喜報頻傳，國家康復輔具研究中心李增勇教授課題組在《Scientific reports》發(fā)表了題為“Limb linkage rehabilitation training-related changes in cortical activation and effective connectivity after stroke: A functional near-infrared spectroscopy study”的研究論文?；?/span>近紅外腦功能成像（functional near-infrared spectroscopy, fNIRS）探究了四肢聯(lián)動訓練中腦卒中患者的腦功能響應模式，為腦卒中肢體運動訓練的在線康復效果評估提供有效方法。

慧創(chuàng)近紅外腦功能成像系統(tǒng)NirScan的高靈敏度技術(shù)優(yōu)勢，助力該研究實現(xiàn)對前額、有頭發(fā)覆蓋的運動區(qū)和枕葉的同步高精準檢測。

慧創(chuàng)近紅外腦功能成像系統(tǒng)NirScan

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摘要：

在*范圍內(nèi)，腦卒中是目前人口致殘的主要原因?？祻陀柧殞δX卒中后運動功能恢復至關(guān)重要。四肢聯(lián)動康復訓練可以同時刺激并調(diào)動上下肢的運動功能。本研究旨在通過功能性近紅外光譜（fNIRS）成像技術(shù)，探討腦卒中后與四肢聯(lián)動康復訓練任務相關(guān)的大腦皮層激活和效應連接（EC）網(wǎng)絡的變化。本研究共招募了13例腦卒中患者（左側(cè)偏癱L-H組，n=6；右側(cè)偏癱R-H組，n=7）和16例健康對照。采用多通道fNIRS系統(tǒng)采集（1）靜息態(tài)10min和（2）四肢聯(lián)動康復訓練20min狀態(tài)下雙側(cè)前額葉皮質(zhì)（PFCs）、運動皮質(zhì)（MCs）和枕葉（OLs）的大腦氧合血紅蛋白（delta-HbO2）和脫氧血紅蛋白（delta-HHb）的濃度變化（任務態(tài)的前10min為[task_S1]，后10min為[task_S2]）?；隈詈虾瘮?shù)和動態(tài)貝葉斯推論，分別計算不同頻率間隔的腦效應連接網(wǎng)絡：高頻段I（0.6-2Hz）和II（0.145-0.6Hz）、低頻III（0.052-0.145Hz）和極低頻IV（0.021-0.052Hz）。結(jié)果表明，與健康對照組相比，腦卒中患者在運動任務狀態(tài)下表現(xiàn)出不對稱的（健側(cè)運動區(qū)比患側(cè)運動區(qū)激活程度大）皮質(zhì)激活模式。與健康對照組相比，腦卒中患者在靜息態(tài)和任務狀態(tài)下，頻率間隔I和II的EC顯著降低（p<0.025）。在靜息態(tài)和任務狀態(tài)下，R-H組從MC和OL到右側(cè)PFC的耦合強度顯著高于對照組（p<0.025）。此外，與對照組相比，在任務狀態(tài)下，L-H組在第III和第IV頻段內(nèi)從MC和OL到左側(cè)PFC的耦合強度顯著升高（p<0.025）。腦卒中患者在運動任務狀態(tài)下，低頻和極低頻段內(nèi)MC和OL指向健側(cè)PFC的影響顯著增加，提示腦卒中患者在運動康復任務中，可通過調(diào)用認知資源重組以補償損傷。研究結(jié)果也表明，采用四肢聯(lián)動訓練需要選擇合適的康復時機才能有利于患側(cè)腦區(qū)重塑。fNIRS結(jié)合動態(tài)貝葉斯推論，可為腦卒中肢體運動訓練的在線康復效果評估提供有效方法，這對于制訂康復策略有重要意義。

