联合脑血流速和磁敏感成像研究定向视觉疲劳视区改变

吴丽芳，汤奕林，罗锦川，欧阳林

视觉疲劳是由于长时间用眼(如高度紧张地目视、用眼过度等)之后出现视模糊、眼胀、干涩、流泪、眼眶酸痛等眼部症状，严重时会发展为头痛、眩晕、乏力等全身不适的一种综合症状[1]。目前，对视觉疲劳的研究大多基于视屏终端(visual display terminal，VDT)工作(长时间注视电脑屏幕)、各种显示器引起的视觉疲劳，即眼睛自由开合状态下长时间使用眼睛造成的视觉疲劳，而对于长时间眼睛高度紧张注视前方(如飞行员、司机、狙击手等)等引起的定向视觉疲劳缺乏探索[2]。另外，在功能磁共振与视觉的研究上，已进行大量研究，利用血氧水平依赖成像(blood oxygen level dependence，BOLD)，确定大脑视觉功能区位于枕叶矩状裂双侧皮层，属于布劳德曼第17区(the 17th area of Brodmann，BA17，亦称纹状体，位于楔叶、舌回)，属于初级视觉皮层，然后视觉信息又传至视觉联合皮层(BA18、19区又称纹状前皮质，位于枕叶外侧)，均位于大脑枕叶[3-4]，而其他功能磁共振的视觉研究比较少见，如磁敏感成像(susceptibility weighted imaging，SWI)、脑血流速(cerebral blood flow，CBF)等。笔者就定向视觉疲劳进行探索，设计三种视觉状态，定向视觉状态(控制眨眼注视前方固定目标)、自由视觉状态(自由眨眼注视前方非固定目标)和闭眼静息状态(作为实验基线值)，应用功能磁共振(magnetic resonance imaging，MRI)技术，包括CBF和SWI，评价受试者视觉疲劳时视区脑血流与氧饱和度水平的改变。

1 材料与方法

1.1 研究对象

21名健康志愿者参加本研究，其中男11名，女10名，平均年龄为(26±4)岁，身高(171.8±8.4) cm，体重(60±7.5) kg。纳入标准：(1)其裸眼视力或矫正视力均在1.0以上；(2)具有良好理解力与配合力。排除标准：(1)体内含金属物质如血管支架、心脏起搏器等，或幽闭恐惧症等无法接受磁共振检查人群；(2)注意力缺陷，无法配合完成实验的人群；(3)既往患有眼疾病史。本研究通过中国人民解放军联勤保障部队第九〇九医院(厦门大学附属东南医院)医学伦理委员会同意。试验前让所有实验者了解实验内容与步骤，征求他们的配合并签订知情同意书。

1.2 研究方法

仪器为Siemens Verio 3.0 T核磁共振成像仪(Siemens Corporation，Bolin，German)，扫描参数见表1。

1.3 实验方法

被试者实验前被征得配合和签订知情同意书。在实验测试前，被试接受实验训练，包括控制眨眼、定向注视训练和静心凝神。实验测试安排在完成实验训练的第二天。实验在一间安静的磁共振扫描仪机房内进行，光线调节至室内自然光强度。刺激为一个直径5 cm天蓝色圆形图案，贴在患者视觉正前方的磁共振成像仪扫描机架内壁，被试距离刺激的距离为60 cm。实验过程中利用扫描仪头托固定患者头部正向前，躯干及四肢制动，保持心情平静、神志清楚、排除杂念。

实验开始前，被试平躺在扫描床上保持闭眼静息5 min调整状态，之后进行定向视觉实验，被试被要求保持不眨眼注视正前方刺激，以开始感觉视觉疲劳时为定向视觉疲劳时间(visual fatigue time，VFT)，立即扫描测试，到扫描结束时为实验终止时间(扫描期间如果被试不能坚持，允许被试闭眼休息)。定向视觉疲劳实验终止时间之后闭眼静息5 min，再进入闭眼静息实验，以定向视觉的VFT为扫描测试开始时间。同样，完成闭眼视觉实验终止时间之后闭眼静息5 min，再进入自由视觉实验，同样是以定向视觉的VFT为扫描测试开始时间。实验技术路线图见图1。

