脑功能性近红外光谱技术在新生儿领域中的研究进展

功能性近红外光谱技术(functional near-infrared spectroscopy,fNIRS)是一种新兴的神经影像学检查工具,根据神经血管耦合机制,通过监测脑氧代谢的变化反映脑部神经元的活动功能,无创便捷,尤其适合新生儿脑功能监测。该文对新生儿语言、音乐和情绪的脑网络发育规律,新生儿护理的脑网络成像,静息态脑网络连接规律,以及疾病状态下脑功能成像特点等方面的fNIRS相关研究进行综述。

近红外脑功能成像技术在缺血性脑卒中神经功能评估中的应用研究进展

近红外脑功能成像(NIRS)是一项新兴的光学成像技术,可通过监测脑组织氧合状态评估脑血流灌注及脑代谢情况,具备无创、易于床旁、动态监测、价格低廉等特点,在临床评估缺血性脑卒中患者脑功能状态方面具有较高的应用价值。NIRS在缺血性脑卒中脑区功能交互关系、功能障碍、多模态脑功能监测、人工智能治疗缺血性脑卒中神经功能评估中的应用具有广阔前景,有望在脑卒中的精准评估中发挥重要作用。

功能近红外光谱技术应用于脑老化前额叶功能特征分析的研究进展

脑老化是与年龄增长相关的正常的中枢神经系统退行性改变,与认知、步行和平衡功能的退化密切相关。前额叶(PFC)是参与功能代偿的主要脑区之一,对脑老化带来的功能退化有主要调控作用。利用近年来新兴的功能性近红外光谱技术(fNIRS),同步认知、步行和平衡任务可进行动态监测前额叶和其他脑区的皮质血流氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度,并进一步结合血管耦合机制进行脑功能分析,可深入探讨前额叶在脑老化中的调控机制,旨在为今后相关临床实践和研究提供参考。

健康人和脑卒中患者视觉反馈步行训练后脑激活特征的功能性近红外光谱技术研究

目的 比较健康受试者和脑卒中患者在视觉反馈步行训练(TWVF)时的皮质激活特征。方法 2021年8月至11月,厦门市第五医院招募8例脑卒中右侧偏瘫住院患者(患者组)和8例健康受试者(健康组)。两组均佩戴功能性近红外光谱帽并完成TWVF任务,范式包括预备期(10 s)和任务期(“迈步30 s-休息30 s”5个循环)。测量两组大脑皮质激活β值,感兴趣区(ROI)包括前运动皮质(PMC)、辅助运动区(SMA)、感觉运动皮质(S1与M1合称SMC)。结果 健康组步行时双侧M1无明显激活,左半球SMA、PMC和S1激活(P <0.05);患者组步行时健(右)侧半球M1激活程度高于患(左)侧半球,PMC激活程度低于患侧(P <0.05)。患者组双侧半球M1、健侧SMA和患侧PMC的激活程度高于健康组(P <0.05)。结论 脑卒中偏瘫患者在步行时涉及更多的SMC-PMC-SMA运动网络激活。健康受试者步行时无明显M1激活,偏瘫患者健侧M1存在代偿激活现象。

基于近红外光谱成像技术的脑卒中后偏瘫步态脑功能成像研究

目的:采用近红外光谱成像技术(fNIRS)动态追踪脑卒中后偏瘫病人步行时脑激活及脑网络的变化过程,探讨脑卒中后运动-认知相关脑区的脑功能机制。方法:采用横断面研究方式,纳入2020年10月—2020年12月在广州医科大学附属第五医院康复科住院的脑卒中病人10例为脑卒中组,招募10名健康老年人为对照组。对两组受试者进行步行同步fNIRS评估,比较两组受试者双侧前额叶皮质(PFC)和顶叶运动皮质(MC)含氧血红蛋白(HbO)浓度、脑功能连接(FC)情况。结果:脑卒中组患侧PFC的HbO浓度明显高于对照组非优势侧/右侧PFC(P<0.05);而脑卒中组健侧PFC的HbO浓度也明显高于对照组优势侧/左侧PFC(P<0.05)。脑卒中组患侧MC的HbO浓度明显高于对照组非优势侧/右侧MC(P<0.05);而脑卒中组健侧MC的HbO浓度高于对照组优势侧/左侧MC(P<0.05)。与对照组相比,脑卒中组双侧MC、健侧MC-健侧PFC、健侧MC-患侧PFC、患侧MC-健侧PFC和患侧MC-患侧PFC的脑功能连接明显增强(P<0.01)。结论:与健康老年人相比,脑卒中病人步行时的双侧前额叶皮质及患侧运动皮质的激活均增多,且前额叶与运动皮质间的功能连接也明显增强,提示前额叶的认知脑区在脑卒中后偏瘫病人的步行中起到了重要的代偿作用,可用于指导脑卒中病人步态康复策略的制定。

