慧创近红外助力国家康复辅具研究中心发表SCI论文-脑卒中运动康复研究
喜报频传，国家康复辅具研究中心李增勇教授课题组在《Scientific reports》发表了题为“Limb linkage rehabilitation training-related changes in cortical activation and effective connectivity after stroke: A functional near-infrared spectroscopy study”的研究论文。基于近红外脑功能成像（functional near-infrared spectroscopy, fNIRS）探究了四肢联动训练中脑卒中患者的脑功能响应模式，为脑卒中肢体运动训练的在线康复效果评估提供有效方法。
慧创近红外脑功能成像系统NirScan的高灵敏度技术优势，助力该研究实现对前额、有头发覆盖的运动区和枕叶的同步高精准检测。
慧创近红外脑功能成像系统NirScan
下面为大家分享文章内容：
摘要：
在全世界范围内，脑卒中是目前人口致残的主要原因。康复训练对脑卒中后运动功能恢复至关重要。四肢联动康复训练可以同时刺激并调动上下肢的运动功能。本研究旨在通过功能性近红外光谱（fNIRS）成像技术，探讨脑卒中后与四肢联动康复训练任务相关的大脑皮层激活和效应连接（EC）网络的变化。本研究共招募了13例脑卒中患者（左侧偏瘫L-H组，n=6；右侧偏瘫R-H组，n=7）和16例健康对照。采用多通道fNIRS系统采集（1）静息态10min和（2）四肢联动康复训练20min状态下双侧前额叶皮质（PFCs）、运动皮质（MCs）和枕叶（OLs）的大脑氧合血红蛋白（delta-HbO2）和脱氧血红蛋白（delta-HHb）的浓度变化（任务态的前10min为[task_S1]，后10min为[task_S2]）。基于耦合函数和动态贝叶斯推论，分别计算不同频率间隔的脑效应连接网络：高频段I（0.6-2Hz）和II（0.145-0.6Hz）、低频III（0.052-0.145Hz）和极低频IV（0.021-0.052Hz）。结果表明，与健康对照组相比，脑卒中患者在运动任务状态下表现出不对称的（健侧运动区比患侧运动区激活程度大）皮质激活模式。与健康对照组相比，脑卒中患者在静息态和任务状态下，频率间隔I和II的EC显著降低（p<0.025）。在静息态和任务状态下，R-H组从MC和OL到右侧PFC的耦合强度显著高于对照组（p<0.025）。此外，与对照组相比，在任务状态下，L-H组在第III和第IV频段内从MC和OL到左侧PFC的耦合强度显著升高（p<0.025）。脑卒中患者在运动任务状态下，低频和极低频段内MC和OL指向健侧PFC的影响显著增加，提示脑卒中患者在运动康复任务中，可通过调用认知资源重组以补偿损伤。研究结果也表明，采用四肢联动训练需要选择合适的康复时机才能有利于患侧脑区重塑。fNIRS结合动态贝叶斯推论，可为脑卒中肢体运动训练的在线康复效果评估提供有效方法，这对于制订康复策略有重要意义。
样本与方法
样本：本研究共招募29名参与者参加本次实验，其中共有13名卒中患者包括左侧偏瘫（L-H组）6人、右侧偏瘫（R-H组）7人，以及16名年龄匹配、没有神经系统疾病的健康对照组。脑卒中患者的纳入标准为（1）缺血性脑卒中，发病时间>2周；（2）大脑单侧病灶区；（3）偏瘫侧上肢和下肢存在中度或重度运动功能障碍。脑卒中患者的排除标准：（1）存在任何临床显著的或不稳定的疾病；（2）存在任何卒中以外的神经精神疾病。脑卒中患者的样本信息如表1 所示。实验是在每个参与者的理解和书面同意下进行的。实验程序经国家康复辅具研究中心人类伦理委员会批准，符合1975年《赫尔辛基宣言》（1983年修订）规定的伦理标准。
实验过程：
