基于功能性近紅外光譜技術(shù)的卒中后上肢單側(cè)任務(wù)與雙側(cè)任務(wù)的腦功能成像對比觀察

田婧，何志杰，楊青，劉玨，賈杰

卒中后常出現(xiàn)上肢運動功能缺損，其中約1/3的患者上肢運動障礙可持續(xù)6個月甚至更長時間[1]。超過一半的日常生活活動（如穿衣、進食）依賴于上肢功能[2]，因此上肢運動障礙是卒中患者重新融入社會的一個重要障礙。

單側(cè)上肢訓練和雙側(cè)上肢訓練均是目前常用的卒中后上肢訓練方法。雙側(cè)上肢訓練要求患者用雙側(cè)上肢完成運動任務(wù)，健側(cè)和患側(cè)肢體通過同時訓練來促進雙側(cè)肢體間的協(xié)調(diào)配合，以促進受損肢體的功能恢復[3]。功能性近紅外光譜技術(shù)（functional near-infrared spectroscopy，fNIRS）是一種新型的無創(chuàng)腦功能檢測技術(shù)，可以通過實時檢測大腦皮質(zhì)中氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的含量，間接地反映大腦神經(jīng)活動，可用于評估卒中后功能的恢復或治療的效果[4-5]。通過fNIRS檢測的大腦皮質(zhì)活動可在一定程度上反映卒中后皮質(zhì)及皮質(zhì)下大腦功能的重塑[6]。因此，fNIRS配合特定的訓練任務(wù)可對執(zhí)行任務(wù)時患者的腦功能活動進行實時動態(tài)檢測，完整地評定卒中患者大腦激活模式，反映患者的神經(jīng)重塑情況[7-9]。本研究采用fNIRS實時檢測上肢訓練過程中大腦皮質(zhì)相關(guān)功能區(qū)的激活程度以及氧合血紅蛋白的濃度變化，以探索單側(cè)上肢訓練和雙側(cè)上肢訓練激活大腦的程度和方式的差異，為臨床選擇更適宜的康復訓練模式提供參考。

1 對象與方法

1.1 研究對象 本研究為前瞻性研究，連續(xù)入組2021年1-4月在復旦大學附屬華山醫(yī)院、上海市第一康復醫(yī)院、上海市第三康復醫(yī)院接受康復治療的卒中患者。納入標準：①年齡30～80歲；②首次卒中（腦出血、腦梗死）或既往有腔隙性腦梗死但未遺留神經(jīng)功能缺損；③卒中診斷符合1995年全國第四屆腦血管病學術(shù)會議通過的各類腦血管病診斷要點，且經(jīng)頭顱CT或MRI檢查證實[10]；④發(fā)病時間≥2周，存在運動功能障礙；⑤無認知障礙，MMSE≥25分；⑥上肢Brounnstrom分期≥Ⅲ期；⑦頭顱完整，未行開顱手術(shù)或顱骨修補術(shù)；⑧患者自行簽署或授權(quán)委托人簽署知情同意書。排除標準：①發(fā)病在2周內(nèi)；②存在嚴重認知障礙或精神性疾病，無法配合指令或檢查；③存在顱骨缺損、頭部感染及皮膚破損等情況無法進行近紅外腦功能成像檢測；④癲癇發(fā)作期。本研究獲得復旦大學附屬華山醫(yī)院倫理委員會批準，審批號：（2020）臨審第（677）號。

1.2 近紅外腦功能成像方法 采用便攜式近紅外腦功能成像設(shè)備（NirSmart，丹陽慧創(chuàng)醫(yī)療）對患者進行大腦近紅外觀察。該設(shè)備包含24個光源探頭、16個探測探頭，在實驗設(shè)計中構(gòu)成40個有效通道（圖1），通道距離采用3 cm間距，參考國際10～20系統(tǒng)進行定位，覆蓋前額與兩側(cè)運動區(qū)（圖2）。該設(shè)備全通道采樣率≥11 Hz。光源探頭采用波長分別為730 nm和850 nm，可在運動狀態(tài)下同時檢測大腦皮質(zhì)相關(guān)區(qū)域氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白濃度的變化。

