近红外光谱分析技术在神经科中的临床应用与新进展

陈丽敏， 胡 洋， 姜晓晗综述， 邢英琦审校



近红外光谱分析技术在神经科中的临床应用与新进展

陈丽敏， 胡 洋， 姜晓晗综述， 邢英琦审校

近红外光谱分析(near-infrared spectroscopy，NIRS)通过检测大脑活动的过程中微循环含氧血红蛋白(oxyhemoglobin，Hb O2)和脱氧血红蛋白(de-oxyhemoglobin，HbR)浓度的改变及血流动力学变化，可反映相应的神经电活动[1]，为神经科的临床应用提供了一个新的工具。本文就NIRS在神经科领域的临床应用与新进展综述如下。

1 NIRS的基本原理

NIRS是介于可见光和中红外光之间的电磁辐射波，NIRS在700～900 mm 范围内可以穿透一定深度的组织，组织内Hb O2、HbR对近红外光的吸收系数存在差异，NIRS主要通过检测大脑活动的过程中微循环Hb O2和HbR浓度的改变及血流动力学变化间接反映相应的神经电活动。其测量参数为微动脉、微静脉和毛细血管中血液的血氧参数之加权平均，反应组织中的血氧参数。由于近红外光谱技术的高速发展，功能性近红外光谱技术(fNIRS)应运而生。近20年来fNIRS的应用包括视觉系统，体感系统，听觉系统，语言系统及认知任务等[1]，为神经科的临床应用提供了一个新的工具。

2 NIRS与其它影像学比较优缺点

NIRS是近年来逐步发展的脑功能评估技术，首先它不需要严格的身体和运动约束，在监测与行为相关的脑功能方面具有独特的优势。比如研究特殊人群的认知活动[2]，还可以用以特殊人群的诊断。其次NIRS直观的提供了Hb O2，HbR和总血红蛋白浓度变化，后者与脑血容量成正比。此外NIRS噪音小(相比之下MRI噪声是90～130分贝)、对Hb O2、HbR的浓度变化均较敏感(fMRI仅对HbR的浓度变化敏感)[1]、成本适中、允许长期监测、没有任何辐射暴露风险(不像正电子发射计算机断层扫描)。再次fNIRS 技术对现有的正电子发射计算机断层扫描和fMRI是一个非常有益的补充，它以脑组织血容量和血氧为信息载体，通过测量大脑皮质中血容量、血氧的分布和变化情况来了解大脑的活动，并能够实现可视化和三维化。最后，NIRS设备比较小(便于携带)允许整合到临床环境和床旁应用。但fNIRS测量深度有限[3]。

3 NIRS在神经科的应用

3.1 NIRS与脑血管病

3.1.1 脑卒中 脑卒中是一种急性脑血管病，是由于脑部血管突然破裂或因血管阻塞导致血液不能流入大脑而引起脑组织损伤的一组疾病，包括缺血性和出血性卒中。缺血性卒中(脑梗死)的发病率高于出血性卒中，占脑卒中总数的60%～70%。颈内动脉和椎动脉闭塞和狭窄可引起缺血性脑卒中，如果能对脑梗死进行早期识别、定位将会对患者的治疗及预后有很大帮助。现在临床上应用的计算机断层扫描灌注成像技术、MRI能准确定位梗死灶，但多在症状发生之后。NIRS作为一个小型监测技术，利用其便于携带的优点可以对受试者进行长时间实时监测。陈卫国等[4]应用NIRS、MRI和染色成像技术在脑梗死动物模型上分别对皮质进行定位测量和成像检测，对NIRS反映梗死灶血流动力学变化进行评价。结果发现NIRS与MRI在反映局部脑血流变化上具有良好的相关性，认为NIRS有望成为易患脑卒中患者的实时预测及康复监测评价方法。Taussky等[5]通过对1000多例患者(包括蛛网膜下腔出血、缺血性脑卒中、脑出血)同时采用 NIRS和计算机断层扫描灌注成像技术分别监测脑组织氧饱和度和局部脑血流量，发现二者具有良好相关性，表明NIRS可作为一种有效的、无创的、重症监护病房床边实时监测的脑血氧监护手段。

