功能性近红外光谱技术在脑卒中患者康复中的临床应用

我国脑卒中的发病率、患病率逐年上升，呈现伤残调整寿命年高、经济负担重的特点[1]。早期规范的康复治疗可以有效改善脑卒中患者的运动、感觉、认知、言语、心理等功能障碍，但是仍有超过半数的患者遗留中重度残疾[2]。因此，对脑卒中患者的脑功能进行精准评定、制定个性化的康复治疗方案是康复医学未来的发展方向。同时，也是助力全民健康，实现全面建成小康社会奋斗目标的需要。

功能性近红外光谱技术（functional near-infrared spectroscopy，fNIRS）是一种新型无创性脑功能检测技术，可以通过实时检测大脑皮层中氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的含量，间接地反映大脑神经活动，适用于脑卒中康复评定与康复治疗领域的临床实践中。本文主要探讨fNIRS应用于脑卒中康复的优势、现状及前景。

1.1  评定价格低廉
与功能性磁共振成像、正电子发射计算机断层显像等神经功能影像学评定技术相比，fNIRS成本较低，不会给患者带来太大的经济负担，患者可接受程度高。fNIRS评定价格低廉的优势，为未来的应用研究与普及筛查提供了可能性。

1.2  评定过程简便
fNIRS成像设备具有安全无创、便携性强、成像清晰、抗运动干扰、允许长时程检测、数据处理简便等优点[3]，适合在病房、门诊等环境使用。fNIRS数据采集的难度较低，评定人员可快速为患者佩戴采集头帽，做好成像准备。便携式fNIRS成像设备可用于评定运动状态下患者的脑功能，其强大的续航能力也为长时程动态评定提供了可能。fNIRS成像过程无噪声，抗运动干扰能力强，受汗液、肌肉活动的影响小，采集的数据质量较高。同时，fNIRS成像数据分析简便，可用Matlab、Nir-SPM、NirSpark等软件实现可视化处理，快速输出患者脑功能评定结果。

1.3  评定结果精确
fNIRS成像的精确度高，可以实现连续的个性化评定，还可以与其他评定设备联合进行多模态评定。fNIRS的空间分辨率为2—3cm，时间分辨率为10Hz，可以准确地检测大脑血氧含量的变化，从而精准地反映神经活动。对于伴有多种功能障碍的脑卒中患者，可根据患者的功能障碍设计特定的任务范式进行实时、连续、重复的动态分析，从而对患者在治疗过程中的脑功能变化进行个性化评定。此外，fNIRS的兼容性强，可以与功能性磁共振成像、脑电图同时检测[4]，实现多模态评定。

2.1  评定大脑激活模式
脑卒中后神经重塑是功能障碍恢复的重要机制之一。fNIRS可以长时程检测患者大脑皮层的激活模式，反映康复训练过程中患者的神经重塑过程。Delorme等[5]招募脑卒中后1个月以内的患者进行2个月的康复干预，发现患者健侧上肢运动的激活模式与健康人相同，患侧上肢运动的激活模式从干预前的双侧半球激活变为患侧半球激活，且偏侧化系数的增加与Fugl-Meyer评分正相关。Kotaro等[6]也发现脑卒中患者的患侧上肢运动早期激活双侧半球，随着运动功能的改善逐步变为患侧半球激活的模式。然而，Kinoshita等[7]招募了中、重度上肢瘫痪的亚急性期脑卒中患者，发现康复干预后患者的患侧上肢运动激活健侧初级感觉运动皮质（sensorimotor cortex， SMC），且激活强度与上肢动作研究量表得分呈负相关，即患者的患侧上肢功能越好，健侧半球的代偿性激活越少。

脑卒中后初期健侧半球会产生代偿性激活，后期随着功能进步逐步转为患侧半球激活[8]。大脑激活模式与脑卒中患者的损伤程度相关，也与脑卒中患者自发恢复、康复训练引发神经重塑相关。在临床康复工作中，应尽可能完整地评定脑卒中患者康复过程中的大脑激活模式，做到更全面、精确的相关脑功能研究，以便判断患者神经重塑的进程。

