fNIRS數(shù)據(jù)采集在腦卒中康復研究正中神經(jīng)電刺激效應的應用
國家康復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�；诮t外腦功能成像（functional near-infrared spectroscopy, fNIRS）探究了正中神經(jīng)電刺激（MNES）對腦卒中患者大腦功能網(wǎng)絡的影響，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。
該研究需要在神經(jīng)電刺激情況下對大腦的額葉、運動區(qū)、枕葉實現(xiàn)同步檢測，對于近紅外腦成像系統(tǒng)的信號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高精尖的超微光檢測技術，并采用了通常臺式系統(tǒng)才能裝備的雪崩二極管APD探測器，相對上一代的采用光電二極管PD探測器技術的靈敏度提升了數(shù)十倍，因而在有頭發(fā)覆蓋的運動區(qū)能高質(zhì)量地檢測到腦功能信號，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卒中后運動功能的恢復有促進作用。然而，電刺激對腦卒中患者的皮質(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（fNIRS）研究正中神經(jīng)電刺激（MNES）對腦卒中患者大腦功能網(wǎng)絡的影響，揭示外周神經(jīng)電刺激在腦功能重組的作用機制。
方法：應用fNIRS設備分別監(jiān)測20例腦卒中右側偏癱患者靜息態(tài)和MNES（作用于患側腕部）狀態(tài)下雙側前額葉區(qū)（LPFC/RPFC）、運動區(qū)（LMC/RMC）和枕葉（LOL/ROL）的腦氧信號。利用耦合函數(shù)和動態(tài)貝葉斯推論，在頻段0.01-0.08Hz范圍內(nèi)構建相位耦合模型，評估與MNES相關的腦效應連接網(wǎng)絡的變化。
結果：與靜息態(tài)相比，MNES狀態(tài)下由前額葉指向LOL的耦合強度顯著升高，而由健側運動區(qū)指向患側運動區(qū)的耦合強度顯著降低。MNES狀態(tài)下卒中患者腦區(qū)間主耦合方向主要由患側前額葉指向運動區(qū)和枕葉。
結論：研究結果表明，MNES可激發(fā)患側手部的感覺運動刺激，促進腦卒中患者健側和患側皮質(zhì)區(qū)的功能重組，有助于增強患側前額葉在大腦網(wǎng)絡中的調(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研究。入選標準為：（1）影像學證實為缺血性卒中，發(fā)病兩周后；（2）大腦單側病灶區(qū)；（3）>35歲；（4）小學及以上學歷。排除標準：（1）存在任何臨床顯著的或不穩(wěn)定的疾�。�2）存在任何卒中以外的神經(jīng)精神疾�。唬�3）皮膚損傷、感染、痛覺過敏和刺激區(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。
fNIRS數(shù)據(jù)采集：
本實驗所采用的是丹陽慧創(chuàng)醫(yī)療設備有限公司所提供型號為NirSmart的多通道fNIRS儀器。光源典型的波長分別為760 nm和850 nm。探測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稱布置20個光源和10個探頭，共組成共32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的通道布置如圖所示。
實驗流程：本實驗分別在靜息態(tài)（10min）和MNES任務態(tài)（10min）下進行fNIRS信號的采集。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，刺激強度設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疼痛感。
fNIRS數(shù)據(jù)預處理及效應連接計算：
首先對fNIRS采集的光強信號進行低頻濾波（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)達到一個穩(wěn)定狀態(tài)。
預處理后，應用Morlet小波對數(shù)據(jù)進行小波分析，提取低頻段0.01-0.08 Hz相位動態(tài)信息的振蕩信號�；谡袷幮盘柕南辔粍恿W，建立了各通道對之間的耦合相位振蕩模型。
統(tǒng)計分析：
采用單因素方差（ANOVA）來分別分析靜息態(tài)和MNES狀態(tài)下腦卒中患者腦區(qū)間耦合強度的顯著性差異。采用卡方檢驗分析兩種狀態(tài)之間腦區(qū)主耦合方向的顯著性差異，p < 0.05認為差異具有統(tǒng)計顯著性。