实验开始前，首先让被试者在安静的环境中休息放松5min。休息后，在一个安静昏暗的房间里要求被试者保持一个舒适的坐姿，尽可能保持静止，清醒放松，闭上眼睛休息10min。然后准备执行运动四肢联动康复训练任务（Model: REX7000, SCIFIT, USA）。临床治疗师帮助每个参与者坐下，然后根据需要调整扶手、踏板和靠背，保证在运动过程的舒适度。脑卒中患者在运动时用绷带将其偏瘫侧固定，保证安全。所有康复训练任务样本均采用统一训练强度。在实验过程中，由专业治疗师指导，要求被试者以自主速度进行上下肢联动康复训练，训练时间为20min。运动康复任务的前10min定义为Session 1 (task_S1)，最后一个10min定义为Session 2 (task_S2)。实验过程如图1(A)所示。
fNIRS数据采集：
采用三波长fNIRS数据采集系统（丹阳慧创医疗设备有限公司）分别在静息状态和康复任务状态下检测被试者的脑血流动力学变化。光源和探测器之间的距离设置为30mm，数据采集频率10Hz。根据脑电10-10定位参考在大脑上对称布置10个光源和16个探头，共组成共24个测量通道，对称覆盖左右前额叶（LPFC/RPFC）、左右运动区（LMC/RMC）及左右枕叶（LOL/ROL）。实验fNIRS的通道布置如图1B所示。
图1 （A）实验过程；（B）fNIRS通道的配置
大脑效应连接分析：应用Morlet小波对浓度变化数据进行小波变换分析，得到任一时间和频率点的瞬时相位信息。在本研究中，应用小波变换获取高频段I（0.6–2 Hz）和II（0.145–0.6 Hz）、低频段III（0.052–0.145 Hz）及超低频段IV（0.021–0.052 Hz）的相位动态振荡信号。动态振荡信号之间的相互作用可用相应的耦合函数来描述。在本研究中，基于振荡信号特定频率的相位动力学，建立每个通道对信号之间的相位振荡耦合模型。利用动态贝叶斯推论，得到可用来完整描述振子间交互作用的耦合参数。耦合参数可以定量描述耦合系统之间的耦合强度和耦合方向等信息。在本研究中，我们基于原始信号对应生成100个AAFT替代信号，计算AAFT信号间的耦合参数用于检验真实信号间耦合参数的有效性，由此得到各个频率间隔内通道间有效的耦合强度及耦合方向，以此来开展基于fNIRS的效应连接分析。
基于脑区的脑效应连接网络：
本研究分别基于delta HbO2和delta HHb信号报告了运动康复训练任务对卒中后脑效应连接网络的影响，以进一步探讨脑卒中患者的神经康复机制。为了更加清晰的描述大脑六个脑区间的EC关系，24通道对间有效的CS根据通道在脑区的分布情况平均为30个有向的交互连接，分别为LPFC→RPFC，LPFC→LMC，LPFC→RMC，LPFC→LOL，LPFC→ROL，RPFC→LPFC，RPFC→LMC，RPFC→RMC，RPFC→LOL，RPFC→ROL，LMC→LPFC，LMC→RPFC，LMC→RMC，LMC→LOL，LMC→ROL，RMC→LPFC，RMC→RPFC，RMC→LMC，RMC→LOL，RMC→ROL，LOL→LPFC，LOL→RPFC，LOL→LMC，LOL→RMC，LOL→ROL，ROL→LPFC，ROL→RPFC，ROL→LMC，ROL→RMC，ROL→LOL，其中脑区1→脑区2，脑区1是耦合作用的来源脑区，脑区2是耦合作用的目标脑区。
结果
康复任务中的皮质激活模式：
如图3所示，三组被试分别在静息态、task_S1和task_S2状态下与delta HbO2信号相关的皮层激活模式。与静息态相比，健康对照组在运动任务状态下其双侧运动区表现出delta HbO2的增加和delta HHb的减少。然而，与静息态相比，任务态下可以观察到脑卒中患者健侧运动区delta HbO2浓度的增加大于患侧运动区。这一结果表示与健康对照组相比，运动时脑卒中患者表现出不对称的皮层激活模式（健侧运动区较患侧运动激活程度大）。