基于功能性近红外光谱技术的脑卒中患者下肢功能康复研究进展

脑卒中是导致患者残疾和死亡的主要原因[1]。患者因残疾无法独立生活,给家庭和社会带来巨大负担[2-3]。脑功能检测技术可监测大脑活动期间的变化,为评估脑卒中康复治疗的效果提供帮助[1]。相关的脑功能检测技术有脑电图(electroencephalogram,EEG)、功能性磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)、正电子发射型计算机断层显像(positron emission computed tomography,PET)、功能性近红外光谱(functional near-infrared spectroscopy,fNIRS)等[4-5]。

功能近红外光谱成像技术评估运动想象疗法对脑卒中患者脑功能的影响

目的:利用功能近红外光谱成像技术(fNIRs)探讨运动想象疗法对上肢功能障碍的脑卒中患者脑功能的影响。方法:将卒中后上肢功能障碍患者20例随机分为治疗组和对照组,每组各10例。对照组患者予以常规药物、常规运动康复训练;治疗组在对照组基础上予以运动想象训练。于治疗前、治疗4周、8周后,采用功能独立性评定量表(FIM)和Fugl-Meyer上肢功能评定量表(FMA-U)评估疗效,同时采用f NIRs采集系统检测大脑组织氧合血红蛋白(Oxy-Hb)相对变化,以探讨特定脑区激活模式和响应特征。结果:治疗前,2组患者FIM、FMA-U评分差异无统计学意义(P>0.05)。治疗4周、8周后,2组患者FIM、FMA-U评分均较同组治疗前提高(P<0.05),且治疗组评分均高于同时间点的对照组评分(P<0.05)。f NIRs三维脑成像图显示,康复训练刺激脑组织的兴奋部位主要是皮质运动区的中上段(Brodmann 4区),随着治疗时间的增加,2组患者皮质兴奋区域面积增加,且治疗组增加的程度更大;与治疗前比较,2组治疗4周、8周后脑组织Oxy-Hb浓度均显著提高(P<0.05),且治疗组Oxy-Hb浓度高于对照组(P<0.05)。相关性分析结果显示,FIM得分与Oxy-Hb浓度相对值呈正相关(r=0.657,P<0.05),FMA-U与Oxy-Hb浓度相对值呈正相关(r=0.807,P<0.05)。结论:卒中后上肢功能活动障碍患者大脑运动前区、运动区皮质存在明显抑制现象。单纯运动康复训练、运动想象疗法联合运动康复训练均能激活相关脑区功能活动,且后者激活效果及功能改善更显著。

运动损伤与功能性近红外光谱技术综述

随着全民运动的兴起,运动损伤的发生率逐年增加,同时,随着人们经济生活的提高,对运动损伤后的康复更为重视。目前的运动损伤康复治疗以肢体功能康复为主,但运动损伤后脑功能变化也开始受到研究者的关注。功能性近红外光谱技术(fNIRS)以其抗干扰性、便携性等特点,可较好地应用于运动损伤患者的脑功能检测中。本文对运动损伤康复及fNIRS的研究成果进行了归纳总结,探讨了运动损伤康复的现状和研究进展,分析fNIRS及其在研究运动损伤后损伤肢体神经控制机制的应用价值,为进一步提升运动损伤的康复效果提出新思路。

功能性近红外光谱成像技术评估脑卒中患者上肢运动功能康复:任务态范式

功能性近红外光谱成像技术(fNIRS)是新兴的脑功能影像技术,通过检测大脑皮质血氧活动水平变化间接反映神经活动强度,适用于脑卒中康复评定与康复干预治疗领域的临床实践,但相关临床应用尚无标准化试验范式与技术指标。本文从方法学角度梳理fNIRS用于评估脑卒中患者上肢运动功能康复的常用任务态范式与指标。

