脑卒中近红外光谱的研究现状和发展方向：系统综述
背景：脑卒中幸存者经常出现严重残疾并且生活质量受损。运动或认知功能的恢复需要很长时间。神经影像学可以测量大脑的变化并监测恢复过程，以便提供及时治疗并评估治疗效果。非侵入性神经影像技术近红外光谱（NIRS）具有动态，便携，低成本的特性，并且对受试者无特殊要求，因此引起了广泛关注。
方法：我们进行了全面的文献回顾，回顾2018年7月前NIRS在卒中或卒中后患者中的应用。搜索NCBI Pubmed数据库，EMBASE数据库，Cochrane图书馆和ScienceDirect数据库。
结果：总的来说，我们审查了66篇论文。NIRS在监测上肢，下肢恢复，运动学习，皮质功能恢复，脑血流动力学变化，脑氧合，以及治疗方法，临床研究和卒中风险评估等方面有着广泛的应用。
结论：本研究为脑卒中患者应用NIRS作为监测，治疗和研究工具提供了初步证据。进一步的研究可以更加强调NIRS与其他技术的结合及其在预防脑卒中中的效用。
引言
脑卒中,指由于大脑血液供应不足导致细胞死亡,是全球死亡和残疾的主要原因。幸存者伴随功能的恶化或丧失，例如感觉运动后遗症，包括运动无力和自主运动控制受损，痉挛，动作不协调，失用，感觉丧失/麻木，吞咽困难和构音障碍，中风也可导致各种认知和精神缺陷。这些功能障碍与血液供应不足和脑氧合导致的皮质损伤有关。因此，监测脑循环和氧合的变化可以及时反映康复和康复治疗的效果。
神经影像学已被证明是一种有效的监测和治疗工具，可评估神经活动和卒中康复与康复的进展。传统方法，如功能磁共振成像（fMRI），正电子发射断层扫描，脑电图（EEG）和脑磁图描记术（MEG），为初始复苏期间的大脑变化提供了相当多的初步评价。然而，监视环境限制，头部需要固定和高成本等若干缺点限制了其在需要持续和实时监测时的应用。
近红外光谱（NIRS），由Jöbsis等人于1977年引入。作为脑和心肌氧合的监测工具，已部分克服了这些困难。 NIRS是一种非侵入性神经影像工具，具有几个潜在的优势，包括实时监控，低价格，简单性，便携性，相对较小的设备，几乎完全安全和非侵入性。
近红外光谱可分为连续波近红外光谱(CW NIRS)、时域近红外光谱(TD NIRS)和频域近红外光谱(FD NIRS)。连续波近红外光谱(CW NIRS)发射连续波，测量通过组织的光的强度变化，而时域近红外光谱(TDNIRS)利用短脉冲激光，测量光子从组织中出现的到达时间。频域近红外光谱记录了被测光的强度和相移。这些信号可以转化为含氧血红蛋白(脱氧血红蛋白)和脱氧血红蛋白(脱氧血红蛋白)的浓度。最常用的算法之一是改进的比尔朗伯定律(MBLL)。连续波近红外光谱(CW NIRS)无法测量氧Hb和脱氧Hb的绝对浓度，因为这种方法假设组织是均匀的，这是不正确的。这并不改变定性分析的结果，但可能导致定量结果的误差。TD近红外光谱记录脉冲穿透研究区域时的时间展宽，可以精确地定量浓度，具有更好的空间分辨率。神经活动导致对氧气的需求增加，从而由于神经血管耦合引起脑血流量增加。近红外光谱可以捕捉氧Hb和脱氧Hb的变化来推断大脑活动的变化。近年来，近红外光谱技术从单点测量发展到二维、三维测量。其中最有前途的应用之一是脑-机接口(brain-computer interface, BCI)，它最早由Coyle等人提出。BCI利用大脑活动来控制绕过周围神经系统的外部设备。近红外光谱(NIRS)具有非侵入性和实时监测功能，是一种有价值的脑信号采集工具。然而，由于信息传输速度慢、精度低，f NIRS-BCI系统仍主要用于研究。
