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一、近紅外腦功能成像原理簡(jiǎn)介

對(duì)人體來說，體內(nèi)95%的能量來自于不同的氧化反應(yīng)，氧是一切生命活動(dòng)的基礎(chǔ)。組織中的氧運(yùn)輸其主要載體是血紅蛋白，它由氧合血紅蛋白（HbO₂）和脫氧血紅蛋白（Hb）組成。隨著人體組織的有氧代謝，氧合血紅蛋白和去氧血紅蛋白的含量會(huì)不斷發(fā)生變化，因而組織中的血氧含量的變化能夠反映出人體生理狀態(tài)、細(xì)胞的活動(dòng)變化以及各組織結(jié)構(gòu)的功能情況。所以通過實(shí)時(shí)、連續(xù)監(jiān)測(cè)人體組織中氧的代謝及運(yùn)輸過程，對(duì)人類的健康狀況以及生命科學(xué)的研究有著重要意義和應(yīng)用前景。

近紅外光譜腦功能成像系統(tǒng)是一款監(jiān)測(cè)大腦皮層血紅蛋白濃度變化的產(chǎn)品，具有無痛、無創(chuàng)傷、實(shí)時(shí)、連續(xù)的特點(diǎn)。系統(tǒng)利用近紅外光對(duì)生物體良好的穿透作用，通過光纖探頭發(fā)射近紅外光穿透大腦皮層并散射回接收探頭，在光的吸收量發(fā)生變化的同時(shí)，監(jiān)測(cè)局部血氧（oxy-Hb，deoxy-Hb）濃度變化。這種對(duì)大腦皮層神經(jīng)活動(dòng)的間接測(cè)量方式，可以實(shí)現(xiàn)不同腦區(qū)多通道同時(shí)檢測(cè)，達(dá)到研究高級(jí)腦功能的目的。

原理圖

其生理機(jī)制來源于神經(jīng)一血管耦聯(lián)機(jī)制，即腦功能活動(dòng)的變化會(huì)引起局部腦血流的變化。大腦皮層在被激活時(shí)會(huì)引起局部氧代謝率和局部腦血流的動(dòng)力學(xué)改變,具體來說，人在靜息狀態(tài)時(shí)，腦組織基本保持有氧代謝，局部氧代謝率和局部腦血流水平相當(dāng)；而當(dāng)人大腦在激活狀態(tài)時(shí)，局部腦血流遠(yuǎn)超過局部氧代謝率增加，故表現(xiàn)為大腦被激活區(qū)域中oxy-Hb含量相對(duì)增加，deoxy-Hb含量相對(duì)減少。

局部腦血流和血氧水平在不同狀態(tài)下的變化。

a.靜息狀態(tài)； b.激活狀態(tài)

二、近紅外腦功能成像在康復(fù)領(lǐng)域中的應(yīng)用

近年來隨著技術(shù)本身的發(fā)展，fNIRS越來越多地被應(yīng)用于臨床和康復(fù)治療。在神經(jīng)康復(fù)領(lǐng)域近紅外主要有三大應(yīng)用：

第一  腦損傷后的功能恢復(fù)檢測(cè)工具。

目前對(duì)于腦損傷后功能重組的數(shù)據(jù)主要來源于fMRI的研究，其信度和效度、空間分辨率等都較高。因而通過對(duì)比fMRI研究的一致性，fNIRS也能作為監(jiān)測(cè)皮質(zhì)活動(dòng)模式的工具。Kato等通過對(duì)比6名偏癱患者與5名正常個(gè)體，發(fā)現(xiàn)偏癱患者對(duì)側(cè)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)激活程度高于患側(cè)，而正常個(gè)體雙側(cè)激活程度則是平衡的，fNIRS的這個(gè)結(jié)果與fMRI一致。在康復(fù)領(lǐng)域中經(jīng)常使用的一種療法叫強(qiáng)制性使用運(yùn)動(dòng)療法，簡(jiǎn)稱CIMT。而關(guān)于近紅外腦功能成像的研究表明不論是腦卒中患者，還是腦癱患者，CIMT對(duì)于腦部功能重組都有顯著的效果，其作用效果可用fNIRS檢測(cè)顯示。

第二  康復(fù)治療的調(diào)整工具

對(duì)于實(shí)時(shí)信號(hào)處理技術(shù)的提高使得fNIRS可以在康復(fù)治療中發(fā)揮反饋?zhàn)饔茫?/span>患者和治療師可以根據(jù)治療目的和皮質(zhì)活動(dòng)的實(shí)時(shí)信號(hào)調(diào)整康復(fù)治療的具體動(dòng)作和細(xì)節(jié)。

Mihara等發(fā)明了基于NIRS技術(shù)的反饋訓(xùn)練系統(tǒng)，讓患者分別進(jìn)行兩項(xiàng)運(yùn)動(dòng)想象訓(xùn)練，一組是實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)信號(hào)反饋下的康復(fù)訓(xùn)練，另一組是假信號(hào)，結(jié)果表明運(yùn)動(dòng)想象相關(guān)皮質(zhì)的激活只在前者會(huì)被易化，因此該技術(shù)或許可以用于神經(jīng)康復(fù)訓(xùn)練。同時(shí)，Kober等也報(bào)道了類似系統(tǒng)的結(jié)果，在8個(gè)療程的神經(jīng)反饋康復(fù)訓(xùn)練中，實(shí)時(shí)信號(hào)反饋患者運(yùn)動(dòng)想象中手部皮質(zhì)的激活程度明顯上升，而假信號(hào)組則出現(xiàn)了彌散性的激活。