1.4 图像分析与数据收集

根据文献，大脑视觉功能区位于枕叶，包括枕叶距状裂两侧皮层(BA17区)及枕叶外侧(BA18、19区)[3]，本实验选取颅脑横断面中该区最大层面为兴趣区。分别采集三种状态的图像后，使用磁共振扫描仪自带后处理软件测量图像，分别获取三种状态两侧视觉皮层兴趣区CBF及SWI相位值，边缘部位注意沿皮质下勾画、避开周围脑池和颅骨(图2，3)。两名从事脑功能磁共振成像工作的医师A (工作10年，副主任医师)和B (工作5年，主治医师)共同分析图像，采用讨论一致性确定最终结果。

表1 视觉疲劳试验中脑视区磁共振成像参数Tab. 1 Magnetic resonance imaging parameters of the brain visual area in visual fatigue test

1.5 数据统计学分析

表2 三次视觉试验中视觉皮层兴趣区面积大小(mm2)及一致性评价Tab. 2 The visual cortex area of interest (mm2) and consistency evaluation in three visual tests

2 结果

2.1 视觉实验疲劳评价

21名被试均成功完成全部实验过程。被试经过训练，定向视觉疲劳延长，训练阶段为(35±15) s，测试阶段为(50±6) s，组间差异不显著(t=1.97，P=0.07)。在定向视觉测试阶段VFT，21名被试均不同程度出现视觉疲劳症状，其中12名出现眩晕、头痛感，这些严重被试者根据实验前协议立即闭眼放松休息。在自由视觉状态和闭眼静息中，同等时间内没有1名感到视觉疲劳症状。

2.2 视觉实验中视觉皮层兴趣区面积一致性评价

A和B医师共同判读图像和确定视区兴趣区范围，基于经验，在讨论一致性的基础上绘制两侧的视觉皮层兴趣区并允许修正绘制线形态轮廓，以达到左、右两侧兴趣区形态、范围尽可能一致，以及三次视觉实验中兴趣区形态、范围尽可能相同(表2)。

表3 不同视视觉状态区CBF和SWI相位值改变情况Tab. 3 CBF and SWI phase value changes in different visual states in the visual cortex

2.3 三种视觉状态实验中视区CBF和SWI相位值评价

在三种视觉状态各自的双侧视觉皮层兴趣区面积以及三次实验之间的视区兴趣区面积一致性的基础上，测量被试三种视觉状态的CBF和SWI相位值，将各自视觉状态的双侧兴趣区测量值之和作为该状态的视觉皮层区CBF和SWI测量值(表3；图2，3)。

总体改变趋势，以定向视觉VFT为测量时间点，以闭眼静息状态为基线值，则自由视觉运动引起视区CBF明显升高(P=0.05)，但定向视觉视区CBF反而显著下降(P＜0.001)；SWI相位值在自由视觉状态比闭眼静息状态升高不显著(P=0.10)，而在定向视觉疲劳时显著升高(P＜0.05)(图4)。

从个体改变分布特点分析，以定向视觉VFT为测量时间点，本实验中21名被试的CBF测量值均表现为自由视觉状态视区CBF高于闭眼状态，而定向视觉状态的低于闭眼状态；自由视觉状态SWI相位值散点曲线与闭眼状态的基本处于同一水平区域，部分点值重合(升高不显著)，但定向视觉状态的SWI相位值三点曲线水平明显升高(图5)。

