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

毛梦钗，许东升,3*

(1.上海中医药大学康复医学院，上海 201203；2.中医智能康复教育部工程研究中心，上海 201203;3.上海中医药大学附属曙光医院康复科，上海 201203)

脑卒中具有高发病率、高致残率、高死亡率、高复发率、高经济负担的特点，防治报告[1]显示我国脑卒中发病率呈逐年上升趋势。早期康复治疗可有效改善患者运动、感觉、执行控制、认知、言语及情绪等功能障碍，但仍有超过半数的患者存在后遗症[2]，尤其是上肢运动功能障碍，严重影响患者日常生活，是临床康复研究的重点[3]。

脑卒中康复干预手段包括物理治疗、中医疗法等传统方法，以及神经调控技术等新型干预手段，但尚缺乏动态、量化、客观评价康复效果的指标。功能性近红外光谱成像技术(functional near-infrared spectroscopy，fNIRS)是新兴的脑功能成像技术，可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，具有良好的时间分辨率及一定的空间定位能力，同时具有功能MRI(functional MRI，fMRI)不可比拟的经济性和生态效度[4-5]，可用于检测卒中后偏瘫患者脑功能[6]；用于运动领域评估健康受试者运动皮质功能也具有良好的可重复性[7]。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。

1 试验任务设置

1.1 手部运动任务 手部运动任务包括抓握运动和对指运动。抓握运动要求受试者以一定频率、强度重复屈曲-伸展手指。2002年，KATO等[6]采用fMRI与fNIRS分别观察脑卒中患者进行康复抓握运动时皮质激活情况来验证fNIRS运动评估的有效性，是目前评估卒中患者手部运动功能最常用的试验范式。8项研究[6，8-14]通过观察卒中患者手部抓握表现评估运动功能及运动皮质功能恢复；除空手抓握外，部分研究[10-11]要求受试者抓握橡胶球，或使用握力计量化评估[12]。另有5项研究[15-19]采用对指运动任务，即要求受试者以一定频率、强度、顺序将拇指和其他手指依次相对，或敲击键盘。以上研究抓握与对指运动均采用组块设计，任务阶段与休息阶段交替进行。KASHOU等[20]对比健康受试者在抓握和对指时皮质血氧响应情况，发现2种运动任务范式激活运动皮质情况并无显著差异，且在3天的重复测量中fNIRS信号一致性良好，提示抓握与对指运动可在fNIRS临床应用研究中互换使用。

1.2 前臂运动任务 前臂运动任务包括手肘和手腕屈伸等运动。10项研究[21-30]通过前臂运动评估脑卒中患者运动皮质血氧响应，其中5项研究[21-25]采用手肘屈伸试验范式，要求受试者以一定的频率和幅度弯曲、伸展手肘[21-24]，或在机械臂引导下进行被动运动[25]；2项研究[26-27]涉及机械臂辅助引导的综合上肢运动；此外，有研究采用前臂肌肉等长收缩运动[28]、屈腕运动[29]或伸腕运动想象任务[30]。试验范式均采用组块设计，任务阶段与休息阶段交替进行。

实际临床研究中会根据患者具体情况，选择或调整运动任务范式，如URUSHIDANI等[31]的研究，对1例脑卒中患者感觉运动皮质功能进行动态fNIRS检测，卒中后2个月其手指功能初步恢复，可完成手指屈曲和伸展，而对指和握拳功能尚未恢复，因此研究者以手指屈曲、伸展运动为试验范式进行运动区fNIRS观测，发现患者患侧运动功能提升停滞且偏侧化指标下降，从而调整任务范式对其进行15天的重复性经颅磁刺激结合作业治疗康复干预。LIM等[12]对脑卒中患者制定综合任务，要求受试者越过桌面障碍物拿取盒子中目标物，此任务需患者调动运动计划并执行，均为上肢关键功能。

2 观察脑区与光极配置

fNIRS测量光极所覆盖脑区主要包括运动区和前额叶[8，18-19，22-24，27]，也可评估颞叶及枕叶皮质[10，18]。脑卒中患者上肢运动功能康复研究多聚焦于运功功能本身，亦有研究[8，10，15，22]同时测量前额叶和初级运动皮质的血氧响应活动，探讨镜像疗法[15]或提醒治疗法[8]等运动认知疗法对脑卒中患者运动功能恢复的影响。除1项研究[8]检测范围主要覆盖右半球外，其余大部分研究fNIRS测量覆盖双侧皮质，同时评估健侧和患侧大脑皮质功能。观测通道均为多通道，其中1项研究[29]除常规观测通道(发射与接收光极之间常为3 cm间距)外，额外配置了11个短间距通道用于测量浅层生理噪声。

由于fNIRS测量光极放置于皮肤表面，其位置的准确性决定了实际观测脑区和测量效果。12项研究[8-9，12-14，16-17，19，22，25，29，30]采用了国际10-20系统，1项研究[27]采用国际10-10系统，另1项研究[24]通过高精度相机记录光极位置以辅助光极定位。此外，为更精准地定位脑区，部分研究[8，23-26，28，31]额外通过三维定位仪进行辅助定位和空间配准。