卒中主要有两种类型: 缺血性卒中(由于脑血流量不足)和出血性卒中(由于出血)。缺血性中风时，动脉粥样硬化或栓塞引起的血管狭窄会破坏脑血供。在高血压或动脉瘤破裂引起的出血性卒中中，由于直接失血或血管受压，血流量减少。在这两种情况下，都可以观察到血液供应的显著下降。脑氧合的减少导致神经血管单元的损伤，神经元活性降低和无氧代谢产物的积累。近红外光谱可以监测氧合信号的变化，从而反映这一病理生理过程。
NIRS是一种安全有效的脑卒中康复监测工具，包括上肢、下肢康复、运动学习、皮质功能恢复、脑血流动力学变化、脑氧合、治疗、临床研究和卒中风险评估。脑-机接口(brain -computer interface, BCIs)是一种新兴的工具，它利用大脑活动来控制外部设备，促进瘫痪患者与环境的互动。近红外光谱(NIRS)联合BCI作为治疗手段具有很大的潜力。此外，近红外光谱技术已用于多项临床研究，反映脑血流动力学或氧合变化，以及评估术后卒中和肌肉代谢的风险。近红外光谱法已被证明是一种有效且有前景的方法，但其临床价值仍存在争议。因此，为了解决这些差异，我们对近红外光谱技术在脑卒中患者中的应用进行了系统的综述。
方法
为了评估近红外光谱技术在脑卒中患者监测和治疗中的应用，我们对所有涉及近红外光谱技术在脑卒中患者中已发表的原始研究进行了系统的文献综述。2018年7月进行的文献检索首先使用以下搜索术语初步搜索NCBI Pubmed数据库:(光谱学，近红外[MeSH主题]或近红外光谱[标题/摘要]或fNIRS [标题] /摘要]）和（卒中[主题词主题]或脑血管疾病[主题词主题]或脑梗塞[主题词主题]）。还对已确定的工作中的关键参考文献进行了额外的抽查检查，以进一步加强文献综述的可靠性。仅包括在同行评审期刊上发表的英文文章。然后我们搜索了EMBASE数据库，Cochrane Library和ScienceDirect数据库（图1）。所有涉及NIRS在任何年龄的卒中患者中的研究均被纳入。纳入研究的详细情况见（表1）。总之，我们的文献检索确定了66篇与卒中恢复有关的独立论文，包括运动恢复，运动学习，皮质功能，血流动力学变化，脑血氧，基于近红外光谱脑-机接口和脑卒中患者的其他应用，纳入并进行进一步分析
NIRS评价运动恢复
我们共纳入了14篇关于近红外光谱(NIRS)对399例患者运动恢复的报道，包括上肢功能恢复、下肢功能恢复、平衡控制和运动学习(表1)。在大多数患者中，他们的运动功能因卒中而显着受损，导致偏瘫或四肢瘫痪。在各种任务中，通过NIRS计算氧-Hb，脱氧-Hb和总Hb的浓度，反映了运动皮层的活性。探头通常位于前额部区域，覆盖运动皮层，包括双侧前运动皮层（PMC），辅助运动区（SMA），初级和次级运动区域以及体感区域。
5篇文献报道了上肢运动恢复情况(表1)，其中3篇近红外光谱(NIRS)根据血流信号反映大脑皮层活动。上肢运动恢复与同侧运动皮层代偿有关。Kato等通过与功能磁共振成像(fMRI)比较，评价了6例脑梗死患者和5例正常对照组皮层区域的代偿性运动激活，并证明了在恢复过程中同侧运动皮层代偿或恢复过程中的重组的作用。此外，患者表现出初级感觉运动皮层功能侧向激活的纵向变化，在早期影响手部运动时激活双侧感觉运动皮层，而在后期激活模式恢复正常。局部灌注也可能在运动恢复中发挥重要作用。Hara等研究了不同任务或治疗过程中手臂功能改善与大脑皮层灌注变化的关系，其中肌电控制功能性电刺激（EMG-FES）显着增加脑血流量，并可改善上肢功能。在另一篇论文中，我们将探针放置在前臂屈肌上，以检测23例亚急性或慢性卒中患者在机器人辅助被动手部运动的单次训练中前臂组织灌注的变化。结果表明，由于局部循环的改善，上肢的沉重和僵硬程度降低，因此，这为手动机器人辅助治疗中风偏瘫患者的痉挛、沉重、僵硬和疼痛提供了证据。此外，镜疗法（MT）已经表明，尽管存在个体差异，但它可以显着改善上肢运动功能。
