本文是对fNIRS脑成像及其在神经康复治疗中应用的简介，受众是对神经科学、神经康复、运动想象、NIRS和BCI等感兴趣的康复治疗师、医生、医学生、生物医学工程、心理等专业人士，希望对读者有所启发。欢迎转发，未经许可，禁止转载和抄袭，谢谢！

1.介绍

大脑通过血液的新陈代谢为神经元活动提供所需的氧，而氧的消耗又刺激大脑局部血管的舒张，促使毛细血管血流量增加，导致局部脑血流(rCBF)和脑血容(CBV)的增加,表现为大脑血氧水平的迅速提高,这就是神经-血管匹配机制(neurovasularcoupling)。

血氧水平不仅会影响其磁性变化（BOLD的原理），同时也会影响其光学特性。生理组织中可以吸引近红外光的成分主要有水、HbO和Hb，它们对近红外光的吸收率不同。水对近红外波段的谱相为观察血红蛋白提供了一种可作为背景的“光谱窗”，在这个光谱窗下，HbO和Hb对近红外光的频谱差异足够大，可以根据此差异计算它们各自在体内的浓度。研究表明，应用扩散光学成像，可以重建血液参数的三维空间变化：血红蛋白的浓度和氧气饱和度，以及组织散射特性，从而将脑解剖和脑活动联系起来。

功能性近红外线光谱技术（fNIRS）尽管难以监测到大脑深部结构的血氧水平、空间分辨率较低、容易被外界光线干扰，但是与其他非侵入性脑成像技术相比，具有造价低、便携而且不易被受试者动作干扰的优点。因而近年来随着技术本身的发展，fNIRS越来越多地被应用于临床和康复治疗。本文中，笔者将针对fNIRS在神经康复领域的两大用途作简要阐述。

第一是作为检查、监测大脑活动的工具。fMRI和fNIRS都是近年来热门的功能性成像技术，可用于探究脑组织损伤后功能恢复的情况。急性脑损伤如脑卒中患者的功能恢复（康复）呈现出对数型的时间效果，即在最初几周康复效果最佳并且在接下来恢复速度不断减慢。这种现象的机制可能是：最初与局部脑水肿减轻和脑血流恢复有关，而接下来的缓慢恢复是由于包括潜在脑连接通路的去抑制效应和脑区功能替代在内的神经可塑性有关。

第二是作为康复治疗的工具。近期脑-机接口技术（BCI）在提高神经系统疾病患者的日常生活能力和功能重建中的作用已经成为研究热门。因为它的无创、便携的特点，许多研究者发展了基于NIRS的BCI技术（传统是基于EEG技术）。此外，NIRS还可用于提高神经可塑性，与EEG所模拟的皮质活动作为反馈信号类似，NIRS也被用于多动症（ADHD）和脑瘫患者的神经反馈康复治疗。

2.监测大脑活动

2.1上肢功能

2.1.1脑损伤后的功能恢复

目前功能性脑成像技术对于脑损伤后功能重组的数据主要来与fMRI，其信度和效度、空间分辨率等都较高。在Steinbrink等年的综述中，通过与fMRI的关联性研究，表明NIRS也能健侧脑卒中后皮质的灌注和激活情况，而且信度很高。Kato等的研究通过对比6名偏瘫患者与5名正常个体，发现偏瘫患者对侧运动皮质激活程度高于患侧，而正常个体双侧激活程度则是平衡的，因为结果与fMRI一致，所以fNIRS也能作为监测皮质活动模式的工具。

在Park等人的CIMT干预性研究中，通过10天的患侧肢体强制性使用，脑区异常的激活模式逐渐下降，双侧皮质的竞争性抑制也归于平衡，逐渐转变为患侧皮质的激活。之后的皮质下脑卒中研究结果也证实了上述观点（Takeda等，）。除了脑卒中患者，CIMT对于脑瘫患者的脑部功能重组的作用也可由fNIRS显示出来。

2.1.2运动学习

除了监控大脑损伤之后的功能重组，NIRS还可以作为一种工具来进行调查运动学习的神经基础。运动学习在我们的日常生活中以及在康复过程中都是至关重要的，尤其是脑卒中病人得重新学习偏瘫肢体的运动。迄今为止，大多数人类关于运动学习的神经影像研究都是使用正电子发射断层摄影术(PET)或功能磁共振成像。由于这些技术方法学的局限性，大多数研究都只研究了在仰卧位下手指和足部的运动学习。然而,由于在日常的情况下，大部分的动作都是在坐位或站立的时候执行的，而且这些运动也不像fMRI和PET研究中限制了身体姿势。所以，fNIRS对于运动学习的脑部监测就与正常的运动学习过程更加贴合了。

