fNIRS數(shù)據(jù)采集在腦卒中康復(fù)研究正中神經(jīng)電刺激效應(yīng)的應(yīng)用

        國(guó)家康復(fù)輔具研究中心李增勇教授課題組在《Neurorehabilitation and neural repair》發(fā)表了題為“Median nerve electrical timulation induced changes in effective connectivity in subjects with stroke as assessed with functional near-infrared spectroscopy”的研究論文�；�于近紅外腦功能成像（functional near-infrared spectroscopy, fNIRS）探究了正中神經(jīng)電刺激（MNES）對(duì)腦卒中患者大腦功能網(wǎng)絡(luò)的影響，為腦卒中肢體運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的在線康復(fù)效果評(píng)估提供有效方法。

       該研究需要在神經(jīng)電刺激情況下對(duì)大腦的額葉、運(yùn)動(dòng)區(qū)、枕葉實(shí)現(xiàn)同步檢測(cè)，對(duì)于近紅外腦成像系統(tǒng)的信號(hào)靈敏度提出了極高要求。

       慧創(chuàng)近紅外腦功能成像系統(tǒng)NirSmart融合了北京航空航天大學(xué)高精尖的超微光檢測(cè)技術(shù)，并采用了通常臺(tái)式系統(tǒng)才能裝備的雪崩二極管APD探測(cè)器，相對(duì)上一代的采用光電二極管PD探測(cè)器技術(shù)的靈敏度提升了數(shù)十倍，因而在有頭發(fā)覆蓋的運(yùn)動(dòng)區(qū)能高質(zhì)量地檢測(cè)到腦功能信號(hào)，有效地支撐了本研究地順利開展。  
摘要
背景：有研究證明電刺激對(duì)卒中后運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)有促進(jìn)作用。然而，電刺激對(duì)腦卒中患者的皮質(zhì)可塑性影響尚未完全闡明。
目的：基于功能性近紅外光譜技術(shù)（fNIRS）研究正中神經(jīng)電刺激（MNES）對(duì)腦卒中患者大腦功能網(wǎng)絡(luò)的影響，揭示外周神經(jīng)電刺激在腦功能重組的作用機(jī)制。
方法：應(yīng)用fNIRS設(shè)備分別監(jiān)測(cè)20例腦卒中右側(cè)偏癱患者靜息態(tài)和MNES（作用于患側(cè)腕部）狀態(tài)下雙側(cè)前額葉區(qū)（LPFC/RPFC）、運(yùn)動(dòng)區(qū)（LMC/RMC）和枕葉（LOL/ROL）的腦氧信號(hào)。利用耦合函數(shù)和動(dòng)態(tài)貝葉斯推論，在頻段0.01-0.08Hz范圍內(nèi)構(gòu)建相位耦合模型，評(píng)估與MNES相關(guān)的腦效應(yīng)連接網(wǎng)絡(luò)的變化。
結(jié)果：與靜息態(tài)相比，MNES狀態(tài)下由前額葉指向LOL的耦合強(qiáng)度顯著升高，而由健側(cè)運(yùn)動(dòng)區(qū)指向患側(cè)運(yùn)動(dòng)區(qū)的耦合強(qiáng)度顯著降低。MNES狀態(tài)下卒中患者腦區(qū)間主耦合方向主要由患側(cè)前額葉指向運(yùn)動(dòng)區(qū)和枕葉。
結(jié)論：研究結(jié)果表明，MNES可激發(fā)患側(cè)手部的感覺(jué)運(yùn)動(dòng)刺激，促進(jìn)腦卒中患者健側(cè)和患側(cè)皮質(zhì)區(qū)的功能重組，有助于增強(qiáng)患側(cè)前額葉在大腦網(wǎng)絡(luò)中的調(diào)節(jié)作用。
 
樣本與方法
樣本：共選取招納23例缺血性腦卒中右偏癱患者參與本項(xiàng)研究。入選標(biāo)準(zhǔn)為：（1）影像學(xué)證實(shí)為缺血性卒中，發(fā)病兩周后；（2）大腦單側(cè)病灶區(qū)；（3）>35歲；（4）小學(xué)及以上學(xué)歷。排除標(biāo)準(zhǔn)：（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�。唬�3）皮膚損傷、感染、痛覺(jué)過(guò)敏和刺激區(qū)不耐受；（4）患者或其家屬未簽署知情同意書。實(shí)驗(yàn)是在每個(gè)參與者的理解和書面同意下進(jìn)行的。實(shí)驗(yàn)程序經(jīng)國(guó)家康復(fù)輔具研究中心人類倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，符合1975年《赫爾辛基宣言》（1983年修訂）規(guī)定的倫理標(biāo)準(zhǔn)。
 
fNIRS數(shù)據(jù)采集：
本實(shí)驗(yàn)所采用的是丹陽(yáng)慧創(chuàng)醫(yī)療設(shè)備有限公司所提供型號(hào)為NirSmart的多通道fNIRS儀器。光源典型的波長(zhǎng)分別為760 nm和850 nm。探測(cè)器探頭距離光源的距離為30 mm。數(shù)據(jù)采樣頻率為10 Hz。根據(jù)腦電10-10定位參考在大腦上對(duì)稱布置20個(gè)光源和10個(gè)探頭，共組成共32個(gè)測(cè)量通道，對(duì)稱覆蓋左右前額葉（LPFC/RPFC）、左右運(yùn)動(dòng)區(qū)（LMC/RMC）及左右枕葉（LOL/ROL）。實(shí)驗(yàn)fNIRS的通道布置如圖所示。
實(shí)驗(yàn)流程：本實(shí)驗(yàn)分別在靜息態(tài)（10min）和MNES任務(wù)態(tài)（10min）下進(jìn)行fNIRS信號(hào)的采集。在靜息狀態(tài)和MNES狀態(tài)下，參與者都被要求閉上眼睛，盡可能保持靜止，自然放松狀態(tài)。在MNES狀態(tài)，對(duì)患者右手正中神經(jīng)上方施加功能電刺激，如圖所示。電刺激儀器輸出波形為方波，電流頻率為50Hz，刺激強(qiáng)度設(shè)置為患者可耐受的最高水平（平均16.8±3.1 mA），足以產(chǎn)生明顯的肌肉抽搐或收縮而無(wú)疼痛感。

