陳麗敏， 胡 洋， 姜曉晗綜述， 邢英琦審校

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近紅外光譜分析技術(shù)在神經(jīng)科中的臨床應(yīng)用與新進(jìn)展

陳麗敏， 胡 洋， 姜曉晗綜述， 邢英琦審校

近紅外光譜分析(near-infrared spectroscopy，NIRS)通過檢測大腦活動的過程中微循環(huán)含氧血紅蛋白(oxyhemoglobin，Hb O2)和脫氧血紅蛋白(de-oxyhemoglobin，HbR)濃度的改變及血流動力學(xué)變化，可反映相應(yīng)的神經(jīng)電活動[1]，為神經(jīng)科的臨床應(yīng)用提供了一個新的工具。本文就NIRS在神經(jīng)科領(lǐng)域的臨床應(yīng)用與新進(jìn)展綜述如下。

1 NIRS的基本原理

NIRS是介于可見光和中紅外光之間的電磁輻射波，NIRS在700～900 mm 范圍內(nèi)可以穿透一定深度的組織，組織內(nèi)Hb O2、HbR對近紅外光的吸收系數(shù)存在差異，NIRS主要通過檢測大腦活動的過程中微循環(huán)Hb O2和HbR濃度的改變及血流動力學(xué)變化間接反映相應(yīng)的神經(jīng)電活動。其測量參數(shù)為微動脈、微靜脈和毛細(xì)血管中血液的血氧參數(shù)之加權(quán)平均，反應(yīng)組織中的血氧參數(shù)。由于近紅外光譜技術(shù)的高速發(fā)展，功能性近紅外光譜技術(shù)(fNIRS)應(yīng)運(yùn)而生。近20年來fNIRS的應(yīng)用包括視覺系統(tǒng)，體感系統(tǒng)，聽覺系統(tǒng)，語言系統(tǒng)及認(rèn)知任務(wù)等[1]，為神經(jīng)科的臨床應(yīng)用提供了一個新的工具。

2 NIRS與其它影像學(xué)比較優(yōu)缺點

NIRS是近年來逐步發(fā)展的腦功能評估技術(shù)，首先它不需要嚴(yán)格的身體和運(yùn)動約束，在監(jiān)測與行為相關(guān)的腦功能方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。比如研究特殊人群的認(rèn)知活動[2]，還可以用以特殊人群的診斷。其次NIRS直觀的提供了Hb O2，HbR和總血紅蛋白濃度變化，后者與腦血容量成正比。此外NIRS噪音小(相比之下MRI噪聲是90～130分貝)、對Hb O2、HbR的濃度變化均較敏感(fMRI僅對HbR的濃度變化敏感)[1]、成本適中、允許長期監(jiān)測、沒有任何輻射暴露風(fēng)險(不像正電子發(fā)射計算機(jī)斷層掃描)。再次fNIRS 技術(shù)對現(xiàn)有的正電子發(fā)射計算機(jī)斷層掃描和fMRI是一個非常有益的補(bǔ)充，它以腦組織血容量和血氧為信息載體，通過測量大腦皮質(zhì)中血容量、血氧的分布和變化情況來了解大腦的活動，并能夠?qū)崿F(xiàn)可視化和三維化。最后，NIRS設(shè)備比較小(便于攜帶)允許整合到臨床環(huán)境和床旁應(yīng)用。但fNIRS測量深度有限[3]。

3 NIRS在神經(jīng)科的應(yīng)用

3.1 NIRS與腦血管病

3.1.1 腦卒中 腦卒中是一種急性腦血管病，是由于腦部血管突然破裂或因血管阻塞導(dǎo)致血液不能流入大腦而引起腦組織損傷的一組疾病，包括缺血性和出血性卒中。缺血性卒中(腦梗死)的發(fā)病率高于出血性卒中，占腦卒中總數(shù)的60%～70%。頸內(nèi)動脈和椎動脈閉塞和狹窄可引起缺血性腦卒中，如果能對腦梗死進(jìn)行早期識別、定位將會對患者的治療及預(yù)后有很大幫助。現(xiàn)在臨床上應(yīng)用的計算機(jī)斷層掃描灌注成像技術(shù)、MRI能準(zhǔn)確定位梗死灶，但多在癥狀發(fā)生之后。NIRS作為一個小型監(jiān)測技術(shù)，利用其便于攜帶的優(yōu)點可以對受試者進(jìn)行長時間實時監(jiān)測。陳衛(wèi)國等[4]應(yīng)用NIRS、MRI和染色成像技術(shù)在腦梗死動物模型上分別對皮質(zhì)進(jìn)行定位測量和成像檢測，對NIRS反映梗死灶血流動力學(xué)變化進(jìn)行評價。結(jié)果發(fā)現(xiàn)NIRS與MRI在反映局部腦血流變化上具有良好的相關(guān)性，認(rèn)為NIRS有望成為易患腦卒中患者的實時預(yù)測及康復(fù)監(jiān)測評價方法。Taussky等[5]通過對1000多例患者(包括蛛網(wǎng)膜下腔出血、缺血性腦卒中、腦出血)同時采用 NIRS和計算機(jī)斷層掃描灌注成像技術(shù)分別監(jiān)測腦組織氧飽和度和局部腦血流量，發(fā)現(xiàn)二者具有良好相關(guān)性，表明NIRS可作為一種有效的、無創(chuàng)的、重癥監(jiān)護(hù)病房床邊實時監(jiān)測的腦血氧監(jiān)護(hù)手段。

