fNIRS数据采集在脑卒中康复研究正中神经电刺激效应的...

fNIRS数据采集在脑卒中康复研究正中神经电刺激效应的应用

      国家康复辅具研究中心李增勇教授课题组在《Neurorehabilitation and neural repair》发表了题为“Median nerve electrical timulation induced changes in effective connectivity in subjects with stroke as assessed with functional near-infrared spectroscopy”的研究论文。基于近红外脑功能成像（functional near-infrared spectroscopy, fNIRS）探究了正中神经电刺激（MNES）对脑卒中患者大脑功能网络的影响，为脑卒中肢体运动训练的在线康复效果评估提供有效方法。

       该研究需要在神经电刺激情况下对大脑的额叶、运动区、枕叶实现同步检测，对于近红外脑成像系统的信号灵敏度提出了极高要求。

       慧创近红外脑功能成像系统NirSmart融合了北京航空航天大学高精尖的超微光检测技术，并采用了通常台式系统才能装备的雪崩二极管APD探测器，相对上一代的采用光电二极管PD探测器技术的灵敏度提升了数十倍，因而在有头发覆盖的运动区能高质量地检测到脑功能信号，有效地支撑了本研究地顺利开展。

慧创近红外脑功能成像系统NirSmart

 
摘要
背景：有研究证明电刺激对卒中后运动功能的恢复有促进作用。然而，电刺激对脑卒中患者的皮质可塑性影响尚未完全阐明。
目的：基于功能性近红外光谱技术（fNIRS）研究正中神经电刺激（MNES）对脑卒中患者大脑功能网络的影响，揭示外周神经电刺激在脑功能重组的作用机制。
方法：应用fNIRS设备分别监测20例脑卒中右侧偏瘫患者静息态和MNES（作用于患侧腕部）状态下双侧前额叶区（LPFC/RPFC）、运动区（LMC/RMC）和枕叶（LOL/ROL）的脑氧信号。利用耦合函数和动态贝叶斯推论，在频段0.01-0.08Hz范围内构建相位耦合模型，评估与MNES相关的脑效应连接网络的变化。
结果：与静息态相比，MNES状态下由前额叶指向LOL的耦合强度显著升高，而由健侧运动区指向患侧运动区的耦合强度显著降低。MNES状态下卒中患者脑区间主耦合方向主要由患侧前额叶指向运动区和枕叶。
结论：研究结果表明，MNES可激发患侧手部的感觉运动刺激，促进脑卒中患者健侧和患侧皮质区的功能重组，有助于增强患侧前额叶在大脑网络中的调节作用。
 
样本与方法
样本：共选取招纳23例缺血性脑卒中右偏瘫患者参与本项研究。入选标准为：（1）影像学证实为缺血性卒中，发病两周后；（2）大脑单侧病灶区；（3）>35岁；（4）小学及以上学历。排除标准：（1）存在任何临床显著的或不稳定的疾病（2）存在任何卒中以外的神经精神疾病；（3）皮肤损伤、感染、痛觉过敏和刺激区不耐受；（4）患者或其家属未签署知情同意书。实验是在每个参与者的理解和书面同意下进行的。实验程序经国家康复辅具研究中心人类伦理委员会批准，符合1975年《赫尔辛基宣言》（1983年修订）规定的伦理标准。
 
fNIRS数据采集：
本实验所采用的是丹阳慧创医疗设备有限公司所提供型号为NirSmart的多通道fNIRS仪器。光源典型的波长分别为760 nm和850 nm。探测器探头距离光源的距离为30 mm。数据采样频率为10 Hz。根据脑电10-10定位参考在大脑上对称布置20个光源和10个探头，共组成共32个测量通道，对称覆盖左右前额叶（LPFC/RPFC）、左右运动区（LMC/RMC）及左右枕叶（LOL/ROL）。实验fNIRS的通道布置如图所示。
实验流程：本实验分别在静息态（10min）和MNES任务态（10min）下进行fNIRS信号的采集。在静息状态和MNES状态下，参与者都被要求闭上眼睛，尽可能保持静止，自然放松状态。在MNES状态，对患者右手正中神经上方施加功能电刺激，如图所示。电刺激仪器输出波形为方波，电流频率为50Hz，刺激强度设置为患者可耐受的最高水平（平均16.8±3.1 mA），足以产生明显的肌肉抽搐或收缩而无疼痛感。