3.1.2 脑血流自动调节 脑血流自动调节是大脑维持脑血流量相对恒定的主要机制，对于大脑各种生理功能的正常发挥和多种疾病的发生、发展和转归均有至关重要的意义。随着测量技术的不断发展，脑血流自动调节逐渐走入临床各个领域，并逐渐开始为临床提供更多的参考信息[6]。目前多采用经颅多普勒超声对脑血流自动调节进行研究，Oldag等[7]假设血管反应性损伤能引起相应的大脑皮质Hb O2、HbR浓度发生变化，应用NIRS对单侧大脑中动脉重度狭窄的患者相应皮质区Hb O2、HbR浓度变化进行监测，并联合指尖血压监测仪记录血压变化。同时应用经颅多普勒超声对大脑中动脉血流速度进行监测，通过二氧化碳反应性测试对脑血流储备进行评估。结果患侧大脑半球血压与血氧之间的差异明显，此差异与二氧化碳反应性具有相关性。认为NIRS可以作为脑动脉狭窄或闭塞中脑血流自动调节的替代或补充方法，特别是对经颅多普勒超声检测颞窗穿透不良的患者。

3.2 NIRS与术中监测

3.2.1 颅脑损伤 颅脑损伤是一种常见外伤，可单独存在，也可与其他损伤复合存在。由于损伤后多数患者表现为意识障碍，此时患者生命指标主要靠仪器设备检测。颅脑损伤后继发性脑缺氧是病情加重甚至死亡的重要原因。目前，临床上应用的①颈静脉球血氧饱和度，该处静脉血大部分来自大脑半球，其氧饱和度代表脑静脉血氧饱和度。但该方法不能表示局部血氧饱和度。②直接探针法测脑组织氧分压相对可行，但为有创检查。并且上述两种方法均不能及时、准确地反映脑组织中真正的供氧情况。NIRS作为近年来发展的一种无创性脑氧监测技术通过监测局部脑氧饱和度来了解脑缺血缺氧的程度。Mcleod[8]对颈静脉球血氧饱和度、脑组织氧分压和NIRS 3种监测手段进行比较后认为NIRS测得的组织氧饱和度是颅脑外伤时监测脑氧代谢的有用指标。Brawanski等[9]应用NIRS对颅脑外伤和蛛网膜下腔出血患者进行监测后指出，虽然NIRS监测与脑组织氧分压监测在方法上完全不同，但两者提供的脑氧信息是一致的。

3.2.2 颈动脉内膜剥脱术 颈动脉内膜剥脱术是切除增厚的颈动脉内膜粥样硬化斑块，预防由于斑块脱落引起脑卒中的一种方法，已被证明是防治缺血性脑血管疾病的有效方法。手术过程中需要暂时阻断颈内动脉，这可能会导致脑组织缺血。术中监测脑灌注及代谢情况可为选择性使用转流术提供依据。目前术中监测血流技术主要有脑电图监测，诱发电位监测，颈动脉残端压监测，经颅多普勒监测及近红外光谱监测和颈静脉血氧饱和度监测、术中唤醒等[10]。Pennekamp[11]认为与脑电图相比，经颅多普勒超声和NIRS在颈动脉内膜剥脱术中可以独立为选择性使用转流术提供依据。

3.3 NIRS与偏头痛

偏头痛是临床最常见的原发性头痛类型，临床以发作性中重度、搏动样头痛为主要表现，头痛多为偏侧，一般持续4～72 h，可伴有恶心、呕吐，光、声刺激或日常活动均可加重头痛，安静环境、休息可缓解头痛。偏头痛是一种常见的慢性神经血管性疾患，发病机制尚不十分清楚。血管学说是其中之一，认为颅内血管收缩引起偏头痛先兆症状，随后颅外、颅内血管扩张，血管周围组织产生血管活性多肽导致无菌性炎症导致搏动性的头痛。Akin等[12]应用NIRS对无先兆偏头痛患者和健康对照组的血管反应性进行评估比较。通过屏气实验，受试者均出现相似模式变化(即在屏住呼吸前20 s HbR曲线下降，在憋气的30 s 过程中HbR曲线上升，嘱受试者正常呼吸后HbR曲线又下降)。偏头痛患者HbR下降及上升幅度明显小于对照组。通过这项研究作者认为NIRS对原发性头痛的诊断及治疗方面将起到作用。Pourshoghi[13]应用NIRS对偏头痛患者注射硫酸镁，丙戊酸钠，二氢麦角胺三种药物前后血管反应性进行监测比较，认为NIRS在监测偏头痛患者药物治疗方面有帮助。