樣本與方法

樣本：本研究共招募29名參與者參加本次實驗，其中共有13名卒中患者包括左側(cè)偏癱（L-H組）6人、右側(cè)偏癱（R-H組）7人，以及16名年齡匹配、沒有神經(jīng)系統(tǒng)疾病的健康對照組。腦卒中患者的納入標準為（1）缺血性腦卒中，發(fā)病時間>2周；（2）大腦單側(cè)病灶區(qū)；（3）偏癱側(cè)上肢和下肢存在中度或重度運動功能障礙。腦卒中患者的排除標準：（1）存在任何臨床顯著的或不穩(wěn)定的疾病；（2）存在任何卒中以外的神經(jīng)精神疾病。腦卒中患者的樣本信息如表1 所示。實驗是在每個參與者的理解和書面同意下進行的。實驗程序經(jīng)國家康復輔具研究中心人類倫理委員會批準，符合1975年《赫爾辛基宣言》（1983年修訂）規(guī)定的倫理標準。

實驗過程：

實驗開始前，首先讓被試者在安靜的環(huán)境中休息放松5min。休息后，在一個安靜昏暗的房間里要求被試者保持一個舒適的坐姿，盡可能保持靜止，清醒放松，閉上眼睛休息10min。然后準備執(zhí)行運動四肢聯(lián)動康復訓練任務（Model: REX7000, SCIFIT, USA）。臨床治療師幫助每個參與者坐下，然后根據(jù)需要調(diào)整扶手、踏板和靠背，保證在運動過程的舒適度。腦卒中患者在運動時用繃帶將其偏癱側(cè)固定，保證安全。所有康復訓練任務樣本均采用統(tǒng)一訓練強度。在實驗過程中，由專業(yè)治療師指導，要求被試者以自主速度進行上下肢聯(lián)動康復訓練，訓練時間為20min。運動康復任務的前10min定義為Session 1 (task_S1)，后一個10min定義為Session 2 (task_S2)。實驗過程如圖1(A)所示。

fNIRS數(shù)據(jù)采集：

采用三波長fNIRS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（丹陽慧創(chuàng)醫(yī)療設備有限公司）分別在靜息狀態(tài)和康復任務狀態(tài)下檢測被試者的腦血流動力學變化。光源和探測器之間的距離設置為30mm，數(shù)據(jù)采集頻率10Hz。根據(jù)腦電10-10定位參考在大腦上對稱布置10個光源和16個探頭，共組成共24個測量通道，對稱覆蓋左右前額葉（LPFC/RPFC）、左右運動區(qū)（LMC/RMC）及左右枕葉（LOL/ROL）。實驗fNIRS的通道布置如圖1B所示。

圖1 （A）實驗過程；（B）fNIRS通道的配置

大腦效應連接分析：應用Morlet小波對濃度變化數(shù)據(jù)進行小波變換分析，得到任一時間和頻率點的瞬時相位信息。在本研究中，應用小波變換獲取高頻段I（0.6–2 Hz）和II（0.145–0.6 Hz）、低頻段III（0.052–0.145 Hz）及超低頻段IV（0.021–0.052 Hz）的相位動態(tài)振蕩信號。動態(tài)振蕩信號之間的相互作用可用相應的耦合函數(shù)來描述。在本研究中，基于振蕩信號特定頻率的相位動力學，建立每個通道對信號之間的相位振蕩耦合模型。利用動態(tài)貝葉斯推論，得到可用來完整描述振子間交互作用的耦合參數(shù)。耦合參數(shù)可以定量描述耦合系統(tǒng)之間的耦合強度和耦合方向等信息。在本研究中，我們基于原始信號對應生成100個AAFT替代信號，計算AAFT信號間的耦合參數(shù)用于檢驗真實信號間耦合參數(shù)的有效性，由此得到各個頻率間隔內(nèi)通道間有效的耦合強度及耦合方向，以此來開展基于fNIRS的效應連接分析。