3 讨论

磁共振脑功能成像是近些年来在常规磁共振成像基础上快速发展起来的一种成像技术[5-7]。有学者于1990年首先提出BOLD概念[8]，接着有报告由血氧T2效应设计出相应刺激任务并获得视觉功能区激活的功能图像[9-12]，其成像原理是当大脑受到视觉刺激时，邻近血管床的血流量及血容量增加，并高于局部氧代谢所需的量，即活动区脱氧血红蛋白与氧化蛋白的比值减少。目前，视觉领域是神经生理研究的最透彻的课题之一，视觉神经通路的非高级中枢现在已非常明确，即枕叶。基于BOLD技术，学者们也在磁共振上找到相应的定位，初级视觉皮层即位于枕叶矩状裂双侧皮层(BA17区)及次级视觉皮层(BA18区、BA19区)。这是研究测量CBF及SWI相位值区域选择的理论基础。

3.1 动脉自旋标记技术及CBF结果的释义

动脉自旋标记技术(arterial spin labeling technique，ASL)是一种安全无害，不需要注射对比剂，便能反映血管内血流情况的一种技术，该技术首先由Detre等于1992年提出[13]，其原理如下：血液流入组织中，如果其自旋状态与组织原有的血液不同时，就会引起整体磁化强度的改变，这种变化可被磁共振成像仪检测出[14-15]。ASL技术利用动脉血中的水作为一种内源性示踪剂，在成像平面上游利用反转脉冲对动脉血进行标记，使血液的自旋状态发生改变，待到达成像平面后，含有标记的动脉血的图像称为标记像，标记像与没有反转标记的控制像相减，即可得到灌注图像，再通过一定的数学模型，可定量测量CBF值[16-17]。本研究利用此技术，发现当定向视觉疲劳时，其视区CBF值显著下降，与同样时间的自由视觉状态和闭眼静息状态之间的差异有显著性意义；推测可能是由于大脑自我调节负反馈状态，迫使大脑接受休息指令，缓解视觉疲劳压力。但是同样时间情况下，正常睁眼自由视觉状态较自由闭眼静息状态时视区CBF值增加，这符合大脑受到视觉刺激时，邻近血管床的血流量及血容量增加的理论解释[8，10]。本研究结果显示了定向视觉疲劳则引起视区血流快速下降。

3.2 磁敏感技术及其相位值结果的释义

SWI是另一种脑功能磁共振技术，其原理是利用不同组织之间的磁敏感度差异产生信号对比，本质是高空间分辨力的三维梯度回波序列，反映的是小静脉血流中的脱氧血红蛋白含量[18-21]，本研究中，自由视觉时SWI相位值虽有所延长，但与闭眼静息的比较，不具有统计学意义，可能是由于自由视觉时视区脑组织氧耗量需求更大，引起动脉血流量增加，补偿了组织微循环中氧饱和度，使视觉皮层区小静脉的脱氧血红蛋白比例增加不明显，故差异不显著；然而，定向视觉中脑组织氧耗量急剧增大，早期可能存在应急代偿机制，脑小静脉扩张，增加静脉血流量，加速无氧代谢物的排出，后期则无氧代谢产物积聚，反射性刺激微循环小动脉收缩，引起血流量下降。

3.3 结论及不足

本研究只是初步探索了整体视区三种视觉状态时CBF、SWI相位值的改变，而对被试情绪、认知状态、注意力等因素缺乏关注，而且未将初级视觉皮层及次级视觉皮层分开测量分析，今后需多方面因素综合分析及进一步探索初级及次级视觉皮层的差异。

综上所述，本研究发现人体定向视觉状态容易引起脑视觉皮层区动脉血流量减少和静脉中脱氧血红蛋白增加(氧饱和度下降)，这或许是视觉疲劳的病理生理基础，但本研究也显示训练可以延长定向视觉疲劳时间。本研究利用安全无创的功能磁共振技术阐述了定向视觉、闭眼静息和自由视觉状态中视区的血流及血氧变化情况，具有一定的新颖性，为一些特殊职业的技能提高培训和差错防范提供了一定的理论依据。

利益冲突：无。