3.4 NIRS与三叉神经痛

三叉神经痛是最常见的脑神经疾病，以一侧面部三叉神经分布区内反复发作的阵发性剧烈痛为主要表现。患者多于洗脸、刷牙、进食等的轻微触觉刺激诱发其疼痛，发作间歇期同正常人一样。原发性三叉神经痛是指具有临床症状，但应用各种检查未发现与发病有关的器质性病变。辛佳炜等[14]应用45 通道的fNIRS 对三叉神经痛患者每侧前额叶 7 cm × 7 cm 面积范围内Hb O2浓度改变幅度情况进行监测，前额叶Hb O2含量的变化反映触发痛任务相关的功能变化。采用多次重复事件相关设计作为任务，分析触发痛在微血管减压术前后的前额叶功能变化。探讨前额叶皮质是否参与原发性三叉神经痛触发痛的调控。结果术前触发痛引起的双侧前额叶激活效应在微血管减压术后消失，推测前额叶可能参与原发性三叉神经痛中枢调控，其机制可能与中枢敏化现象有关。微血管减压术引起的外周神经和相邻组织的改变可能达到了去敏化效果。

3.5 NIRS与癫痫

3.5.1 局部定位 癫痫是大脑神经元突发性异常放电，导致短暂的大脑功能障碍的一种慢性疾病。经过正规抗癫痫药物治疗，仍有约20%～30%患者为药物难治性癫痫。癫痫的外科手术治疗为这一部分患者提供了一种新的治疗手段，估计约有50%的药物难治性癫痫患者可通过手术使发作得到控制或治愈，从一定程度上改善了难治性癫痫的预后。精确定位致痫灶和脑功能区是手术治疗成功的关键。Watanabe等[15]在对32例难治性癫痫患者进行长程脑电监测时应用fNIRS同步测脑血容量变化，痫性发作时在96%的患者病灶侧观察到了明显的血流高灌注，认为可依赖fNIRS进行痫灶定位。癫痫的发病机制非常复杂，Nguyen等[16]在对难治性颞叶癫痫患者进行脑电图监测时应用fNIRS同步测脑含氧量变化，在癫痫发作过程中血流动力学变化分成两个不同的阶段，第一阶段Hb O2上升、HbR下降，第二阶段HbR上升、Hb O2继续上升或下降。并且发现癫痫发作时在两侧颞叶观察到Hb O2显著上升的变化比脑电图出现变化早，为脑电图-fNIRS定位致痫区带来新的证据。

3.5.2 语言功能的术前定位 由于病变的影响具有重要功能的解剖结构常发生变形和移位，功能皮质的定位与正常解剖的功能区分布有一定的差别，病灶切除前明确病灶与功能皮质的关系很重要。Vannasing等[17]在对左侧颞叶癫痫的右利手患儿进行颞叶切除术前及切除术后，应用脑电图-fNIRS和fMRI进行语言偏侧化评估和定位。结果显示语言中枢从最初的左侧大脑半球转移到右侧大脑半球，推测可能：①与大脑可塑性代偿机制有关；②与癫痫有关的损害刺激大脑激活潜伏的语言功能区；③在右侧大脑半球动用新的区域来代偿已改变的左半球语言中枢。该病例报告强调了fNIRS在青少年癫痫患者的术前评估中的临床价值并与fMRI相比较的潜在优势。Fukud等[18]通过NIRS刺激辅助运动区癫痫患者的内侧皮质表面并根据Hb O2和HbR浓度的变化观察初级运动皮质的血流动力学变化。目的是研究辅助运动区和初级运动皮质之间癫痫活动的血流动力学变化。结果在刺激内侧皮质表面对应的足部运动区时在外侧皮质表面没有观察到血流动力学的变化。然而，当癫痫发作起始区受到刺激时在外侧皮质表面对应的手运动区Hb O2和HbR均增加。在运动前皮质和外侧皮质对应的躯干运动区，血流动力学变化呈现Hb O2增加、HbR下降的单一模式。推测NIRS对监测皮质神经通路如语言系统的活动是有帮助的。