3.1.2 腦血流自動調(diào)節(jié) 腦血流自動調(diào)節(jié)是大腦維持腦血流量相對恒定的主要機(jī)制，對于大腦各種生理功能的正常發(fā)揮和多種疾病的發(fā)生、發(fā)展和轉(zhuǎn)歸均有至關(guān)重要的意義。隨著測量技術(shù)的不斷發(fā)展，腦血流自動調(diào)節(jié)逐漸走入臨床各個領(lǐng)域，并逐漸開始為臨床提供更多的參考信息[6]。目前多采用經(jīng)顱多普勒超聲對腦血流自動調(diào)節(jié)進(jìn)行研究，Oldag等[7]假設(shè)血管反應(yīng)性損傷能引起相應(yīng)的大腦皮質(zhì)Hb O2、HbR濃度發(fā)生變化，應(yīng)用NIRS對單側(cè)大腦中動脈重度狹窄的患者相應(yīng)皮質(zhì)區(qū)Hb O2、HbR濃度變化進(jìn)行監(jiān)測，并聯(lián)合指尖血壓監(jiān)測儀記錄血壓變化。同時應(yīng)用經(jīng)顱多普勒超聲對大腦中動脈血流速度進(jìn)行監(jiān)測，通過二氧化碳反應(yīng)性測試對腦血流儲備進(jìn)行評估。結(jié)果患側(cè)大腦半球血壓與血氧之間的差異明顯，此差異與二氧化碳反應(yīng)性具有相關(guān)性。認(rèn)為NIRS可以作為腦動脈狹窄或閉塞中腦血流自動調(diào)節(jié)的替代或補(bǔ)充方法，特別是對經(jīng)顱多普勒超聲檢測顳窗穿透不良的患者。

3.2 NIRS與術(shù)中監(jiān)測

3.2.1 顱腦損傷 顱腦損傷是一種常見外傷，可單獨(dú)存在，也可與其他損傷復(fù)合存在。由于損傷后多數(shù)患者表現(xiàn)為意識障礙，此時患者生命指標(biāo)主要靠儀器設(shè)備檢測。顱腦損傷后繼發(fā)性腦缺氧是病情加重甚至死亡的重要原因。目前，臨床上應(yīng)用的①頸靜脈球血氧飽和度，該處靜脈血大部分來自大腦半球，其氧飽和度代表腦靜脈血氧飽和度。但該方法不能表示局部血氧飽和度。②直接探針法測腦組織氧分壓相對可行，但為有創(chuàng)檢查。并且上述兩種方法均不能及時、準(zhǔn)確地反映腦組織中真正的供氧情況。NIRS作為近年來發(fā)展的一種無創(chuàng)性腦氧監(jiān)測技術(shù)通過監(jiān)測局部腦氧飽和度來了解腦缺血缺氧的程度。Mcleod[8]對頸靜脈球血氧飽和度、腦組織氧分壓和NIRS 3種監(jiān)測手段進(jìn)行比較后認(rèn)為NIRS測得的組織氧飽和度是顱腦外傷時監(jiān)測腦氧代謝的有用指標(biāo)。Brawanski等[9]應(yīng)用NIRS對顱腦外傷和蛛網(wǎng)膜下腔出血患者進(jìn)行監(jiān)測后指出，雖然NIRS監(jiān)測與腦組織氧分壓監(jiān)測在方法上完全不同，但兩者提供的腦氧信息是一致的。