圖1 近紅外腦功能成像設(shè)備檢測通道的顯示圖

圖2 近紅外腦功能成像設(shè)備在大腦上的定位模型

1.3 執(zhí)行任務(wù)方法 單側(cè)任務(wù)為患者在安靜室內(nèi)，獨立坐位，患側(cè)上肢單獨上舉至鼻尖水平位置，緩慢放下后再重復動作，每組上舉30 s，休息20 s，重復9組。雙側(cè)任務(wù)為患者在安靜室內(nèi)，獨立坐位，健手和患手的手指交叉共同上舉至鼻尖水平位置，然后緩慢放下后再重復動作，每組上舉30 s，休息20 s，重復9組。

1.4 數(shù)據(jù)處理和比較 采用NirSpark近紅外數(shù)據(jù)處理軟件分析收集的原始光強數(shù)據(jù)。利用低通和高通濾波器對數(shù)據(jù)進行濾波，消除脈搏和呼吸等生理波動引起的噪聲以及環(huán)境和溫度變化引起的基線漂移；在不改變?nèi)魏卧紨?shù)據(jù)的情況下，對病灶位于大腦右側(cè)的數(shù)據(jù)進行左右腦反轉(zhuǎn)；通過使用修正的比爾-朗伯定律，將光密度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的濃度；使用廣義線性模型來擬合和分析血流動力學相應(yīng)函數(shù)，并獲得提示激活程度的β值；通過對特征值編輯獲得任務(wù)過程中的氧合血紅蛋白濃度均值。分別比較單側(cè)上肢訓練和雙側(cè)上肢訓練時患側(cè)和健側(cè)大腦各腦區(qū)的β值及氧合血紅蛋白濃度。

1.5 統(tǒng)計學方法 采用SPSS 23軟件進行統(tǒng)計分析，計量資料為非正態(tài)分布，采用M（P25～P75）表示，采用獨立樣本秩和檢驗進行組間比較，計數(shù)資料采用頻數(shù)和率（%）表示。以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

共入組31例卒中患者，年齡38～80歲，平均63.4±10.5歲；男性24例（77.4%），女性7例（22.6%）；腦梗死29例（93.5%），腦出血2例（6.5%）；左側(cè)上肢功能障礙14例（45.2%），右側(cè)上肢功能障礙17例（54.8%）；平均發(fā)病時間135.2±106.8 d。17例病灶位于大腦左側(cè)，14例病灶位于大腦右側(cè)，病灶位于右側(cè)的數(shù)據(jù)經(jīng)左右腦反轉(zhuǎn)處理。

在雙側(cè)任務(wù)與單側(cè)任務(wù)β值比較中，40個通道中有14個通道（患側(cè)8個，健側(cè)6個）的β值差異有統(tǒng)計學意義，單側(cè)任務(wù)時的β值低于雙側(cè)任務(wù)時，所代表的腦區(qū)分別為健、患兩側(cè)的初級運動皮質(zhì)區(qū)、輔助運動皮質(zhì)區(qū)、初級軀體感覺皮質(zhì)區(qū)及部分前額葉皮質(zhì)區(qū)等（表1）。

表1 單側(cè)和雙側(cè)訓練任務(wù)時β值差異有統(tǒng)計學意義的腦區(qū)數(shù)據(jù)

在雙側(cè)任務(wù)與單側(cè)任務(wù)氧合血紅蛋白濃度比較中，40個通道中有12個通道（患側(cè)8個，健側(cè)4個）的氧合血紅蛋白濃度差異有統(tǒng)計學意義，單側(cè)任務(wù)時的氧合血紅蛋白濃度低于雙側(cè)任務(wù)時，所代表的腦區(qū)分別為健、患兩側(cè)的初級運動皮質(zhì)區(qū)、輔助運動皮質(zhì)區(qū)、初級軀體感覺皮質(zhì)區(qū)及部分前額葉皮質(zhì)區(qū)等（表2）。

表2 單側(cè)和雙側(cè)訓練任務(wù)時氧合血紅蛋白濃度差異有統(tǒng)計學意義的腦區(qū)數(shù)據(jù)（單位：mmol·L-1·mm-1）