目前为止，已经有数名研究者使用fNIRS对上肢粗大运动运动学习时皮质对应的激活情况进行了研究，Leff等人发现初学者较专家在手术打结学习时，前额叶激活程度更高，表明前额叶皮质与运动学习过程密切相关。Hatakenaka等则研究了健康个体与脑卒中后共济失调患者的追踪圆盘（PR）任务中皮质激活情况，两者在重复训练后运动表现都有所提高，而这种运动能力的提高在脑卒中患者中与他们的ADL能力提高显著相关。

在PR任务中，感觉运动区、前额叶和运动前区皮质都可在fNIRS在观察到激活。有趣的是，随着运动的重复进行，健康个体皮质活跃的中心从前辅助运动区（pre-SMA）转移到了SMA区，而脑卒中共济失调患者则保持不变，所以也就是说，如果脑卒中患者经训练之后也发生了这种活跃区的转移，他们的训练就有助于运动功能的恢复。这个研究也暗示了pre-SMA区和SMA区在运动技巧学习过程的不同作用。

2.2步态与平衡控制

2.2.1步态控制的神经机制

人类习惯性的双足站立和步行有助于最大限度地提高手的灵活性，进而提高了对工具使用能力，所以双足站立不稳增加了跌倒和受伤的可能性。一个以社区为基础的研究表明，年龄大于65岁的人群中，有超过三分之一的人每年至少摔倒一次，而这一比例80岁时增长到50%。尽管目前许多动物的基础研究显示，皮质下结构参与了步态与平衡功能的控制，然而近期研究暗示了皮质参与了人类双足平衡功能的控制。为了研究其中的神经机制，显然fNIRS是更加合适的工具。

Miyai等使用NIRS和平衡功能评估系统，研究受试者在跑步机上的神经控制，发现双侧感觉运动区（SMC）中间区域和SMA区活跃程度呈现出对称性的上升。此外，Suzuki等前额叶（PFC）只在加速时激活，速度越高激活程度越高，而在匀速运动时活跃程度降低。所以，PFC可能与运动变化有关，而SMC区则与步态稳定有关。

其他研究也暗示了前额叶参与了运动控制。Holtzer等和Al-Yahya等人研究了在步态时进行的谈话任务时前额叶的激活情况。在双任务条件下，非痴呆老人前额叶激活增加，而且与步长和认知能力呈正相关。这些研究结果表明，在双任务步态情境下，PFC区参与了个体同时注意的分配。也有报道称，在神经源性步态异常患者中，步行速度越高、认知能力越差，PFC区的激活程度就越高，表明这些患者和健康个体的注意力分配策略是不同的。

对于脑卒中偏瘫患者，Miyai等人的fNIRS研究证明，步行时患者双侧SMC区激活程度是不对称的，并且在康复治疗后可以改善。近期Sangani等的研究表明，在偏瘫患者的步行训练时，对健侧手指的触觉刺激有助于改善上述皮质的不对称激活情况，表明以往治疗师的规范康复训练是是有证可依的。患侧大脑与运动相关的皮质尤其是PMC区的激活，与运动功能恢复密切相关，表明了PMC区在脑卒中后运动功能恢复的代偿作用。通过fNIRS，下肢的康复训练也显示出相应脑区功能的重组。Lin等人研究了在主被动自行车任务中皮质活动，他们发现健侧的PMC的皮质激活较高且在运动速度反馈条件下，激活程度更高、运动表现更好。这些发现表明，健侧运动前区激活可在卒中恢复中起到代偿作用。

然而，脑区功能重组模式并不是千篇一律的，会随不同病人的病灶类型或症状的不同而不同。在脑卒中共济失调患者中，与步态相关的SMC激活程度与健康的受试者相近。但是，脑卒中患者的前额在整个行走阶段会持续激活。在慢性退行性共济失调患者中，也发现了类似的前额激活的增加。Caliandro等的研究中指出，PFC激活和步宽之间存在的正相关关系。这些发现表明，PFC可能在共济失调患者起到了代偿肢体运动变化的作用。

2.2.2姿势控制的神经机制

Mihara等的fNIRS研究中发现，皮质激活与对预知或非预知姿势变化的控制相关。尽管对受试者提前进行了提示，他们双侧PFC区的含氧血红蛋白浓度在姿势变化时还是提高了，而SMA和顶叶相关脑区只在预知情况下会激活。通过虚拟倾斜板任务，前额叶参与主动平衡控制的过程得到了证实，而且与任务难度正相关。另外，Mahoney等发现了无论是PD（帕金森病）、轻度PD还是正常个体，在双任务站立任务时前额叶活跃程度更高，这也证实了前面关于PFC参与神经源性步态异常患者运动控制的论断，而且对直立姿势下注意力分配也有作用。