我们发现了6篇描述步态控制和下肢功能恢复的论文(表1)，Miyai等人证明了包括PMC和pre-SMA在内的运动皮质在重度卒中患者步态恢复中的作用。然后他们阐明了步态恢复的更详细的机制。本研究通过测量跑步机上偏瘫步态时的皮质活动，发现内侧初级感觉运动皮层(SMC)激活的步态不对称性改善和受影响半球PMC激活的增强可能在运动恢复中发挥作用。然而，卒中患者和正常人之间的激活可能是不同的。另一项研究进一步研究了患者和对照组皮层激活的差异。结果表明，在加速期，对照组和患者的内侧SMC、SMA和前额叶皮质(PFC)均表现出明显的皮质激活。然而，在稳定阶段，对照组的脑活动减弱，但在患者中持续存在。Lin等人比较了在有速度反馈和无速度反馈的主动循环和动力辅助循环中，脑卒中患者的皮质激活模式。速度反馈可以增强脑卒中患者PMC的激活，改善其循环性能。验证了近红外光谱监测下肢运动恢复的可靠性和可行性。Holtzer等人进行了一项研究，以证实姿势第一假说，即在双重任务行走条件下，老年人优先考虑步态而不是认知任务的表现。他们对一大群非痴呆老年人(包括正常受试者、中枢和外周神经步态异常)在正常步行和边走边谈(WWT)的情况下PFC中的氧Hb水平进行了评估。有趣的是，高氧水平与正常人更好的认知能力有关，而在周围神经系统步态异常(NGA)中，步态速度更快。这一结果表明，NGA的存在可能影响步态和认知功能之间的脑活动分布。
平衡问题是中风的主要后遗症之一。两篇论文侧重于姿势平衡与外部扰动的机制（表1）。Mihara等发现广泛的皮质区域，包括两个半球的前额叶，前运动，辅助运动和顶叶皮层区域，参与卒中后患者的平衡控制。其中，SMA被证明是一个关键区域，未受影响的半球SMA中姿势扰动相关氧合信号的增加与平衡功能的增益显著相关。
运动学习在功能恢复中至关重要，包括运动适应和运动序列学习。运动适应是指补偿外力等环境变化的能力。运动序列学习被定义为顺序运动动作的学习，这对于日常生活活动是必不可少的。运动序列学习受损可能与卒中性共济失调患者的康复收益减少有关。
近红外光谱评价皮层功能恢复
脑皮质功能包括皮质可塑性，功能连接或脑自动调节，这些都可以通过氧合水平反映出来，与脑卒中后的运动和认知恢复直接相关。我们回顾了10篇报道皮层功能恢复的论文(表2)。
两项研究报道，在约束诱导的运动疗法后，任务表现或皮质可塑性有显着改善。 此外，f-NIRS 可以利用小波相干分析脑组织氧Hb浓度来评估前额叶功能连接性。在脑梗塞病例中观察到静息状态连接的频率特异性破坏。f-NIRS还可用于新生儿作为床旁监测工具，以早期发现神经缺陷并提供预后信息。这些证据支持NIRS作为评估功能恢复的有前景的方法。
脑卒中后患者表现出脑自动调节功能(CA)的变化，可通过记录平均动脉血压和脑血流的自主波动来评估。波动的病因尚不清楚，但其在反映CA方面的意义已得到证实。NIRS具有较高的时间分辨率，被认为是一种有前途的工具，在颈动脉疾病和缺血性卒中患者中用于测量波动，确定风险和评估治疗策略。
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