图3 在不同状态下的大脑皮层激活模式（A）健康对照组；（B）右偏瘫患者；和（C）左偏瘫患者
与卒中相关的效应连接变化：
在频率间隔III（图4），L-H组在task_S1状态下连接RMC→LPFC的耦合强度显著大于健康对照组，在task_S2状态下连接LMC→LPFC，RMC→LPFC和ROL→LPFC的耦合强度显著大于健康对照组。
图4 频率间隔III内大脑效应连接网络不同状态间的变化（A）健康对照组；（B）右偏瘫患者和（C）左偏瘫患者
结论
研究发现在四肢联动康复过程中，脑卒中患者健侧运动区表现出比患侧运动区更强的激活程度。这表明与健康对照组相比，脑卒中患者存在不对称的皮质激活模式。同时基于耦合相位振荡模型和动态贝叶斯推论分别计算信号delta HbO2和delta HHb不同频率间隔下的耦合参数。基于fNIRS技术监测大脑皮层激活和不同频率间隔内的效应连接来探究与四肢联动康复训练有关的卒中后功能网络重组机制。在静息态和任务态下，R-H组指向RPFC连接的耦合强度显著高于健康对照组。在频段III和IV，L-H组指向LPFC连接的耦合强度显著大于健康对照组。在delta HHb信号分析中也存在类似的结果。研究结果表明，脑卒中患者在运动康复任务中，调用认知资源以补偿运动功能损伤。本研究证实了基于fNIRS技术在评估康复任务对卒中后大脑皮质重组影响方面的适用性。研究结果也表明，采用四肢联动训练需要选择合适的康复时机才能有利于患侧脑区重塑。fNIRS结合动态贝叶斯推论，可为脑卒中肢体运动训练的在线康复效果评估提供有效的方法。 此外，本研究还可为卒中后康复治疗新技术发展提供理论基础。
参考文献：
Huo C, Xu G, Li Z, et al. Limb linkage rehabilitation training-related changes in cortical activation and effective connectivity after stroke: A functional near-infrared spectroscopy study[J]. Scientific reports, 2019, 9(1): 6226.
慧创近红外脑功能成像系统NirScan的高灵敏度技术优势，助力该研究实现对前额、有头发覆盖的运动区和枕叶的同步高精准检测。
慧创近红外脑功能成像系统NirScan
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摘要：
在全世界范围内，脑卒中是目前人口致残的主要原因。康复训练对脑卒中后运动功能恢复至关重要。四肢联动康复训练可以同时刺激并调动上下肢的运动功能。本研究旨在通过功能性近红外光谱（fNIRS）成像技术，探讨脑卒中后与四肢联动康复训练任务相关的大脑皮层激活和效应连接（EC）网络的变化。本研究共招募了13例脑卒中患者（左侧偏瘫L-H组，n=6；右侧偏瘫R-H组，n=7）和16例健康对照。采用多通道fNIRS系统采集（1）静息态10min和（2）四肢联动康复训练20min状态下双侧前额叶皮质（PFCs）、运动皮质（MCs）和枕叶（OLs）的大脑氧合血红蛋白（delta-HbO2）和脱氧血红蛋白（delta-HHb）的浓度变化（任务态的前10min为[task_S1]，后10min为[task_S2]）。基于耦合函数和动态贝叶斯推论，分别计算不同频率间隔的脑效应连接网络：高频段I（0.6-2Hz）和II（0.145-0.6Hz）、低频III（0.052-0.145Hz）和极低频IV（0.021-0.052Hz）。结果表明，与健康对照组相比，脑卒中患者在运动任务状态下表现出不对称的（健侧运动区比患侧运动区激活程度大）皮质激活模式。