結果
MNES對腦區(qū)間效應連接的影響
與靜息態(tài)相比，MNES任務態(tài)下由LPFC、RPFC、LMC和RMC指向LOL的耦合強度呈上升趨勢。其中連接LPFC→LOL和連接RPFC→LOL的耦合強度顯著增加。MNES任務態(tài)下由LMC、RMC、LOL和 ROL指向RPFC的耦合強度較靜息態(tài)下呈上升趨勢，其中連接LMC→RPFC和LOL→RPFC的耦合強度顯著增加。與靜息態(tài)相比，健側運動區(qū)指向患側運動區(qū)的耦合強度在MNES狀態(tài)下顯著降低。
圖：靜息態(tài)與MNES狀態(tài)的腦區(qū)間效應連接比較
MNES對腦區(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。這一結果說明靜息態(tài)下腦卒中患者的健側前額葉起主要調(diào)節(jié)作用，而患側前額葉主要作為調(diào)節(jié)大腦網(wǎng)絡運動區(qū)域的靶點。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）
結論
本研究基于fNIRS技術，研究了MNES對腦卒中患者大腦效應連接網(wǎng)絡的影響。主要結果有：（1）MNES顯著增加前額葉到LOL、LMC和LOL到RPFC的耦合強度，而健側運動區(qū)指向患側運動區(qū)的耦合強度顯著下降；（2）與靜息態(tài)相比，MNES狀態(tài)下的主耦合方向主要由患側前額葉指向運動區(qū)和枕葉；（3）基于fNIRS的效應連接分析可以監(jiān)測MNES對腦卒中患者大腦功能重組的影響。結果表明MNES可以激發(fā)患側手部的感覺運動反應，誘發(fā)到患側和健側皮質(zhì)區(qū)域的功能重組。腦卒中患者在患側MNES狀態(tài)下前額葉至枕葉的神經(jīng)耦合明顯增強。在MNES狀態(tài)下，腦區(qū)間主耦合方向主要是由患側前額葉指向雙側運動區(qū)和枕葉區(qū)域，這一結果說明MNES可以促進患側前額葉在功能網(wǎng)絡中的調(diào)節(jié)作用。此外MNES可激發(fā)患側手部的收縮運動，在這一過程中，健側運動區(qū)指向患側運動區(qū)的耦合強度顯著下降。結果表明，MNES干預可導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MNES引起的皮質(zhì)連通性的變化，有助于我們進一步解MNES的神經(jīng)作用機制。
參考文獻：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.
該研究需要在神經(jīng)電刺激情況下對大腦的額葉、運動區(qū)、枕葉實現(xiàn)同步檢測，對于近紅外腦成像系統(tǒng)的信號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高精尖的超微光檢測技術，并采用了通常臺式系統(tǒng)才能裝備的雪崩二極管APD探測器，相對上一代的采用光電二極管PD探測器技術的靈敏度提升了數(shù)十倍，因而在有頭發(fā)覆蓋的運動區(qū)能高質(zhì)量地檢測到腦功能信號，有效地支撐了本研究地順利開展。
慧創(chuàng)近紅外腦功能成像系統(tǒng)NirSmart
摘要
背景：有研究證明電刺激對卒中后運動功能的恢復有促進作用。然而，電刺激對腦卒中患者的皮質(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（fNIRS）研究正中神經(jīng)電刺激（MNES）對腦卒中患者大腦功能網(wǎng)絡的影響，揭示外周神經(jīng)電刺激在腦功能重組的作用機制。
方法：應用fNIRS設備分別監(jiān)測20例腦卒中右側偏癱患者靜息態(tài)和MNES（作用于患側腕部）狀態(tài)下雙側前額葉區(qū)（LPFC/RPFC）、運動區(qū)（LMC/RMC）和枕葉（LOL/ROL）的腦氧信號。利用耦合函數(shù)和動態(tài)貝葉斯推論，在頻段0.01-0.08Hz范圍內(nèi)構建相位耦合模型，評估與MNES相關的腦效應連接網(wǎng)絡的變化。
結果：與靜息態(tài)相比，MNES狀態(tài)下由前額葉指向LOL的耦合強度顯著升高，而由健側運動區(qū)指向患側運動區(qū)的耦合強度顯著降低。MNES狀態(tài)下卒中患者腦區(qū)間主耦合方向主要由患側前額葉指向運動區(qū)和枕葉。
結論：研究結果表明，MNES可激發(fā)患側手部的感覺運動刺激，促進腦卒中患者健側和患側皮質(zhì)區(qū)的功能重組，有助于增強患側前額葉在大腦網(wǎng)絡中的調(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研究。入選標準為：（1）影像學證實為缺血性卒中，發(fā)病兩周后；（2）大腦單側病灶區(qū)；（3）>35歲；（4）小學及以上學歷。排除標準：（1）存在任何臨床顯著的或不穩(wěn)定的疾�。�2）存在任何卒中以外的神經(jīng)精神疾�。唬�3）皮膚損傷、感染、痛覺過敏和刺激區(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。
