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近红外光谱在脑卒中康复中的应用2024摘要脑卒中是一种由于脑部血管阻塞或者破裂而导致的脑组织损伤的脑血管疾病，是导致全球人口死亡和残疾的主要因素之一。脑卒中的诊断、监测和治疗的评估都依赖于神经成像学技术来检测大脑的变化，近红外光谱(NIRS)是一种新兴的、非侵入性的神经成像技术，可以通过测量氧合血红蛋白和去氧血红蛋白的浓度变化进行成像。本综述总结了NIRS的基本原理及其在脑卒中疾病中的临床应用现状，同时总结了NIRS在更广泛的领域开展临床应用的局限性。脑卒中疾病危害巨大，给整个社会及病患家庭造成了沉重的负担。脑卒中包括缺血性卒中和出血性卒中，其发病后1个月的病死率约为15%,年病死率为25%,五年病死率为50%1o即使患者幸存,通常也会遗留有严重的残疾，包括运动无力、自主运动控制障碍、痉挛、共济失调、失用、感觉丧失、疼痛或麻木、吞咽困难和构音障碍及各种认知和精神障碍，导致生活质量下降2,3,4o这些功能障碍与血液供应及脑氧合不足导致的皮质损伤有关。因此，具有监测脑血流和氧合的变化、可以及时反映患者治疗效果和康复情况的近红外光谱(near-infraredspectroscopy,NIRS)技术近年来得到临床的广泛关注。我们以'stroke""cerebralinfaretion,wnear-infraredSPeCtrOSCoPyNIRSrehabilitation作为英文关键词，以"脑卒中""脑梗死脑出血近红外光谱康复作为中文关键词，检索PubMedx中国知网、万方数据库中的相关文献，检索年份不限，主要针对NIRS在脑卒中患者的运动功能障碍与非运动功能障碍中的临床应用价值进行阐述，希望能帮助临床医生更好地利用NIRS技术来评估脑卒中患者的病情与疗效。一、NIRS的应用原理NIRS是一种新兴的无创脑成像技术，具有便携、可移动、低成本等特点50它利用650900nm的近红外光来确定脑氧合、血流和大脑局部区域的代谢状态。NIRS的工作原理涉及光学物理和光衰减。NIRS装置从发光二极管或激光器等光源发出近红外范围的光并使用信号探测器收集到达的光，光源和探测器之间的光损失代表光衰减。光衰减为吸收和散射的结果：当光穿过生物组织时，光子的初始轨迹丢失，并偏离到另一个方向。光衰减导致有些光永远不会到达探测器，而有些光要经过多次散射才能到达探测器，传播的距离比光源和探测器之间的距离还要长，以至于成人头部的组织反射光子路径是抛物线而并非直线，这解释了为何光源和检测器需要被放置在患者头部的相邻区域6o大脑是一个高能量需求的器官,神经元的激活会增加大脑血流量7,继而出现总血红蛋白和氧合血红蛋白增加，而去氧血红蛋白相应减少。这就是神经血管耦合理论，也是许多功能神经成像技术的基础，如NIRSs功能磁共振成像（functionalmagneticresonanceimagingzfMRI正电子发射体层摄影(positronemissiontomography,PET)和单光子发射计算机体层摄影(singlephotonemissioncomputedtomography)80根据修正的BeerLambert定律9,NIRS通过测量不同种类的血红蛋白的光吸收的变化，可以用于计算脑血流量的时间变化10o无论在缺血性脑卒中还是在出血性脑卒中患者中，都可以观察到血液供应的显著下降、脑氧合功能降低，进而导致神经血管单位损伤、神经元活性降低、无氧代谢产物积聚mNIRS可以通过监测氧合信号的变化,从而反映这一病理生理过程。NIRS是一种安全有效的脑卒中康复监测工具，包括肢体康复、运动学习、皮质功能恢复、脑血流动力学变化、脑氧合、治疗、临床研究和卒中风险的评估12,13,14,15,161近年来，NIRS技术得到了迅速发展,通过联合脑机接口(brain-computerinterface)辅助脑卒中患者的患肢运动是NIRS最具应用前景的方向之一。脑机接口是使用大脑活动来控制绕过外围神经系统的外部设备17o然而,NIRS-脑机接口系统由于信息传输速率慢、精度低，目前仍主要用于研究阶段。二、NIRS在脑卒中运动领域中的应用NIRS可以作为一种工具来研究运动学习的神经基础。运动学习在康复过程中至关重要，因为患者必须重新学习如何使用瘫痪肢体。关于运动学习的人类神经成像研究大多使用PET或fMRI,只能针对受试者在卧位时运用手指或脚的动作开展相关研究。然而在日常生活中，多数动作都是在受试者坐位或站位时执行的。