3 数据处理

对信号进行滤波去噪是fNIRS数据预处理的常规步骤，15项研究[8，10-12，14-19，22，26-28，30]使用带通滤波器去除高频和低频噪声。对于运动伪迹的干扰可进行伪迹校正处理，6项研究采用线性插值[15]或样条插值[8，14，16，26-27]算法、4项[10-11，28，30]通过手动检查去除运动伪迹和坏的试次、3项[9，13，27]采用滑窗平均法、2项[10，25]采用小波算法、1项[12]通过去除5个标准差之外的数据点去除运动伪迹、另1项[18]通过相邻信号替代法校正运动伪迹。此外，XIE等[27]采用独立成分分析(independent component analysis，ICA)、主成分分析(principal component analysis，PCA)及样条插值算法等多种综合去噪算法进行多次运动伪迹去除和校正。

常规血氧时间序列分析中，因考虑血氧延迟效应，多以任务开始后一段时间为分析时间窗口的起点，并对信号进行了基线校正和试次平均。2项研究[13，16]以完整任务段为分析时间窗口、1项[12]增加任务结束后10 s作为分析时间。

另11项研究[10，14-15，17-18，21，23-25，30-31]以试验任务条件卷积血流动力响应函数(hemodynamic response function，HRF)作为预测因子，构建一般线性模型(generalized linear model，GLM)对fNIRS信号进行激活区检测分析。

4 评估指标

大部分研究以血红蛋白浓度变化值为指标，其中17项研究[8-9，11，13-14，16-17，19，21-22，25-31]仅基于含氧血红蛋白(oxygenated hemoglobin，oxyHb)信号，2项[11，18]评估oxyHb和脱氧血红蛋白(deoxygenated hemoglobin，deoxyHb)浓度变化值，1项[6]同时评估oxyHb、deoxyHb和总血红蛋白3种信号。LIM等[12]以血红蛋白差值(Hbdiff=HbO-HbR)判断大脑激活情况并用于评估皮质功能。GLM激活区检测分析的研究中，3项[10，15，17]以权重参数β值为激活指标，7项[14，18，21，23-25，31]以β值的统计量t值为激活指标，用于评估皮质功能。

此外，XIE等[27]通过对fNIRS数据低频成分进行小波变化，计算小波幅值(wavelet amplitude，WA)用以衡量皮质激活水平。有研究定义偏侧化指数[9，14，17，21，27-28，31]、半球间指数[12]或对侧偏侧化指数[13]表征健侧和患侧皮质功能的平衡性，用于评估卒中后皮质功能动态变化与恢复。不同研究对偏侧化指数的定义和计算方式不同，多基于左右半球oxyHb浓度变化[9，14，28，31]，也可基于激活脑区大小[21]、激活通道数量[13]或WA指标[27]。另1项研究[15]以镜像指数评估镜像疗法引起的健侧和患侧运动皮质及楔前叶功能平衡。

5 主要研究结果

上肢运动主要涉及初级运动皮质、感觉运动皮质、运动前区、辅助运动区、运动感觉联合皮质及前额叶等脑区活动[6，8-16，19，21-27，31]。与健康受试者相比，脑卒中患者患侧脑区激活弱化[8，10-11，22]，对侧脑区过度激活[6，21-22]，尤其是卒中早期；提示对侧运动相关皮质存在代偿康复机制。

但LIM等[12]研究发现卒中患者患侧感觉运动皮质激活高于健康对照，且伴随着更差的运动表现，提示卒中患者运动皮质加工效率降低，或由于病灶周围健康脑区对损伤区域出现同侧代偿。患者经过康复训练后，伴随着上肢运动功能改善，皮质活动向损伤同侧偏转[9-10，13，15，18，22-24，31]，且能维持较长的时间[24]，实现神经功能重建。

6 多模态记录

fNIRS基于光学检测，不会与电磁场产生干扰，可兼容其他技术进行多模态检测。研究[9，15，21-22，29]在使用fNIRS观测的同时，以肌电图(electromyography，EMG)记录受试者运动时外周肌电活动；另有研究[10-12，15，30]采用fNIRS-脑电波同步记录皮质电活动和血氧变化，更全面地评估运动任务中大脑活动状态；KHAN等[29]同时兼容经颅直流电刺激(transcranial direct current stimulation，tDCS)-fNIRS-EMG技术，用以优化单一tDCS技术的康复干预方案。

7 小结与展望

临床研究中不同的试验范式、数据处理方法和评估指标均会对fNIRS研究结果造成影响，所获临床阐释也可能有所不同，提示研究者需更加重视fNIRS应用于脑卒中康复研究中的标准化问题，本文所涉及的部分研究方法学梳理详见表1。

表1 基于fNIRS评估脑卒中患者上肢运动功能康复的代表性研究方法学梳理

今后关于fNIRS脑卒中康复研究建议注意以下几项：①应详细报告fNIRS参数、试验范式参数设置与数据处理过程及参数设定；②为弥补fNIRS颅外记录所带来的定位缺陷，应使用10-20系统辅助光极定位，并使用三维定位仪记录光极和通道位置，与标准脑配准后形成更准确的空间定位；③根据受试者实际情况选择合适的试验任务、试验次数及任务时长；④关于fNIRS数据处理，建议将运动伪迹校正和信号滤波纳入常规预处理流程，运动任务易伴随较大幅度的身体运动，在信号采集过程中易引入运动伪迹，应在后期数据处理时重视去除运动伪迹，根据数据噪声情况选择合适的运动伪迹校正方法。

期望本文能为临床工作者开展fNIRS脑卒中运动康复研究提供参考，共同推进fNIRS的规范性和标准化应用。