3.2.2 頸動脈內(nèi)膜剝脫術(shù) 頸動脈內(nèi)膜剝脫術(shù)是切除增厚的頸動脈內(nèi)膜粥樣硬化斑塊，預(yù)防由于斑塊脫落引起腦卒中的一種方法，已被證明是防治缺血性腦血管疾病的有效方法。手術(shù)過程中需要暫時阻斷頸內(nèi)動脈，這可能會導(dǎo)致腦組織缺血。術(shù)中監(jiān)測腦灌注及代謝情況可為選擇性使用轉(zhuǎn)流術(shù)提供依據(jù)。目前術(shù)中監(jiān)測血流技術(shù)主要有腦電圖監(jiān)測，誘發(fā)電位監(jiān)測，頸動脈殘端壓監(jiān)測，經(jīng)顱多普勒監(jiān)測及近紅外光譜監(jiān)測和頸靜脈血氧飽和度監(jiān)測、術(shù)中喚醒等[10]。Pennekamp[11]認(rèn)為與腦電圖相比，經(jīng)顱多普勒超聲和NIRS在頸動脈內(nèi)膜剝脫術(shù)中可以獨(dú)立為選擇性使用轉(zhuǎn)流術(shù)提供依據(jù)。

3.3 NIRS與偏頭痛

偏頭痛是臨床最常見的原發(fā)性頭痛類型，臨床以發(fā)作性中重度、搏動樣頭痛為主要表現(xiàn)，頭痛多為偏側(cè)，一般持續(xù)4～72 h，可伴有惡心、嘔吐，光、聲刺激或日?；顒泳杉又仡^痛，安靜環(huán)境、休息可緩解頭痛。偏頭痛是一種常見的慢性神經(jīng)血管性疾患，發(fā)病機(jī)制尚不十分清楚。血管學(xué)說是其中之一，認(rèn)為顱內(nèi)血管收縮引起偏頭痛先兆癥狀，隨后顱外、顱內(nèi)血管擴(kuò)張，血管周圍組織產(chǎn)生血管活性多肽導(dǎo)致無菌性炎癥導(dǎo)致搏動性的頭痛。Akin等[12]應(yīng)用NIRS對無先兆偏頭痛患者和健康對照組的血管反應(yīng)性進(jìn)行評估比較。通過屏氣實驗，受試者均出現(xiàn)相似模式變化(即在屏住呼吸前20 s HbR曲線下降，在憋氣的30 s 過程中HbR曲線上升，囑受試者正常呼吸后HbR曲線又下降)。偏頭痛患者HbR下降及上升幅度明顯小于對照組。通過這項研究作者認(rèn)為NIRS對原發(fā)性頭痛的診斷及治療方面將起到作用。Pourshoghi[13]應(yīng)用NIRS對偏頭痛患者注射硫酸鎂，丙戊酸鈉，二氫麥角胺三種藥物前后血管反應(yīng)性進(jìn)行監(jiān)測比較，認(rèn)為NIRS在監(jiān)測偏頭痛患者藥物治療方面有幫助。

3.4 NIRS與三叉神經(jīng)痛

三叉神經(jīng)痛是最常見的腦神經(jīng)疾病，以一側(cè)面部三叉神經(jīng)分布區(qū)內(nèi)反復(fù)發(fā)作的陣發(fā)性劇烈痛為主要表現(xiàn)。患者多于洗臉、刷牙、進(jìn)食等的輕微觸覺刺激誘發(fā)其疼痛，發(fā)作間歇期同正常人一樣。原發(fā)性三叉神經(jīng)痛是指具有臨床癥狀，但應(yīng)用各種檢查未發(fā)現(xiàn)與發(fā)病有關(guān)的器質(zhì)性病變。辛佳煒等[14]應(yīng)用45 通道的fNIRS 對三叉神經(jīng)痛患者每側(cè)前額葉 7 cm × 7 cm 面積范圍內(nèi)Hb O2濃度改變幅度情況進(jìn)行監(jiān)測，前額葉Hb O2含量的變化反映觸發(fā)痛任務(wù)相關(guān)的功能變化。采用多次重復(fù)事件相關(guān)設(shè)計作為任務(wù)，分析觸發(fā)痛在微血管減壓術(shù)前后的前額葉功能變化。探討前額葉皮質(zhì)是否參與原發(fā)性三叉神經(jīng)痛觸發(fā)痛的調(diào)控。結(jié)果術(shù)前觸發(fā)痛引起的雙側(cè)前額葉激活效應(yīng)在微血管減壓術(shù)后消失，推測前額葉可能參與原發(fā)性三叉神經(jīng)痛中樞調(diào)控，其機(jī)制可能與中樞敏化現(xiàn)象有關(guān)。微血管減壓術(shù)引起的外周神經(jīng)和相鄰組織的改變可能達(dá)到了去敏化效果。