fNIRS數(shù)據(jù)預(yù)處理及效應(yīng)連接計(jì)算：
首先對(duì)fNIRS采集的光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行低頻濾波（2Hz），以減少儀器噪聲等高頻干擾。然后根據(jù)修正版 Beer-Lambert定律，將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為delta HbO2濃度變化數(shù)據(jù)。去除每一狀態(tài)的前兩分鐘數(shù)據(jù)使得濃度數(shù)據(jù)達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。
預(yù)處理后，應(yīng)用Morlet小波對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行小波分析，提取低頻段0.01-0.08 Hz相位動(dòng)態(tài)信息的振蕩信號(hào)。基于振蕩信號(hào)的相位動(dòng)力學(xué)，建立了各通道對(duì)之間的耦合相位振蕩模型。
統(tǒng)計(jì)分析：
采用單因素方差（ANOVA）來(lái)分別分析靜息態(tài)和MNES狀態(tài)下腦卒中患者腦區(qū)間耦合強(qiáng)度的顯著性差異。采用卡方檢驗(yàn)分析兩種狀態(tài)之間腦區(qū)主耦合方向的顯著性差異，p < 0.05認(rèn)為差異具有統(tǒng)計(jì)顯著性。
 結(jié)果
MNES對(duì)腦區(qū)間效應(yīng)連接的影響
與靜息態(tài)相比，MNES任務(wù)態(tài)下由LPFC、RPFC、LMC和RMC指向LOL的耦合強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)。其中連接LPFC→LOL和連接RPFC→LOL的耦合強(qiáng)度顯著增加。MNES任務(wù)態(tài)下由LMC、RMC、LOL和 ROL指向RPFC的耦合強(qiáng)度較靜息態(tài)下呈上升趨勢(shì)，其中連接LMC→RPFC和LOL→RPFC的耦合強(qiáng)度顯著增加。與靜息態(tài)相比，健側(cè)運(yùn)動(dòng)區(qū)指向患側(cè)運(yùn)動(dòng)區(qū)的耦合強(qiáng)度在MNES狀態(tài)下顯著降低。

                                             圖：靜息態(tài)與MNES狀態(tài)的腦區(qū)間效應(yīng)連接比較
MNES對(duì)腦區(qū)間主耦合方向的影響
靜息態(tài)下腦卒中患者腦區(qū)間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。這一結(jié)果說(shuō)明靜息態(tài)下腦卒中患者的健側(cè)前額葉起主要調(diào)節(jié)作用，而患側(cè)前額葉主要作為調(diào)節(jié)大腦網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動(dòng)區(qū)域的靶點(diǎn)。在MNES狀態(tài)下，腦區(qū)間主耦合方向主要是由LPFC指向LMC、RMC、LOL和ROL。

                                     圖：腦卒中患者腦區(qū)間的主耦合方向靜息態(tài)（A）和MNES狀態(tài)（B）
 
結(jié)論
本研究基于fNIRS技術(shù)，研究了MNES對(duì)腦卒中患者大腦效應(yīng)連接網(wǎng)絡(luò)的影響。主要結(jié)果有：（1）MNES顯著增加前額葉到LOL、LMC和LOL到RPFC的耦合強(qiáng)度，而健側(cè)運(yùn)動(dòng)區(qū)指向患側(cè)運(yùn)動(dòng)區(qū)的耦合強(qiáng)度顯著下降；（2）與靜息態(tài)相比，MNES狀態(tài)下的主耦合方向主要由患側(cè)前額葉指向運(yùn)動(dòng)區(qū)和枕葉；（3）基于fNIRS的效應(yīng)連接分析可以監(jiān)測(cè)MNES對(duì)腦卒中患者大腦功能重組的影響。結(jié)果表明MNES可以激發(fā)患側(cè)手部的感覺(jué)運(yùn)動(dòng)反應(yīng)，誘發(fā)到患側(cè)和健側(cè)皮質(zhì)區(qū)域的功能重組。腦卒中患者在患側(cè)MNES狀態(tài)下前額葉至枕葉的神經(jīng)耦合明顯增強(qiáng)。在MNES狀態(tài)下，腦區(qū)間主耦合方向主要是由患側(cè)前額葉指向雙側(cè)運(yùn)動(dòng)區(qū)和枕葉區(qū)域，這一結(jié)果說(shuō)明MNES可以促進(jìn)患側(cè)前額葉在功能網(wǎng)絡(luò)中的調(diào)節(jié)作用。此外MNES可激發(fā)患側(cè)手部的收縮運(yùn)動(dòng)，在這一過(guò)程中，健側(cè)運(yùn)動(dòng)區(qū)指向患側(cè)運(yùn)動(dòng)區(qū)的耦合強(qiáng)度顯著下降。結(jié)果表明，MNES干預(yù)可導(dǎo)致大腦資源重新分配和誘發(fā)腦卒中患者的皮質(zhì)可塑性變化。因此，研究腦卒中患者M(jìn)NES引起的皮質(zhì)連通性的變化，有助于我們進(jìn)一步解MNES的神經(jīng)作用機(jī)制。
 
參考文獻(xiàn)：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.