3.5.3 癫痫活动的血流动力学变化 最近的研究表明，NIRS可以评估皮质血流动力学变化与癫痫发作的相关性。Vinette 等[19]应用NIRS对癫痫患者进行长时间监测观察发作间期血流动力学变化并研究运动伪影对监测到的数据的影响。研究结果支持使用NIRS作为一个非侵入性的工具来检测癫痫发作。来自斯特拉斯堡的韦氏大鼠，具有遗传性癫痫失神发作的特性，临床上与人类癫痫失神发作相似，表现为行为中断、凝视、阵挛样抽动、脑电图伴随有 7～11次/ S 的高幅棘慢波发放，是一个公认的癫痫失神发作的动物模型。Roche-Labarbe等[20]利用脑电图 -fNIRS在此大鼠上研究了广义棘波放电与血液动力学变化的相关性。这项研究证明大鼠广义棘波放电特征表现为活化阶段紧接着出现去活化阶段，这种变化可能有助于终止癫痫发作，并突出强调了应用NIRS研究癫痫时间代谢血流动力学方面的优势。在今后的探索工作中脑电图和f NIRS应该相结合，因为这些方法是相辅相成的，前者直接评估大脑活动，后者检测含氧量的变化。

3.6 NIRS与帕金森病

帕金森病是一种常见的神经系统退行性疾病(黑质及黑质-纹状体通路变性所致的锥体外系疾病)，是中老年人的多发病、常见病，严重危害着人类健康。胡光霞等[21]利用fNIRS探索帕金森大鼠模型的脑组织功能特性。通过小动物MRI和电子计算机断层扫描对帕金森病大鼠模型进行影像学研究，用fNIRS系统测试大鼠模型脑组织纹状体特征参数。实验结果表明帕金森病大鼠脑部没有明显的形态结构变化；优化散射系数、脑血容量在帕金森病大鼠的纹状体部与对照组间存在显著的差别；fNIRS测量参数与电子计算机断层扫描灌注测定参数之间存在相关性。证实fNIRS对大鼠功能异常脑部定性诊断是可行的，fNIRS可以作为帕金森病研究的重要参考手段。

3.7 NIRS与痴呆

皮质下血管性痴呆是一种血管性痴呆与脑白质病变的小血管病。Tak等[2]假设进行一个简单的运动任务时大脑皮质血流动力学变化可能反映皮质下血管性痴呆的神经血管耦合受损。MRI和NIRS同时应用共同提供多种血流动力学以及脑氧代谢率的变化。在任务期间皮质下血管性痴呆患者运动和体感皮质上Hb O2、总血红蛋白、血氧水平依赖反应、脑血流和脑氧代谢率在统计学上显著降低，而氧摄取指数与对照组相比增加。代谢-血流偶联率在皮质下血管性痴呆患者降低，这意味着代谢储备的大量丢失。这些结果支持了小血管的病理损害，包括血管硬度增加，血管反应性和皮质下血管性痴呆的神经血管耦合受损。研究表明NIRS和fMRI同时测量，可以揭示不同的血流动力学变化，可作为痴呆早期检测或监测方法。NIRS有助于确定不同痴呆类型的运动和认知任务的皮质处理过程的差异。

4 NIRS的应用前景与展望

目前该技术开始运用于自然情境下的高级认知、心理学、 异常心理学等多个领域的研究。典型的神经科学应用包括颅脑损伤、脑血管手术、脑肿瘤、脑积水、癫痫、脊髓手术等领域。随着近红外、计算机技术、光学技术等的不断发展，研究的不断深入，近红外技术将在生物医学领域中充分发挥出潜力，有望在探索生命过程的奥秘，以及重大疾病预防、诊断、处理上起到更多的实际作用。

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1003-2754(2016)11-1045-03

R445；R741

2016-07-10；

2016-10-13

(吉林大学白求恩第一医院神经内科，吉林 长春 130021)

邢英琦，E-mail：xingyq@sina.com