2.2  优化康复训练方法
康复训练可以通过促进脑卒中后神经重塑改善患者功能障碍。fNIRS为研究康复训练改变脑激活模式提供了实时可视化的有效检测方法，有助于康复训练方案的进一步优化。Bae等[9]使用fNIRS检测脑卒中患者使用上肢康复机器人进行腕部被动运动时的大脑激活模式，发现与慢速（0.25Hz）、中速（0.5Hz）的腕部被动运动相比，快速腕部被动运动（0.75Hz）能更好地激活患侧半球的运动相关皮质区域，有助于确定最佳的腕部运动频率。

fNIRS可以观察到康复干预引起的大脑激活变化，探究有效康复干预的机制。Miyara等[10]发现全身震动疗法可以减少亚急性期脑卒中患者的下肢痉挛。全身震动疗法干预后，患者双侧踝背屈运动引起双侧SMC区的激活程度增加，其中对侧半球SMC的激活更明显。Li等[11]用fNIRS发现，经颅直流电刺激可以通过增加双侧背外侧前额叶（dorsal lateral prefrontal cortex， DLPFC）在认知任务中的血氧含量，改善脑卒中后抑郁和工作记忆表现。Saita等[12]观察到，对亚急性期脑卒中患者用基于交互式反馈理论的单关节混合辅助假肢（single-joint hybrid assistive limb， HAL-SJ）进行干预后，患侧半球运动相关皮质的激活强度增加。除此之外，Saita等[13]还对脑卒中后遗症期的患者进行肉毒毒素注射及HAL-SJ干预，发现患者肢体运动功能持续进步，干预2周、4个月时，患侧半球运动相关皮质的激活持续增加。该结果揭示了HAL-SJ促进运动功能恢复的机制，提示脑卒中后各期的患者均可采用HAL-SJ进行干预。

fNIRS还可以揭示部分患者康复干预无效的原因，指导康复干预方案的选择。Brunetti等[14]招募了严重上肢功能障碍的亚急性期脑卒中患者进行镜像治疗，发现镜像治疗有效的人群在进行镜像治疗时，其双侧楔前叶的激活程度高于镜像治疗无效的人群。该结果提示，镜像治疗改善脑卒中后运动功能障碍的有效性与患者双侧楔前叶的激活程度有关。

此外，fNIRS还可以单独或与脑电图联合应用于脑机接口康复训练中，可有效提高脑机接口采集信号的空间分辨率、改善患者的运动功能障碍[15—16]，是BCI在脑卒中康复领域的发展新方向。

fNIRS的成像基于大脑皮质血流对近红外光的良好散射，检测脑区与探头排布密切相关，穿透深度与探头距离关系密切。因此，fNIRS仅可观察到大脑皮质的活动，无法反映深层脑区的变化，且空间分辨率为2—3cm（探头到光源的距离），没有功能性磁共振成像的定位精准。此外，近红外光需要漫射透过头发、颅骨后进行散射成像，适合老年人、儿童等头发稀、颅骨薄等人群。青年人进行fNIRS成像时，可能需要较多时间调试头发浓密处的探头信号。

作为一种新兴的脑功能评定技术，fNIRS硬件技术的发展迅速，操作简便、评定精准，可覆盖的脑区范围较广，具有良好的应用和发展前景。目前，fNIRS在脑卒中康复领域中已经显现出临床应用价值，可应用于评定脑卒中后大脑激活模式及激活程度、辅助诊断脑卒中后抑郁、认知障碍等疾病，并指导和优化临床康复的干预方式。康复工作者可根据脑卒中患者功能障碍的特点，在临床实践中制定体系化、精准化的评定范式，对不同康复治疗引起的脑功能变化进行长期随访和个体化记录，使fNIRS在脑卒中康复中发挥更精准的指导作用。未来，fNIRS有望成为脑卒中康复领域的重要脑功能评定工具，得到更加广泛的临床应用，更好地为推进健康中国建设服务。