近红外脑功能成像在中枢神经系统疾病中的运用及研究进展

目前,应用功能性近红外光谱(fNIRS)对大脑功能进行检测的技术已经得到了广泛的研究与应用。通过fNIRS进行检测,具有快捷、方便、安全、效益高、无创、长期实时监测等特点。本文对fNIRS原理及技术进行简单介绍,重点阐述了fNIRS在各种中枢神经系统疾病中的应用及研究进展,并进一步探讨fNIRS在认知功能障碍中的相关应用及其在中枢神经系统疾病运用中的优缺点,最后对fNIRS技术进行了展望。

学龄前孤独症儿童额颞叶静息态功能连接特征近红外光谱成像研究

目的基于功能性近红外光谱成像技术(functional near-infrared spectroscopy,fNIRS)探索学龄前孤独症谱系障碍(autism spectrum disorder,ASD)儿童额颞叶的静息态脑功能连接(resting-state functional connectivity,rsFC)特征,寻找早期识别ASD可能的神经生物学标志。方法纳入63例学龄前ASD儿童和72名典型发育(typical development,TD)健康儿童,选取双侧背外侧前额叶皮质(dorsolateral prefrontal cortex,DLPFC)、双侧运动前皮质(premotor cortex,PMC)和双侧颞叶皮质(temporal lobe,TL)作为感兴趣区域(region of interest,ROI),使用fNIRS采集两组儿童静息态下氧合血红蛋白变化情况,比较功能连接强度并进行偏侧化分析。结果ASD组相较于TD组,rsFC强度降低有统计学意义(P<0.05),差异主要存在于左侧ROIs(0.21±0.11 vs.0.32±0.18)、右侧ROIs(0.16±0.16vs.0.30±0.14)、双侧DLPFC内(左0.20±0.14 vs.0.39±0.17;右0.15±0.13 vs.0.36±0.13)、双侧TL内(左0.15±0.14 vs.0.28±0.17;右0.14±0.15 vs.0.31±0.17),以及10组ROI-ROI之间(包括右DLPFC-左DLPFC、右DLPFC-右PMC、右DLPFC-左PMC、右DLPFC-右TL、右DLPFC-左TL、左DLPFC-右PMC、左DLPFC-左PMC、左DLPFC-右TL、左DLPFC-左TL、右TL-左TL)。ASD组与TD组DLPFC(t=2.002,P=0.047)和全脑(t=3.003,P=0.003)的偏侧化指数存在统计学差异,ASD组呈偏左侧化连接。结论学龄前ASD儿童额颞叶rsFC异常,主要表现为双侧DLPFC和双侧TL的短程功能连接降低、与DLPFC相关的长程功能连接降低以及偏左侧化连接等特征。

精神分裂症在语义言语流畅性任务下近红外光谱成像特征探究

目的通过近红外光成像技术,探索在语义言语流畅性任务下,精神分裂症患者和健康人群额叶脑区激活的差异,寻找识别精神分裂症的客观指标。方法共纳入60例精神分裂症患者(研究组)、39名性别、年龄与之匹配的健康对照者(对照组)进行测试,采用阳性与阴性症状量表(PANSS)对患者症状严重程度进行评估,采用蒙特利尔认知评估量表(MoCA)进行认知评估,利用52通道ETG-4100近红外光谱仪采集两组人群前额叶的氧合血红蛋白(Oxy-Hb)的相对浓度值。结果研究组组词正确总数及每一个类别的组词正确数均低于对照组(P<0.001)。研究组执行语义流畅性任务时,脑区激活通道数小于对照组(通道激活数:28 vs.51),差异主要位于背侧额极皮层区,其次是双侧颞上回(FDR矫正P<0.05)。受教育年限、发病次数和言语流畅性任务的正确组词个数对认知功能有一定影响。结论精神分裂症患者有明显的语义言语流畅性缺陷,可能与背侧额极皮层区及双侧颞上回激活功能下降有关。发病次数越多,认知下降越明显。