由于测量过程中的姿势限制较少，NIRS是一种适合在日常情况下研究运动学习的工具180(一)步态与平衡控制脑卒中患者经常会出现感觉、认知和运动后遗症，可能导致其行走困难，并产生平衡障碍19oLiU等20与Kim等21以脑卒中患者作为受试者，以自选速度执行单纯行走、认知任务时行走、运动任务时行走、跑步机上行走与机器人辅助步行等任务。采用NIRS分析技术，检测受试者在行走过程中前额叶皮质(PrefrOntalcortex,PFC)、前运动皮质(premotorcortexzPMC而辅助运动区(supplementarymotorareas,SMA)的脑氧合变化，发现脑卒中患者在步行过程中，执行认知和运动双重任务时步态表现下降，同时氧合血红蛋白浓度升高提示SMA与PMC在脑卒中患者的认知和运动双重任务行走中都发挥重要作用，且更复杂的任务会增加整体运动网络的激活。卒中后步态的恢复具有很高的特异性，准确测量和记录步行过程中的脑功能激活特征有助于康复治疗的指导。为了描述卒中后患者行走期间的大脑血流动力学特征、研究行走不同阶段大脑激活的区域变化Wihara等22对54例日本脑卒中患者进行了双中心、双盲的随机对照试验，发现只有干预组才明显出现了与意象相关的SMA激活和SMA与腹外侧运动前区之间静息态连接的增强，验证了NIRS介导的神经反馈可协助辅助运动区改善脑卒中后的步态异常并促进平衡恢复的假说,表明NIRS神经反馈对脑卒中患者的康复治疗具有安全性和可行性，可作为未来脑卒中后步态和平衡障碍的治疗选择。(二)改善肢体运动功能据统计，约80%的脑梗死患者存在不同程度的肢体运动功能障碍，其中上肢运动功能障碍占60%以上230有大量的神经影像学研究证据表明，功能重组在脑损伤后的功能恢复中起着至关重要的作用，这些研究大多应用fMRI技术。与fMRI技术相比，Kato等24发现NIRS也可用于检测卒中后的恢复过程中皮质灌注和激活的变化。在偏瘫患者中，通过应用NIRS技术提示患者在患肢运动时存在患侧对侧的运动皮质优势激活，即在患肢运动时伴双侧运动皮质的激活。Lim和Eng25发现卒中患者患侧大脑半球的感觉运动激活程度较健康人强，另有研究者发现单侧脑性瘫痪患者在双手作业时，患侧大脑半球的活动度明显高于非患侧26o这些研究结果表明，脑卒中患者运动时存在意识增强来弥补患肢的效率降低带来的运动难度增加。NIRS可用于评估脑卒中后功能性体位运动过程中大脑激活的差异，分析与脑卒中患者功能康复干预相关的可能的神经可塑性变化。Kinoshita等18发现亚急性脑卒中患者非病变大脑半球的激活与中重度上肢偏瘫患者的运动功能恢复相关。NIRS还可用于评估上肢功能康复的疗效，为临床实践提供指导。Dai等23运用基于NIRS技术的运动想象疗法，发现脑梗死后上肢功能康复效果优于单纯的常规运动康复治疗，可以提升疗效，改善脑组织血氧水平，促进患者上肢功能的康复。三、NIRS在脑卒中非运动领域中的应用()卒中后抑郁(post-strokedepression,PSD)PSD是脑卒中后最常见的情绪障碍，患病率为30%27l是限制脑卒中患者康复的主要原因。与未伴发抑郁的卒中后患者相比，PSD患者拥有更高的死亡率和更明显的认知缺陷，残疾程度更重，生活质量更低及更多的自杀意念280对于PSD的筛查,21项汉密尔顿抑郁量表、自测的20项流行病学研究中心抑郁量表(CenterofEpidemiologicalStudies-DepressionScale而自测的9项患者健康问卷(9-itemPatientHealthQuestionnaire)在临床应用较多28,但依然存在客观性欠佳、评估时效性差等缺点。NIRS作为一种客观的辅助诊断方法，可弥补主观评估评估量表的缺点。Koyanagi等27联合了NIRS和17项汉密尔顿抑郁量表(HamiltonDepressionRatingScale-17zHAMD-17)进行研究，发现患者氧合血红蛋白积分值与HAMD-17总分呈负相关。抑郁组与非抑郁组患者相比，存在氧合血红蛋白积分值降低、额叶激活程度降低,表明用NIRS测定氧合血红蛋白是诊断PSD的有效方法。Li等29将26例PSD患者随机分为接受经颅直流电刺激(transcranialdirectcurrentstimulation,tDCS)的试验组和接受假刺激的对照组。患者在治疗前后接受NIRS结合情绪性别判断任务与工作记忆任务共同评估PFC中氧合血红蛋白的相对浓度变化，证实tDCS可通过增强PFC的有氧代谢来改善PSD患者的负面情绪和工作记忆功能，从而改善抑郁症状。