,能夠在更接近真實(shí)生活條件的情況下評(píng)估注意力資源分配對(duì)行走影響[34-39]。與簡(jiǎn)單步行任務(wù)相比,腦卒中患者雙任務(wù)步行時(shí)需要額外的注意力,可能促進(jìn)PFC神經(jīng)元活動(dòng)[34,36,37,39],也有研究人員持有相反結(jié)論,患者雙任務(wù)行走時(shí)PFC激活沒有變化[35,38]。Hermand等[38]研究顯示腦卒中患者雙任務(wù)行走時(shí)行走速度顯著降低,步態(tài)變異性增加,盡管Mori等[35]也顯示PFC活動(dòng)無組間變化,但他們發(fā)現(xiàn)患者PFC激活越大,步態(tài)加速幅度變化越小。相反,Chatterjee等[36]研究表明PFC激活增加與行走速度和步幅的下降相關(guān)。Hawkins等[37]完成了一個(gè)亞組分析發(fā)現(xiàn)下肢運(yùn)動(dòng)功能障礙較嚴(yán)重的患者PFC激活程度高于較輕患者,這些亞組在步態(tài)速度上無差異。Liu等[39]也顯示雙側(cè)PMC和未受累的SMA在雙任務(wù)行走時(shí)激活增加,與行走速度和節(jié)奏的降低,步幅增加和步頻不對(duì)稱相關(guān)。與年輕人相比,卒中組的PFC增加更多[37]。相比之下,與老年人的比較顯示出更大的[37],更少的[35]和類似的PFC激活[34]?；谏鲜鲅芯靠砷_發(fā)并優(yōu)化運(yùn)動(dòng)或認(rèn)知雙重任務(wù)訓(xùn)練方案,將其運(yùn)用于腦卒中患者下肢運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)過程中。

3.2 下肢痙攣康復(fù) 此前fMRI研究也報(bào)道了痙攣狀態(tài)的改善與感覺運(yùn)動(dòng)區(qū)、頂葉皮質(zhì)等區(qū)域興奮性相關(guān),這有助于進(jìn)一步研究痙攣的中樞機(jī)制[48]。Miyara等[45]通過fNIRS技術(shù)研究單次全身振動(dòng)治療卒中后下肢痙攣患者在治療前后執(zhí)行踝關(guān)節(jié)背屈任務(wù)期間腦激活情況,結(jié)果顯示雙側(cè)SMC激活的急性增加,表明該療法可能通過直接降低脊髓運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的興奮性來減輕卒中相關(guān)的下肢痙攣,還反映了抑制性回路的增強(qiáng)。

4 小結(jié)

綜上所述,大腦皮質(zhì)在下肢功能康復(fù)中具有重要作用,腦卒中下肢功能的恢復(fù)與同側(cè)、對(duì)側(cè)半球運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的重組過程密切相關(guān)。fNIRS技術(shù)作為一種無創(chuàng)便捷的神經(jīng)成像工具,具有在日常生活環(huán)境下測(cè)量大腦多個(gè)皮質(zhì)區(qū)激活而不受繁瑣限制的優(yōu)勢(shì),已發(fā)展為神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域一項(xiàng)極具吸引力的技術(shù)。由于這些優(yōu)勢(shì),fNIRS將是研究動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)任務(wù)的神經(jīng)機(jī)制的合適工具。然而,在使用fNIRS技術(shù)研究雙重任務(wù)訓(xùn)練中,大部分研究僅將PFC作為感興趣的區(qū)域,在后續(xù)研究當(dāng)中可擴(kuò)展到多個(gè)腦區(qū)。同時(shí),需要更多的研究來擴(kuò)充樣本量也可聯(lián)合使用其他腦成像技術(shù)進(jìn)行研究,來確定大腦激活可否成為腦卒中康復(fù)過程中有價(jià)值的生物標(biāo)志物或神經(jīng)可塑性指標(biāo)。

fNIRS可用于測(cè)量下肢康復(fù)皮質(zhì)激活的變化。我們期待更多基于大腦的康復(fù)研究,使用定量fNIRS技術(shù)進(jìn)行下肢干預(yù),以獲得有效的治療性康復(fù)策略。