3.5 NIRS與癲癇

3.5.1 局部定位 癲癇是大腦神經(jīng)元突發(fā)性異常放電，導(dǎo)致短暫的大腦功能障礙的一種慢性疾病。經(jīng)過正規(guī)抗癲癇藥物治療，仍有約20%～30%患者為藥物難治性癲癇。癲癇的外科手術(shù)治療為這一部分患者提供了一種新的治療手段，估計約有50%的藥物難治性癲癇患者可通過手術(shù)使發(fā)作得到控制或治愈，從一定程度上改善了難治性癲癇的預(yù)后。精確定位致癇灶和腦功能區(qū)是手術(shù)治療成功的關(guān)鍵。Watanabe等[15]在對32例難治性癲癇患者進(jìn)行長程腦電監(jiān)測時應(yīng)用fNIRS同步測腦血容量變化，癇性發(fā)作時在96%的患者病灶側(cè)觀察到了明顯的血流高灌注，認(rèn)為可依賴fNIRS進(jìn)行癇灶定位。癲癇的發(fā)病機(jī)制非常復(fù)雜，Nguyen等[16]在對難治性顳葉癲癇患者進(jìn)行腦電圖監(jiān)測時應(yīng)用fNIRS同步測腦含氧量變化，在癲癇發(fā)作過程中血流動力學(xué)變化分成兩個不同的階段，第一階段Hb O2上升、HbR下降，第二階段HbR上升、Hb O2繼續(xù)上升或下降。并且發(fā)現(xiàn)癲癇發(fā)作時在兩側(cè)顳葉觀察到Hb O2顯著上升的變化比腦電圖出現(xiàn)變化早，為腦電圖-fNIRS定位致癇區(qū)帶來新的證據(jù)。

3.5.2 語言功能的術(shù)前定位 由于病變的影響具有重要功能的解剖結(jié)構(gòu)常發(fā)生變形和移位，功能皮質(zhì)的定位與正常解剖的功能區(qū)分布有一定的差別，病灶切除前明確病灶與功能皮質(zhì)的關(guān)系很重要。Vannasing等[17]在對左側(cè)顳葉癲癇的右利手患兒進(jìn)行顳葉切除術(shù)前及切除術(shù)后，應(yīng)用腦電圖-fNIRS和fMRI進(jìn)行語言偏側(cè)化評估和定位。結(jié)果顯示語言中樞從最初的左側(cè)大腦半球轉(zhuǎn)移到右側(cè)大腦半球，推測可能：①與大腦可塑性代償機(jī)制有關(guān)；②與癲癇有關(guān)的損害刺激大腦激活潛伏的語言功能區(qū)；③在右側(cè)大腦半球動用新的區(qū)域來代償已改變的左半球語言中樞。該病例報告強(qiáng)調(diào)了fNIRS在青少年癲癇患者的術(shù)前評估中的臨床價值并與fMRI相比較的潛在優(yōu)勢。Fukud等[18]通過NIRS刺激輔助運(yùn)動區(qū)癲癇患者的內(nèi)側(cè)皮質(zhì)表面并根據(jù)Hb O2和HbR濃度的變化觀察初級運(yùn)動皮質(zhì)的血流動力學(xué)變化。目的是研究輔助運(yùn)動區(qū)和初級運(yùn)動皮質(zhì)之間癲癇活動的血流動力學(xué)變化。結(jié)果在刺激內(nèi)側(cè)皮質(zhì)表面對應(yīng)的足部運(yùn)動區(qū)時在外側(cè)皮質(zhì)表面沒有觀察到血流動力學(xué)的變化。然而，當(dāng)癲癇發(fā)作起始區(qū)受到刺激時在外側(cè)皮質(zhì)表面對應(yīng)的手運(yùn)動區(qū)Hb O2和HbR均增加。在運(yùn)動前皮質(zhì)和外側(cè)皮質(zhì)對應(yīng)的軀干運(yùn)動區(qū)，血流動力學(xué)變化呈現(xiàn)Hb O2增加、HbR下降的單一模式。推測NIRS對監(jiān)測皮質(zhì)神經(jīng)通路如語言系統(tǒng)的活動是有幫助的。