fNIRS數(shù)據(jù)采集：
本實驗所采用的是丹陽慧創(chuàng)醫(yī)療設備有限公司所提供型號為NirSmart的多通道fNIRS儀器。光源典型的波長分別為760 nm和850 nm。探測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稱布置20個光源和10個探頭，共組成共32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的通道布置如圖所示。
實驗流程：本實驗分別在靜息態(tài)（10min）和MNES任務態(tài)（10min）下進行fNIRS信號的采集。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，刺激強度設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疼痛感。
fNIRS數(shù)據(jù)預處理及效應連接計算：
首先對fNIRS采集的光強信號進行低頻濾波（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)達到一個穩(wěn)定狀態(tài)。
預處理后，應用Morlet小波對數(shù)據(jù)進行小波分析，提取低頻段0.01-0.08 Hz相位動態(tài)信息的振蕩信號�；谡袷幮盘柕南辔粍恿W，建立了各通道對之間的耦合相位振蕩模型。
統(tǒng)計分析：
采用單因素方差（ANOVA）來分別分析靜息態(tài)和MNES狀態(tài)下腦卒中患者腦區(qū)間耦合強度的顯著性差異。采用卡方檢驗分析兩種狀態(tài)之間腦區(qū)主耦合方向的顯著性差異，p < 0.05認為差異具有統(tǒng)計顯著性。
結果
MNES對腦區(qū)間效應連接的影響
與靜息態(tài)相比，MNES任務態(tài)下由LPFC、RPFC、LMC和RMC指向LOL的耦合強度呈上升趨勢。其中連接LPFC→LOL和連接RPFC→LOL的耦合強度顯著增加。MNES任務態(tài)下由LMC、RMC、LOL和 ROL指向RPFC的耦合強度較靜息態(tài)下呈上升趨勢，其中連接LMC→RPFC和LOL→RPFC的耦合強度顯著增加。與靜息態(tài)相比，健側運動區(qū)指向患側運動區(qū)的耦合強度在MNES狀態(tài)下顯著降低。
圖：靜息態(tài)與MNES狀態(tài)的腦區(qū)間效應連接比較
MNES對腦區(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。這一結果說明靜息態(tài)下腦卒中患者的健側前額葉起主要調(diào)節(jié)作用，而患側前額葉主要作為調(diào)節(jié)大腦網(wǎng)絡運動區(qū)域的靶點。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）
結論
本研究基于fNIRS技術，研究了MNES對腦卒中患者大腦效應連接網(wǎng)絡的影響。主要結果有：（1）MNES顯著增加前額葉到LOL、LMC和LOL到RPFC的耦合強度，而健側運動區(qū)指向患側運動區(qū)的耦合強度顯著下降；（2）與靜息態(tài)相比，MNES狀態(tài)下的主耦合方向主要由患側前額葉指向運動區(qū)和枕葉；（3）基于fNIRS的效應連接分析可以監(jiān)測MNES對腦卒中患者大腦功能重組的影響。結果表明MNES可以激發(fā)患側手部的感覺運動反應，誘發(fā)到患側和健側皮質(zhì)區(qū)域的功能重組。腦卒中患者在患側MNES狀態(tài)下前額葉至枕葉的神經(jīng)耦合明顯增強。在MNES狀態(tài)下，腦區(qū)間主耦合方向主要是由患側前額葉指向雙側運動區(qū)和枕葉區(qū)域，這一結果說明MNES可以促進患側前額葉在功能網(wǎng)絡中的調(diào)節(jié)作用。此外MNES可激發(fā)患側手部的收縮運動，在這一過程中，健側運動區(qū)指向患側運動區(qū)的耦合強度顯著下降。結果表明，MNES干預可導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MNES引起的皮質(zhì)連通性的變化，有助于我們進一步解MNES的神經(jīng)作用機制。
參考文獻：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.
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