基于腦區(qū)的腦效應連接網(wǎng)絡：

本研究分別基于delta HbO₂和delta HHb信號報告了運動康復訓練任務對卒中后腦效應連接網(wǎng)絡的影響，以進一步探討腦卒中患者的神經(jīng)康復機制。為了更加清晰的描述大腦六個腦區(qū)間的EC關(guān)系，24通道對間有效的CS根據(jù)通道在腦區(qū)的分布情況平均為30個有向的交互連接，分別為LPFC→RPFC，LPFC→LMC，LPFC→RMC，LPFC→LOL，LPFC→ROL，RPFC→LPFC，RPFC→LMC，RPFC→RMC，RPFC→LOL，RPFC→ROL，LMC→LPFC，LMC→RPFC，LMC→RMC，LMC→LOL，LMC→ROL，RMC→LPFC，RMC→RPFC，RMC→LMC，RMC→LOL，RMC→ROL，LOL→LPFC，LOL→RPFC，LOL→LMC，LOL→RMC，LOL→ROL，ROL→LPFC，ROL→RPFC，ROL→LMC，ROL→RMC，ROL→LOL，其中腦區(qū)1→腦區(qū)2，腦區(qū)1是耦合作用的來源腦區(qū)，腦區(qū)2是耦合作用的目標腦區(qū)。

結(jié)果

康復任務中的皮質(zhì)激活模式：

如圖3所示，三組被試分別在靜息態(tài)、task_S1和task_S2狀態(tài)下與delta HbO₂信號相關(guān)的皮層激活模式。與靜息態(tài)相比，健康對照組在運動任務狀態(tài)下其雙側(cè)運動區(qū)表現(xiàn)出delta HbO₂的增加和delta HHb的減少。然而，與靜息態(tài)相比，任務態(tài)下可以觀察到腦卒中患者健側(cè)運動區(qū)delta HbO₂濃度的增加大于患側(cè)運動區(qū)。這一結(jié)果表示與健康對照組相比，運動時腦卒中患者表現(xiàn)出不對稱的皮層激活模式（健側(cè)運動區(qū)較患側(cè)運動激活程度大）。

圖3 在不同狀態(tài)下的大腦皮層激活模式（A）健康對照組；（B）右偏癱患者；和（C）左偏癱患者

與卒中相關(guān)的效應連接變化：

在頻率間隔III（圖4），L-H組在task_S1狀態(tài)下連接RMC→LPFC的耦合強度顯著大于健康對照組，在task_S2狀態(tài)下連接LMC→LPFC，RMC→LPFC和ROL→LPFC的耦合強度顯著大于健康對照組。

圖4 頻率間隔III內(nèi)大腦效應連接網(wǎng)絡不同狀態(tài)間的變化（A）健康對照組；（B）右偏癱患者和（C）左偏癱患者

結(jié)論

研究發(fā)現(xiàn)在四肢聯(lián)動康復過程中，腦卒中患者健側(cè)運動區(qū)表現(xiàn)出比患側(cè)運動區(qū)更強的激活程度。這表明與健康對照組相比，腦卒中患者存在不對稱的皮質(zhì)激活模式。同時基于耦合相位振蕩模型和動態(tài)貝葉斯推論分別計算信號delta HbO2和delta HHb不同頻率間隔下的耦合參數(shù)。基于fNIRS技術(shù)監(jiān)測大腦皮層激活和不同頻率間隔內(nèi)的效應連接來探究與四肢聯(lián)動康復訓練有關(guān)的卒中后功能網(wǎng)絡重組機制。在靜息態(tài)和任務態(tài)下，R-H組指向RPFC連接的耦合強度顯著高于健康對照組。在頻段III和IV，L-H組指向LPFC連接的耦合強度顯著大于健康對照組。在delta HHb信號分析中也存在類似的結(jié)果。研究結(jié)果表明，腦卒中患者在運動康復任務中，調(diào)用認知資源以補償運動功能損傷。本研究證實了基于fNIRS技術(shù)在評估康復任務對卒中后大腦皮質(zhì)重組影響方面的適用性。研究結(jié)果也表明，采用四肢聯(lián)動訓練需要選擇合適的康復時機才能有利于患側(cè)腦區(qū)重塑。fNIRS結(jié)合動態(tài)貝葉斯推論，可為腦卒中肢體運動訓練的在線康復效果評估提供有效的方法。 此外，本研究還可為卒中后康復治療新技術(shù)發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。

參考文獻：

Huo C, Xu G, Li Z, et al. Limb linkage rehabilitation training-related changes in cortical activation and effective connectivity after stroke: A functional near-infrared spectroscopy study[J]. Scientific reports, 2019, 9(1): 6226.