与健康对照组相比，脑卒中患者在静息态和任务状态下，频率间隔I和II的EC显著降低（p<0.025）。在静息态和任务状态下，R-H组从MC和OL到右侧PFC的耦合强度显著高于对照组（p<0.025）。此外，与对照组相比，在任务状态下，L-H组在第III和第IV频段内从MC和OL到左侧PFC的耦合强度显著升高（p<0.025）。脑卒中患者在运动任务状态下，低频和极低频段内MC和OL指向健侧PFC的影响显著增加，提示脑卒中患者在运动康复任务中，可通过调用认知资源重组以补偿损伤。研究结果也表明，采用四肢联动训练需要选择合适的康复时机才能有利于患侧脑区重塑。fNIRS结合动态贝叶斯推论，可为脑卒中肢体运动训练的在线康复效果评估提供有效方法，这对于制订康复策略有重要意义。
样本与方法
样本：本研究共招募29名参与者参加本次实验，其中共有13名卒中患者包括左侧偏瘫（L-H组）6人、右侧偏瘫（R-H组）7人，以及16名年龄匹配、没有神经系统疾病的健康对照组。脑卒中患者的纳入标准为（1）缺血性脑卒中，发病时间>2周；（2）大脑单侧病灶区；（3）偏瘫侧上肢和下肢存在中度或重度运动功能障碍。脑卒中患者的排除标准：（1）存在任何临床显著的或不稳定的疾病；（2）存在任何卒中以外的神经精神疾病。脑卒中患者的样本信息如表1 所示。实验是在每个参与者的理解和书面同意下进行的。实验程序经国家康复辅具研究中心人类伦理委员会批准，符合1975年《赫尔辛基宣言》（1983年修订）规定的伦理标准。
实验过程：
实验开始前，首先让被试者在安静的环境中休息放松5min。休息后，在一个安静昏暗的房间里要求被试者保持一个舒适的坐姿，尽可能保持静止，清醒放松，闭上眼睛休息10min。然后准备执行运动四肢联动康复训练任务（Model: REX7000, SCIFIT, USA）。临床治疗师帮助每个参与者坐下，然后根据需要调整扶手、踏板和靠背，保证在运动过程的舒适度。脑卒中患者在运动时用绷带将其偏瘫侧固定，保证安全。所有康复训练任务样本均采用统一训练强度。在实验过程中，由专业治疗师指导，要求被试者以自主速度进行上下肢联动康复训练，训练时间为20min。运动康复任务的前10min定义为Session 1 (task_S1)，最后一个10min定义为Session 2 (task_S2)。实验过程如图1(A)所示。
fNIRS数据采集：
采用三波长fNIRS数据采集系统（丹阳慧创医疗设备有限公司）分别在静息状态和康复任务状态下检测被试者的脑血流动力学变化。光源和探测器之间的距离设置为30mm，数据采集频率10Hz。根据脑电10-10定位参考在大脑上对称布置10个光源和16个探头，共组成共24个测量通道，对称覆盖左右前额叶（LPFC/RPFC）、左右运动区（LMC/RMC）及左右枕叶（LOL/ROL）。实验fNIRS的通道布置如图1B所示。
图1 （A）实验过程；（B）fNIRS通道的配置
大脑效应连接分析：应用Morlet小波对浓度变化数据进行小波变换分析，得到任一时间和频率点的瞬时相位信息。在本研究中，应用小波变换获取高频段I（0.6–2 Hz）和II（0.145–0.6 Hz）、低频段III（0.052–0.145 Hz）及超低频段IV（0.021–0.052 Hz）的相位动态振荡信号。动态振荡信号之间的相互作用可用相应的耦合函数来描述。在本研究中，基于振荡信号特定频率的相位动力学，建立每个通道对信号之间的相位振荡耦合模型。利用动态贝叶斯推论，得到可用来完整描述振子间交互作用的耦合参数。耦合参数可以定量描述耦合系统之间的耦合强度和耦合方向等信息。在本研究中，我们基于原始信号对应生成100个AAFT替代信号，计算AAFT信号间的耦合参数用于检验真实信号间耦合参数的有效性，由此得到各个频率间隔内通道间有效的耦合强度及耦合方向，以此来开展基于fNIRS的效应连接分析。
