一、近红外脑功能成像原理简介

对人体来说，体内95%的能量来自于不同的氧化反应，氧是一切生命活动的基础。组织中的氧运输其主要载体是血红蛋白，它由氧合血红蛋白（HbO₂）和脱氧血红蛋白（Hb）组成。随着人体组织的有氧代谢，氧合血红蛋白和去氧血红蛋白的含量会不断发生变化，因而组织中的血氧含量的变化能够反映出人体生理状态、细胞的活动变化以及各组织结构的功能情况。所以通过实时、连续监测人体组织中氧的代谢及运输过程，对人类的健康状况以及生命科学的研究有着重要意义和应用前景。

近红外光谱脑功能成像系统是一款监测大脑皮层血红蛋白浓度变化的产品，具有无痛、无创伤、实时、连续的特点。系统利用近红外光对生物体良好的穿透作用，通过光纤探头发射近红外光穿透大脑皮层并散射回接收探头，在光的吸收量发生变化的同时，监测局部血氧（oxy-Hb，deoxy-Hb）浓度变化。这种对大脑皮层神经活动的间接测量方式，可以实现不同脑区多通道同时检测，达到研究高级脑功能的目的。

原理图

其生理机制来源于神经一血管耦联机制，即脑功能活动的变化会引起局部脑血流的变化。大脑皮层在被激活时会引起局部氧代谢率和局部脑血流的动力学改变,具体来说，人在静息状态时，脑组织基本保持有氧代谢，局部氧代谢率和局部脑血流水平相当；而当人大脑在激活状态时，局部脑血流远超过局部氧代谢率增加，故表现为大脑被激活区域中oxy-Hb含量相对增加，deoxy-Hb含量相对减少。

局部脑血流和血氧水平在不同状态下的变化。

a.静息状态； b.激活状态

二、近红外脑功能成像在康复领域中的应用

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。在神经康复领域近红外主要有三大应用：

第一  脑损伤后的功能恢复检测工具。

目前对于脑损伤后功能重组的数据主要来源于fMRI的研究，其信度和效度、空间分辨率等都较高。因而通过对比fMRI研究的一致性，fNIRS也能作为监测皮质活动模式的工具。Kato等通过对比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，fNIRS的这个结果与fMRI一致。在康复领域中经常使用的一种疗法叫强制性使用运动疗法，简称CIMT。而关于近红外脑功能成像的研究表明不论是脑卒中患者，还是脑瘫患者，CIMT对于脑部功能重组都有显著的效果，其作用效果可用fNIRS检测显示。

第二  康复治疗的调整工具

对于实时信号处理技术的提高使得fNIRS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。

第三  研究人体活动的神经生理机制

1、运动学习神经机制

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，由于fNIRS移动方便，不受环境和运动体位的限制。所以，fNIRS对于运动学习的脑部监测具有更加广泛的意义。

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。

2、步态平衡控制的神经机制

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，fNIRS也就成为了这项研究不可或缺的工具。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。

3、姿势控制的神经机制

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。研究者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。

三、近红外脑功能成像在康复应用领域的意义

评估是康复治疗的基础。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，每次治疗要进行FMA、MBI、BBS、Wolf等量表评估，十分繁琐。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。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。

因此，近红外脑功能成像在神经康复领域具有巨大的优势和应用前景。

参考文献：

Mihara, M. , & Miyai, I. (2016). Review of functional near-infrared spectroscopy in neurorehabilitation.Neurophotonics,3(3), 031414.