3 討論

大量證據(jù)表明中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病后功能的恢復是基于大腦重組和神經(jīng)的可塑性[11-13]。腦損傷后未受損半球的活動可能有助于運動功能的有效恢復，其機制可能為其他潛在的腦網(wǎng)絡(luò)活動替代了腦損傷區(qū)的功能[12]。Rehme等[13]報道，雙側(cè)半球初級運動皮質(zhì)區(qū)、輔助運動皮質(zhì)區(qū)活動的增加與高級運動功能有關(guān)。健側(cè)初級運動皮質(zhì)區(qū)和其他區(qū)域的補償性增強反映了卒中后功能網(wǎng)絡(luò)的變化，即重組現(xiàn)象。輕度運動障礙患者患側(cè)的初級運動皮質(zhì)區(qū)中有更多的激活，而重度運動障礙患者則是健側(cè)初級運動皮質(zhì)區(qū)和輔助運動皮質(zhì)區(qū)中有更強的激活[13]。在本研究中，與單側(cè)上肢訓練時相比，雙側(cè)上肢訓練時健側(cè)和患側(cè)的初級運動皮質(zhì)區(qū)和輔助運動皮質(zhì)區(qū)的激活程度有普遍增高，提示雙側(cè)上肢訓練在促進卒中后功能網(wǎng)絡(luò)重組方面的作用可能優(yōu)于單側(cè)訓練。

大腦的運動和感覺由對側(cè)大腦半球的初級運動和感覺皮質(zhì)控制，雙側(cè)半球同等腦區(qū)間通過大量的胼胝體纖維聯(lián)系，并且雙側(cè)半球初級運動皮質(zhì)區(qū)和感覺皮質(zhì)間還存在動態(tài)的功能聯(lián)系和相互抑制，處在正常制衡狀態(tài)[14]。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，如果患側(cè)腦損傷過于嚴重，則患者的功能恢復可能更多地依賴對側(cè)半球的功能代償，這種代償可能存在于雙側(cè)同等腦區(qū)之間或正常情況下有結(jié)構(gòu)和功能連接的腦區(qū)之間，也可能形成雙側(cè)半球間新的結(jié)構(gòu)和功能連接[15]。因此，這時的臨床治療重點為促進健側(cè)腦的有效代償，減少無意義的病理性異常模式形成。在本研究中，雙側(cè)任務(wù)與單側(cè)任務(wù)對比發(fā)現(xiàn)，健側(cè)腦同位腦區(qū)出現(xiàn)了與患側(cè)同等程度的激活和氧合血紅蛋白濃度的增高，說明雙側(cè)訓練時健側(cè)腦可能通過建立新的功能連接來代償患側(cè)腦損傷的功能。但僅從大腦皮質(zhì)的激活并不能完全說明以上問題，還需要深入地去研究大腦在執(zhí)行活動時內(nèi)在的網(wǎng)絡(luò)連接或重建。

雙側(cè)上肢訓練和單側(cè)上肢訓練均是目前常用的卒中后上肢訓練方法，一些研究認為單側(cè)上肢訓練僅適用于肢體功能較好的偏癱患者，患側(cè)上肢訓練并不能改善雙手協(xié)調(diào)性[16]。還有一些功能磁共振成像（functional MRI，fMRI）研究顯示，雙側(cè)上肢訓練可增加大腦半球間的感覺和運動皮質(zhì)區(qū)的功能連接和半球內(nèi)同側(cè)運動功能區(qū)的功能整合[17]。本研究的結(jié)果同樣顯示對比單側(cè)任務(wù)，患者在執(zhí)行雙側(cè)任務(wù)時患側(cè)和健側(cè)大腦的激活均更為明顯，與上述研究的觀點一致。目前國內(nèi)也有相關(guān)研究認為雙側(cè)訓練比單側(cè)訓練更為有效[18-19]。綜上所述，雙側(cè)上肢訓練可能是卒中患者更有效的干預手段。

本研究的不足在于：僅設(shè)計了一次任務(wù)的數(shù)據(jù)對比觀察，反映的是大腦皮質(zhì)激活的即時效果，對于兩種訓練在腦功能重建方面的證據(jù)尚不足。后續(xù)將進行更深入的腦網(wǎng)絡(luò)連接研究來探索單側(cè)上肢和雙側(cè)上肢訓練對大腦相應(yīng)腦區(qū)的網(wǎng)絡(luò)連接以及腦功能重塑方面的促進和影響。

【點睛】卒中后康復訓練中針對上肢功能的雙側(cè)任務(wù)訓練較單側(cè)訓練對腦區(qū)的激活更明顯，主要為大腦初級運動、輔助運動和初級軀體感覺等皮質(zhì)區(qū)，提示雙側(cè)任務(wù)訓練可能在促進腦功能重塑方面有積極的作用。