平板步行训练中帕金森病患者脑网络的功能性近红外光谱技术研究

目的:应用功能性近红外光谱技术(functional near-infrared spectroscopy,f NIRS)研究帕金森病(Parkinson’s disease,PD)患者在静息态及平板步行训练中脑功能网络的改变。方法:本研究纳入PD患者10例作为试验组(PD组),同时招募健康对照(Healthy controls,HC)10例(HC组)。分别采集两组受试者在静息态和平板步行训练时的f NIRS数据,通过计算脑功能网络拓扑属性以评估PD组和HC组的两种全局指标:小世界参数,包括集群系数(clustering coefficient,Cp)、最短路径长度(shortest path length,Lp)和小世界属性(small world properties,σ);网络效率参数,包括全局效率(global efficiency,Eg)和局部效率(local efficiency,Eloc)。结果:(1)PD组和HC组的σ值均大于1,符合小世界网络的特征且两者之间无显著性差异(P>0.05)。(2)静息态下,PD组的Cp,Lp和Eloc显著低于HC组(P=0.0124,0.0475,0.0381),但PD组的Eg显著增强(P=0.0330)。(3)平板步行训练中,PD组的Lp较HC组降低(P=0.0193),Eg较HC组增强(P=0.0483),两组间的Cp和Eloc无显著性差异(P>0.05)。结论:PD患者存在皮层连接的过度增强,脑网络功能分离与整合之间的平衡被扰乱。平板步行训练可能通过调节局部脑网络之间的连通性,改善其脑功能,从而促进PD患者的康复。

功能性近红外光谱技术在脑卒中患者运动功能康复中的应用进展

脑卒中是我国成人致死、致残的首要病因[1],约70%—80%的卒中患者因残疾而不能独立生活[2],给家庭和社会带来沉重的经济负担。循证医学指出,脑卒中康复是降低致残率最有效的途径[3],而对脑卒中患者进行精准评定、制定个性化的康复治疗方案是脑卒中康复发展的必然趋势[4]。

基于功能性近红外光谱技术探索脑卒中恢复期患者障碍躲避的皮层调控机制的研究进展

脑卒中是一种极为常见的高死亡率、高致残率疾病[1—2],对人类的生命健康造成了极大的威胁。随着康复医学的介入,越来越多脑卒中后患者重获了基础步行能力。由此,障碍躲避成为一项更具挑战性的关卡,它关系到脑卒中患者病后生活质量的高低。然而目前在临床上,关于障碍躲避能力皮层调控机制的研究很少。

脑卒中后认知功能障碍患者的功能性近红外脑网络特征分析

目的基于功能性近红外光谱技术(fNIRS)观察不同严重程度的脑卒中后认知功能障碍(PSCI)患者脑网络激活情况及功能连接差异。方法选择2020年4—11月复旦大学附属华山医院浦东院区康复科门诊及病房就诊的脑卒中患者40例,根据简易精神状态检查量表(MMSE)评分分为正常组14例、轻中度组11例、重度组15例。采用Fugl-Meyer运动功能评定量表(FMA)和功能综合评定量表(FCA)评估患者上、下肢运动功能;应用64通道fNIRS功能成像设备采集患者的静息态脑网络数据,并分析3组基于氧合血红蛋白(HbO2)和脱氧血红蛋白(HbR)的全脑功能连通性,以及背侧注意网络(DAN)、感觉运动网络(SEN)、腹侧注意网络(VAN)、额顶网络(FPN)、默认模式网络(DMN)、视觉网络(VIS)的同源脑网络功能连接强度和异源脑网络功能连接强度的差异。结果(1)运动功能:3组FMA、FCA运动功能评分差异均无统计学意义(P>0.05)。(2)全脑功能连通性及同源脑网络功能连接强度:3组基于HbO2、HbR的全脑功能连通性差异均无统计学意义(P>0.05)。与正常组比较,重度组基于HbO2的SEN区及FPN区同源脑网络功能连接强度差异有统计学意义(P<0.05);3组基于HbR的同源脑网络各感兴趣区间差异均无统计学意义(P>0.05)。(3)异源脑网络功能连接强度:与正常组比较,重度组SEN-VAN、SEN-DMN、SEN-FPN、VAN-FPN、DMN-FPN的异源脑网络功能连通强度均明显降低,差异均具有统计学意义(P<0.05);与轻中度组比较,重度组SEN-DAN、SEN-FPN的异源脑网络功能连通强度均明显降低,差异均具有统计学意义(P<0.05)。3组基于HbR的异源脑网络功能连接强度差异均无统计学意义(P>0.05)。(4)SEN-FPN异源脑网络功能连接与MMSE、FCA认知功能评分相关性分析:MMSE评分(r=0.32,P<0.05)和FCA评分(r=0.38,P<0.05)与SEN-FPN异源脑网络功能连接均呈正相关关系。结论SEN区和FPN区同源脑网络功能连接可能对脑卒中患者认知功能有重要作用;异源脑网络功能连接模式的改变可能与脑卒中后认知功能障碍的发生与进展密切相关;SEN-FPN功能连接强度变化可能是脑卒中患者认知功能下降的潜在影像学指标。