第三  研究人體活動(dòng)的神經(jīng)生理機(jī)制

1、運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)神經(jīng)機(jī)制

運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)在我們的日常生活中以及在康復(fù)過程中都是至關(guān)重要的，尤其是腦卒中病人得重新學(xué)習(xí)偏癱肢體的運(yùn)動(dòng)。迄今為止，大多數(shù)人類關(guān)于運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)的神經(jīng)影像研究都是使用正電子發(fā)射斷層攝影術(shù)(PET)或功能磁共振成像。由于這些技術(shù)方法學(xué)的局限性，大多數(shù)研究都只研究了在仰臥位下手指和足部的運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)。

然而,由于在日常的情況下，大部分的動(dòng)作都是在坐位或站立的時(shí)候執(zhí)行的，由于fNIRS移動(dòng)方便，不受環(huán)境和運(yùn)動(dòng)體位的限制。所以，fNIRS對(duì)于運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)的腦部監(jiān)測(cè)具有更加廣泛的意義。

目前為止，已經(jīng)有數(shù)名研究者使用fNIRS對(duì)上肢粗大運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)時(shí)皮質(zhì)對(duì)應(yīng)的激活情況進(jìn)行了研究，Leff等人發(fā)現(xiàn)初學(xué)者較專家在手術(shù)打結(jié)學(xué)習(xí)時(shí)，前額葉激活程度更高，表明前額葉皮質(zhì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)過程密切相關(guān)。

2、步態(tài)平衡控制的神經(jīng)機(jī)制

人類習(xí)慣性的雙足站立和步行有助于最大限度地提高手的靈活性，進(jìn)而提高了對(duì)工具使用能力，所以雙足站立不穩(wěn)增加了跌倒和受傷的可能性。一個(gè)以社區(qū)為基礎(chǔ)的研究表明，年齡大于65歲的人群中，有超過三分之一的人每年至少摔倒一次，而這一比例80歲時(shí)增長(zhǎng)到50%。盡管目前許多動(dòng)物的基礎(chǔ)研究顯示，皮質(zhì)下結(jié)構(gòu)參與了步態(tài)與平衡功能的控制，然而近期研究暗示了皮質(zhì)參與了人類雙足平衡功能的控制。為了研究其中的神經(jīng)機(jī)制，fNIRS也就成為了這項(xiàng)研究不可或缺的工具。Miyai等使用NIRS和平衡功能評(píng)估系統(tǒng)，研究受試者在跑步機(jī)上的神經(jīng)控制，發(fā)現(xiàn)雙側(cè)感覺運(yùn)動(dòng)區(qū)（SMC）中間區(qū)域和SMA區(qū)活躍程度呈現(xiàn)出對(duì)稱性的上升。此外，Suzuki等前額葉（PFC）只在加速時(shí)激活，速度越高激活程度越高，而在勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)活躍程度降低。所以，PFC可能與運(yùn)動(dòng)變化有關(guān)，而SMC區(qū)則與步態(tài)穩(wěn)定有關(guān)。

3、姿勢(shì)控制的神經(jīng)機(jī)制

通過虛擬傾斜板任務(wù)，前額葉參與主動(dòng)平衡控制的過程得到了證實(shí)，而且與任務(wù)難度正相關(guān)。研究者探究了腦卒中偏癱患者在康復(fù)訓(xùn)練后與平衡相關(guān)的皮質(zhì)激活程度，結(jié)果顯示經(jīng)康復(fù)訓(xùn)練之后SMA區(qū)激活程度顯著提高，伴隨著平衡功能的改善，所以NIRS或許可以作為康復(fù)的平衡評(píng)估工具。

三、近紅外腦功能成像在康復(fù)應(yīng)用領(lǐng)域的意義

評(píng)估是康復(fù)治療的基礎(chǔ)。中樞神經(jīng)系統(tǒng)康復(fù)療程較其他方向康復(fù)的周期十分漫長(zhǎng)，而且目前的評(píng)估非常依賴量表。以腦卒中為例，每次治療要進(jìn)行FMA、MBI、BBS、Wolf等量表評(píng)估，十分繁瑣。所以也就造成了對(duì)于患者的治療進(jìn)展把握地較慢，同時(shí)不便于康復(fù)領(lǐng)域的臨床研究?；颊咧委熜枰答?，治療師也需要反饋，如此長(zhǎng)的反饋周期勢(shì)必會(huì)影響康復(fù)治療的效果。雖然上述量表的信度效度早已得到驗(yàn)證，但是用有限的階段性和代表性的動(dòng)作去評(píng)價(jià)個(gè)體的功能性活動(dòng)，不免有些局限。

因此，近紅外腦功能成像在神經(jīng)康復(fù)領(lǐng)域具有巨大的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

Mihara, M. , & Miyai, I. (2016). Review of functional near-infrared spectroscopy in neurorehabilitation.Neurophotonics,3(3), 031414.