fNIRS数据预处理及效应连接计算：
首先对fNIRS采集的光强信号进行低频滤波（2Hz），以减少仪器噪声等高频干扰。然后根据修正版 Beer-Lambert定律，将原始数据转化为delta HbO2浓度变化数据。去除每一状态的前两分钟数据使得浓度数据达到一个稳定状态。
预处理后，应用Morlet小波对数据进行小波分析，提取低频段0.01-0.08 Hz相位动态信息的振荡信号。基于振荡信号的相位动力学，建立了各通道对之间的耦合相位振荡模型。
统计分析：
采用单因素方差（ANOVA）来分别分析静息态和MNES状态下脑卒中患者脑区间耦合强度的显著性差异。采用卡方检验分析两种状态之间脑区主耦合方向的显著性差异，p < 0.05认为差异具有统计显著性。
 结果
MNES对脑区间效应连接的影响
与静息态相比，MNES任务态下由LPFC、RPFC、LMC和RMC指向LOL的耦合强度呈上升趋势。其中连接LPFC→LOL和连接RPFC→LOL的耦合强度显著增加。MNES任务态下由LMC、RMC、LOL和 ROL指向RPFC的耦合强度较静息态下呈上升趋势，其中连接LMC→RPFC和LOL→RPFC的耦合强度显著增加。与静息态相比，健侧运动区指向患侧运动区的耦合强度在MNES状态下显著降低。

                                             图：静息态与MNES状态的脑区间效应连接比较
MNES对脑区间主耦合方向的影响
静息态下脑卒中患者脑区间的主耦合方向主要是由RPFC指向LPFC、LMC和RMC以及由LMC和RMC指向LPFC。这一结果说明静息态下脑卒中患者的健侧前额叶起主要调节作用，而患侧前额叶主要作为调节大脑网络运动区域的靶点。在MNES状态下，脑区间主耦合方向主要是由LPFC指向LMC、RMC、LOL和ROL。

                                     图：脑卒中患者脑区间的主耦合方向静息态（A）和MNES状态（B）
 
结论
本研究基于fNIRS技术，研究了MNES对脑卒中患者大脑效应连接网络的影响。主要结果有：（1）MNES显著增加前额叶到LOL、LMC和LOL到RPFC的耦合强度，而健侧运动区指向患侧运动区的耦合强度显著下降；（2）与静息态相比，MNES状态下的主耦合方向主要由患侧前额叶指向运动区和枕叶；（3）基于fNIRS的效应连接分析可以监测MNES对脑卒中患者大脑功能重组的影响。结果表明MNES可以激发患侧手部的感觉运动反应，诱发到患侧和健侧皮质区域的功能重组。脑卒中患者在患侧MNES状态下前额叶至枕叶的神经耦合明显增强。在MNES状态下，脑区间主耦合方向主要是由患侧前额叶指向双侧运动区和枕叶区域，这一结果说明MNES可以促进患侧前额叶在功能网络中的调节作用。此外MNES可激发患侧手部的收缩运动，在这一过程中，健侧运动区指向患侧运动区的耦合强度显著下降。结果表明，MNES干预可导致大脑资源重新分配和诱发脑卒中患者的皮质可塑性变化。因此，研究脑卒中患者MNES引起的皮质连通性的变化，有助于我们进一步解MNES的神经作用机制。
 
参考文献：Congcong Huo, Xinglou Li, jing Jing, Yanping Ma, Wenhao Li, Yanqin Wang, Wanlin Liu, Yubo Fan, Shouwei Yue, Yonghui Wang *, Zengyong Li *. Median nerve electrical timulation induced changes in effective connectivity in subjects with stroke as assessed with functional near-infrared spectroscopy[J]. Neurorehabilitation and neural repair (2019): 1545968319875952.