3.5.3 癲癇活動的血流動力學(xué)變化 最近的研究表明，NIRS可以評估皮質(zhì)血流動力學(xué)變化與癲癇發(fā)作的相關(guān)性。Vinette 等[19]應(yīng)用NIRS對癲癇患者進(jìn)行長時間監(jiān)測觀察發(fā)作間期血流動力學(xué)變化并研究運(yùn)動偽影對監(jiān)測到的數(shù)據(jù)的影響。研究結(jié)果支持使用NIRS作為一個非侵入性的工具來檢測癲癇發(fā)作。來自斯特拉斯堡的韋氏大鼠，具有遺傳性癲癇失神發(fā)作的特性，臨床上與人類癲癇失神發(fā)作相似，表現(xiàn)為行為中斷、凝視、陣攣樣抽動、腦電圖伴隨有 7～11次/ S 的高幅棘慢波發(fā)放，是一個公認(rèn)的癲癇失神發(fā)作的動物模型。Roche-Labarbe等[20]利用腦電圖 -fNIRS在此大鼠上研究了廣義棘波放電與血液動力學(xué)變化的相關(guān)性。這項研究證明大鼠廣義棘波放電特征表現(xiàn)為活化階段緊接著出現(xiàn)去活化階段，這種變化可能有助于終止癲癇發(fā)作，并突出強(qiáng)調(diào)了應(yīng)用NIRS研究癲癇時間代謝血流動力學(xué)方面的優(yōu)勢。在今后的探索工作中腦電圖和f NIRS應(yīng)該相結(jié)合，因為這些方法是相輔相成的，前者直接評估大腦活動，后者檢測含氧量的變化。

3.6 NIRS與帕金森病

帕金森病是一種常見的神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病(黑質(zhì)及黑質(zhì)-紋狀體通路變性所致的錐體外系疾病)，是中老年人的多發(fā)病、常見病，嚴(yán)重危害著人類健康。胡光霞等[21]利用fNIRS探索帕金森大鼠模型的腦組織功能特性。通過小動物MRI和電子計算機(jī)斷層掃描對帕金森病大鼠模型進(jìn)行影像學(xué)研究，用fNIRS系統(tǒng)測試大鼠模型腦組織紋狀體特征參數(shù)。實驗結(jié)果表明帕金森病大鼠腦部沒有明顯的形態(tài)結(jié)構(gòu)變化；優(yōu)化散射系數(shù)、腦血容量在帕金森病大鼠的紋狀體部與對照組間存在顯著的差別；fNIRS測量參數(shù)與電子計算機(jī)斷層掃描灌注測定參數(shù)之間存在相關(guān)性。證實fNIRS對大鼠功能異常腦部定性診斷是可行的，fNIRS可以作為帕金森病研究的重要參考手段。

3.7 NIRS與癡呆

皮質(zhì)下血管性癡呆是一種血管性癡呆與腦白質(zhì)病變的小血管病。Tak等[2]假設(shè)進(jìn)行一個簡單的運(yùn)動任務(wù)時大腦皮質(zhì)血流動力學(xué)變化可能反映皮質(zhì)下血管性癡呆的神經(jīng)血管耦合受損。MRI和NIRS同時應(yīng)用共同提供多種血流動力學(xué)以及腦氧代謝率的變化。在任務(wù)期間皮質(zhì)下血管性癡呆患者運(yùn)動和體感皮質(zhì)上Hb O2、總血紅蛋白、血氧水平依賴反應(yīng)、腦血流和腦氧代謝率在統(tǒng)計學(xué)上顯著降低，而氧攝取指數(shù)與對照組相比增加。代謝-血流偶聯(lián)率在皮質(zhì)下血管性癡呆患者降低，這意味著代謝儲備的大量丟失。這些結(jié)果支持了小血管的病理損害，包括血管硬度增加，血管反應(yīng)性和皮質(zhì)下血管性癡呆的神經(jīng)血管耦合受損。研究表明NIRS和fMRI同時測量，可以揭示不同的血流動力學(xué)變化，可作為癡呆早期檢測或監(jiān)測方法。NIRS有助于確定不同癡呆類型的運(yùn)動和認(rèn)知任務(wù)的皮質(zhì)處理過程的差異。

4 NIRS的應(yīng)用前景與展望

目前該技術(shù)開始運(yùn)用于自然情境下的高級認(rèn)知、心理學(xué)、 異常心理學(xué)等多個領(lǐng)域的研究。典型的神經(jīng)科學(xué)應(yīng)用包括顱腦損傷、腦血管手術(shù)、腦腫瘤、腦積水、癲癇、脊髓手術(shù)等領(lǐng)域。隨著近紅外、計算機(jī)技術(shù)、光學(xué)技術(shù)等的不斷發(fā)展，研究的不斷深入，近紅外技術(shù)將在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中充分發(fā)揮出潛力，有望在探索生命過程的奧秘，以及重大疾病預(yù)防、診斷、處理上起到更多的實際作用。

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1003-2754(2016)11-1045-03

R445；R741

2016-07-10；

2016-10-13

(吉林大學(xué)白求恩第一醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，吉林 長春 130021)

邢英琦，E-mail：xingyq@sina.com