基于脑区的脑效应连接网络：
本研究分别基于delta HbO2和delta HHb信号报告了运动康复训练任务对卒中后脑效应连接网络的影响，以进一步探讨脑卒中患者的神经康复机制。为了更加清晰的描述大脑六个脑区间的EC关系，24通道对间有效的CS根据通道在脑区的分布情况平均为30个有向的交互连接，分别为LPFC→RPFC，LPFC→LMC，LPFC→RMC，LPFC→LOL，LPFC→ROL，RPFC→LPFC，RPFC→LMC，RPFC→RMC，RPFC→LOL，RPFC→ROL，LMC→LPFC，LMC→RPFC，LMC→RMC，LMC→LOL，LMC→ROL，RMC→LPFC，RMC→RPFC，RMC→LMC，RMC→LOL，RMC→ROL，LOL→LPFC，LOL→RPFC，LOL→LMC，LOL→RMC，LOL→ROL，ROL→LPFC，ROL→RPFC，ROL→LMC，ROL→RMC，ROL→LOL，其中脑区1→脑区2，脑区1是耦合作用的来源脑区，脑区2是耦合作用的目标脑区。
结果
康复任务中的皮质激活模式：
如图3所示，三组被试分别在静息态、task_S1和task_S2状态下与delta HbO2信号相关的皮层激活模式。与静息态相比，健康对照组在运动任务状态下其双侧运动区表现出delta HbO2的增加和delta HHb的减少。然而，与静息态相比，任务态下可以观察到脑卒中患者健侧运动区delta HbO2浓度的增加大于患侧运动区。这一结果表示与健康对照组相比，运动时脑卒中患者表现出不对称的皮层激活模式（健侧运动区较患侧运动激活程度大）。
图3 在不同状态下的大脑皮层激活模式（A）健康对照组；（B）右偏瘫患者；和（C）左偏瘫患者
与卒中相关的效应连接变化：
在频率间隔III（图4），L-H组在task_S1状态下连接RMC→LPFC的耦合强度显著大于健康对照组，在task_S2状态下连接LMC→LPFC，RMC→LPFC和ROL→LPFC的耦合强度显著大于健康对照组。
图4 频率间隔III内大脑效应连接网络不同状态间的变化（A）健康对照组；（B）右偏瘫患者和（C）左偏瘫患者
结论
研究发现在四肢联动康复过程中，脑卒中患者健侧运动区表现出比患侧运动区更强的激活程度。这表明与健康对照组相比，脑卒中患者存在不对称的皮质激活模式。同时基于耦合相位振荡模型和动态贝叶斯推论分别计算信号delta HbO2和delta HHb不同频率间隔下的耦合参数。基于fNIRS技术监测大脑皮层激活和不同频率间隔内的效应连接来探究与四肢联动康复训练有关的卒中后功能网络重组机制。在静息态和任务态下，R-H组指向RPFC连接的耦合强度显著高于健康对照组。在频段III和IV，L-H组指向LPFC连接的耦合强度显著大于健康对照组。在delta HHb信号分析中也存在类似的结果。研究结果表明，脑卒中患者在运动康复任务中，调用认知资源以补偿运动功能损伤。本研究证实了基于fNIRS技术在评估康复任务对卒中后大脑皮质重组影响方面的适用性。研究结果也表明，采用四肢联动训练需要选择合适的康复时机才能有利于患侧脑区重塑。fNIRS结合动态贝叶斯推论，可为脑卒中肢体运动训练的在线康复效果评估提供有效的方法。 此外，本研究还可为卒中后康复治疗新技术发展提供理论基础。
参考文献：
Huo C, Xu G, Li Z, et al. Limb linkage rehabilitation training-related changes in cortical activation and effective connectivity after stroke: A functional near-infrared spectroscopy study[J]. Scientific reports, 2019, 9(1): 6226.