相反，SMA和顶叶皮质更多地与提示下姿势控制有关，表明它们与主动躯体控制有关。在脑卒中偏瘫患者中，fNIRS结果显示，患侧大脑与姿势相关的皮质激活程度下降，SMA区的活跃程度也与受试者的姿势控制能力显著相关。研究者也探究了脑卒中偏瘫患者在康复训练后与平衡相关的皮质激活程度，结果显示经康复训练之后SMA区激活程度显著提高，伴随着平衡功能的改善，所以NIRS或许可以作为康复的平衡评估工具。

3.作为神经康复的治疗性工具

3.1基于NIRS的脑机接口（BCI）

关于BCI的介绍，不清楚的读者可以自行百度百科，在这里不再进行赘述。在严重肢体运动功能障碍的患者中，BCI技术可以代偿受损的神经肌肉控制，提高他们日常生活能力，重建功能性活动。在众多监测大脑活动的技术中，NIRS凭借其便携、无创的特性引起了研究者的重视。但由于其信号受到生理信号、试验误差等干扰，应当对收集到的信号进行处理，以提高解码精确度。随着信号解码技术进步，可以检测出健康个体运动想象时皮质激活70%到90%的准确性，但在严重慢性脑卒中患者中，由于皮质激活减少，精确度也会随之下降。而且，由于NIRS本身基于神经-血氧匹配机制，神经激活和NIRS信号间会存在数秒的延迟，所以研究者发明了EEG-NIRS耦合系统。

尽管对NIRS信号的解码技术不断提高，目前基于这项技术的BCI尚未广泛应用于临床康复。BCI可以重建多种功能活动，包括交流和运动等，而目前发展最快的也是将其应用于交流。近期，Gallegos-Ayala等的个案研究中也提出将基于NIRS的BCI技术应用于脊髓侧索硬化患者的语言交流，显示出这项技术的潜力。

3.2作为神经反馈工具

对于实时信号处理技术的提高使得NIRS可以在康复治疗中发挥反馈作用，患者和治疗师可以根据治疗目的和皮质活动的实时信号调整康复治疗的具体动作和细节。

Mihara等发明了基于NIRS技术的反馈训练系统，让患者分别进行两项运动想象训练，一组是实时运动皮质信号反馈下的康复训练，另一组是假信号，结果表明运动想象相关皮质的激活只在前者会被易化，因此该技术或许可以用于神经康复训练。同时，Kober等也报道了类似系统的结果，在8个疗程的神经反馈康复训练中，实时信号反馈患者运动想象中手部皮质的激活程度明显上升，而假信号组则出现了弥散性的激活。

Mihara等在另一个RCT研究中也证实了该系统对于卒中后运动功能恢复的作用，该研究纳入了20名脑卒中亚急性期患者，除了常规的康复训练外，试验组患者进行了为期2周，每周3次的NIRS信号反馈下的神经康复训练，对照组为假信号反馈。结果试验组手部运动功能恢复显著优于对照组，而且伴随着相关皮质激活程度的提高。尽管其作用还需大样本、多中心的深入研究，但是，从这一研究已经可以暗示出NIRS技术在神经反馈治疗中将大有可为。

4.Reference

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写在最后

评估是康复治疗的基础。笔者通过近期与PT部门老师的交谈和自己的实习经历发现，中枢神经系统康复疗程较其他方向康复的周期十分漫长，而且目前的评估非常依赖量表。以脑卒中为例，我们不可能每次治疗都进行FMA、MBI、BBS、Wolf等量表评估，所以也就造成了对于患者的治疗进展把握地较慢，同时不便于康复领域的临床研究。患者治疗需要反馈，治疗师也需要反馈，如此长的反馈周期势必会影响康复治疗的效果，这是其一。其二，虽然上述量表的信度效度早已得到验证，但是用有限的阶段性和代表性的动作去评价个体的功能性活动，不免有些局限。其三，我们对于脑卒中患者，可以据多种神经易化技术制定个体化的康复训练，但是我们在实施这些操作时却对大脑活动相知甚寥。其四，康复队伍在不断壮大，举中山三院为例，这里的吞咽康复治疗全国知名，每年到这里实习、进修的人络绎不绝，回去后会医院，外行看热闹内行看门道，不知道是否所有人都能学到精髓。而且，治疗师的临床操作需要多年的经验积攒，对于像笔者这样心浮气躁的人，希望自己不要把“catonthemat”错当成“matonthecat”，而且最好能快速掌握康复治疗技术，把握好其中的细节。

希望fNIRS或者其他技术能够解决以上的几个问题，也希望更多的人才加入神经康复治疗队伍，让我们共同期待？本人学疏才浅，对此方向的认识较为浅薄，希望读者不吝赐教。若有纰误，欢迎指出：zacchan25