(二)卒中后认知障碍(post-strokecognitiveimpairment,PSCI)PSCI是脑卒中后常见的功能障碍之一，约38%的缺血性脑卒中患者会伴有不同程度的认知障碍30oPSCI可影响患者的生活质量，增加患者家庭的经济负担310NlRS具有成本低、效益佳、禁忌证少的优点，可作为评估PSCI的选择。ObayaShi32采用NIRS技术观察了轻度PSCI患者的前额叶活动，发现轻度PSQ患者MMSE评分的改善与前额叶氧合血红蛋白浓度的升高呈正相关，提示额叶活动可能有助于脑卒中后的认知功能恢复。ChU等33应用NIRS评价间歇性S脉冲串刺激(intermittenttheta-burststimulation,iTBS)和tDCS联合认知训练治疗PSCI的效果，结果提示与单独的认知训练相比，iTBS联合认知训练及tDCS联合认知训练都能极大地改善PSCl患者的认知功能和生活质量。(三)卒中后失语(post-stroke叩hasia)卒中后失语亦是脑卒中后常见的功能障碍，常会对患者的情绪、生活质量、社会参与度和重返工作岗位的能力产生负面影响34o多达38%伴有左脑损害的脑卒中患者在急性期会受到失语的影响35oNlRS可以用于捕捉失语症患者在语言区域一般处理过程中的大脑激活情况。Gilmore等36在年轻健康对照、老年健康对照和左半球卒中诱发性失语症患者应用NIRS期间完成了语义特征、图片命名和算术任务。该研究记录了受试者大脑在处理语言任务过程中激活的部位，证明与其他神经影像学技术相比，NIRS对卒中后失语研究有相近的准确性和可行性。既往研究结果表明，对左脑进行低频重复经白页磁刺激(repetitivetranscranialmagneticstimulation,rTMS)对卒中后失语患者的语言功能改善有效37,但是对患者的右脑进行rTMS的疗效尚存争议38oHara等35纳入8例脑卒中后慢性期的右利手失语症患者,根据干预前患者在执行语言任务时NIRS显示的左右大脑半球的激活程度，将其分为左大脑半球激活组和右大脑半球激活组。左大脑半球激活组接受右额下回1HzrTMS治疗，右大脑半球激活组接受右额下回WHzrTMS治疗，结果提示两组患者治疗后的语言功能均较前有所改善。总之，NIRS可用于脑卒中后非运动功能障碍的辅助诊断和疗效评估，可以弥补量表评估的缺陷。NIRS可以与tDCS和rTMS联合应用，检测患者不同部位的脑区激活状态，从而寻找最佳的刺激部位、刺激参数等，为患者选择最优的治疗方案。四、NIRS的局限性NIRS在临床上尽管具有很好的应用价值，但仍存在一定局限性。第一，设备参数存在差异，包括光源的类型和数量、使用的波长、光源发射器和信号探测器之间的距离、探测器的数量、动静脉比率假设、潜在的专有算法、报告的正常基线值、颅外污染程度等6L所有这些都会影响数据的准确性，使得从一个设备获得的数值不能直接应用于另一个设备。第二，NIRS的应用原理存在自身的局限性。使用NIRS获得的结果受脑外血流、脑脊液、颅骨厚度和髓鞘的影响39L血红蛋白和肌红蛋白具有相似的光学性质40,这可能会导致血红蛋白饱和度被高估，且皮肤色素沉着和房间中使用的照明设备也会影响血红蛋白饱和度数值从而影响结果。第三,红外光无法到达脑的深部沟回、岛叶甚至所有皮质下和幕下部分41,所以NIRS无法作为诊断工具来诊断缺血性病灶，只能诊断大脑浅表2.5cm以内、大于3.5ml出血量的出血性病灶420此外，一些特殊情况也应被考虑在内：当NIRS与脑电图联合使用时，会出现光源、探头与电极相互争夺前额空间的情况；当患者合并前额血肿、前额创伤或行双额骨瓣减压时，会出现无法放置NIRS的情况43,44以及由于出汗而无法长期坚持使用探头的情况等45o五、小结综上所述，NIRS可应用于脑卒中后运动领域及非运动领域的临床及科学研究。NIRS的探测深度较低，仅可探测到大脑皮质而无法获得大脑深部核团的信息，且空间分辨率有限无法获得大脑的结构信息。此外，生理和实验伪影很容易干扰NIRS信号。尽管NIRS在技术上存在不足，但总体来说该项技术具有较高的时间分辨率和相对适中的空间分辨率，设备便携可移动，具有较高的临床实用价值和应用前景。尤其是当fMRI及脑电图等技术受到颅内金属植入物或电脉冲影响时，为临床提供了一种良好的技术补充。在未来，将NIRS与无创性脑刺激技术（如tDCSxtTMS）和脑机接口联用，将大大提高技术整合的优势，为脑卒中的临床应用和科学研究提供有力的工具。相信经过研究者的不断努力，NlRS将会在脑卒中领域发挥更加重要的作用。