采用上肢运动游戏治疗卒中后轻度认知障碍并结合功能性近红外光谱技术进行疗效评估的研究

目的:探讨运动游戏对轻度认知障碍脑卒中患者的治疗效果以及功能性近红外光谱技术在上肢运动游戏训练治疗卒中后轻度认知障碍疗效评估中的应用。方法:将46例轻度认知障碍脑卒中患者按随机数字表法分为观察组和对照组各23例。对照组采用上肢功能性运动训练,30min/次,1次/d, 5d/周,治疗共4周。观察组采用上肢运动游戏训练,30min/次,1次/d, 5d/周,治疗共4周。治疗前后采用蒙特利尔认知评估量表(MoCA)、功能性近红外光谱技术(fNIRS)、Fugl-Meyer运动功能评估量表上肢部分(FMA-UL)和改良Barthel指数(MBI)评估患者的治疗效果。结果:治疗后,对照组和观察组fNIRS、MoCA、FMA-UL和MBI等项目评分较治疗前均有所提高(均P<0.05)。与对照组相比,观察组fNIRS重心值、MoCA、FMA-UL评分高于对照组(均P<0.05),MBI评分无显著性差异。轻度认知障碍脑卒中患者MoCA分数提高与fNIRS重心值降低呈正相关(P<0.01)。结论:上肢运动游戏训练可更好的改善卒中后轻度认知障碍和运动功能障碍,功能性近红外光谱技术可应用于卒中后认知功能障碍康复疗效评价。

健康成年人反复唾液吞咽测试期间的近红外脑功能成像

背景:吞咽是一种复杂的运动,吞咽的整个过程需要2个大脑半球皮质、脑干、特定的脑神经和咽部感受器之间的协同参与,而大脑皮质在吞咽过程中的作用及其对吞咽的影响仍然是一个待解决的问题。目的:使用功能性近红外光谱分析健康成年人反复唾液吞咽测试时大脑皮质的激活及偏侧化情况。方法:纳入27名健康成年人,其中男13名、女14名,年龄(20.41±1.66)岁,在功能性近红外光谱采集过程中进行反复唾液吞咽测试,分析该任务状态下的脑区激活情况,并计算激活脑区的偏侧化分布。结果与结论:①在反复唾液吞咽测试任务时,受试者双侧初级躯体感觉皮质、双侧初级运动皮质、双侧运动前区和辅助运动皮质区、双侧额下回三角部、双侧额极区及双侧背外侧前额叶均明显激活。半数以上受试者在反复唾液吞咽测试任务中存在大脑皮质半球的偏侧化,但大脑半球偏侧化存在较大变异性,且与受试者利手无明显关系。②将健康成年人作为受试者探究吞咽有关的激活区,能更准确地了解吞咽过程中的神经活动,对于进一步探究吞咽功能障碍具有重要意义。

基于功能性近红外光谱技术的脑机接口

为了探究功能性近红外光谱技术(fNIRS)对相同动作的运动想象和运动执行区分可行性以及前额皮层对运动想象和运动执行分类准确率的影响,研究测量了15位受试者手臂伸展和手指敲击的运动想象过程和运动执行过程的前额皮层和运动功能皮层的血氧变化信号.提取均值,斜率,二次项系数和近似熵特征建立基于支持向量机的四分类模型.对应于手臂伸展和手指敲击的四分类模型,分别实现了87.65%和87.58%的分类准确率.相对于单独运动功能皮层区域建立的运动功能皮层-fNIRS-脑机接口,引入前额皮层血氧变化信息能显著提高脑机接口分类性能,且对手指敲击动作的提高效果大于手臂伸展动作.因此,前额皮层区域的血氧响应生理特征能提高fNIRS-脑机接口的分辨性能,同时验证了fNIRS-脑机接口应用于多种肢体动作脑功能活动提取的可行性.

近红外光学成像技术及其在神经科学中的应用

近红外光学成像技术是近年发展起来的一种动态检测脑功能的方法。采用这种技术可以测量在脑活动时氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白和细胞色素氧化酶等的变化 ,同时得到与刺激相关的细胞内和细胞外活动的改变。近红外光学成像技术的时间分辨率较高 ,并具有简便易行、价格低廉和无损伤性等特点 ,有望可以同时检测神经元活动、能量代谢以及血液动力学的变化。目前它已作为检验功能性磁共振成像原理的一种方法 。