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方法文章

利用功能性近红外光谱测量脑血管反应性

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DOI：

10.3791/61284

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2022年6月2日

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1National Intrepid Center of Excellence, Walter Reed National Military Medical Center, 2Uniformed Services University of the Health Sciences, 3The Eunice Kennedy Shriver National Institute of Child Health and Human Development, National Institutes of Health, 4University of Pennsylvania Perelman School of Medicine

本文内容

摘要

本文介绍了一种利用功能性近红外光谱技术（fNIRS）对人体脑血管反应性进行成像与测量的实验方案。fNIRS 是一种新兴的成像方法，可在特定刺激条件下检测大脑最外层皮层中血红蛋白成分浓度的变化。

摘要

脑血管反应性（CVR）是指脑内血管在化学或物理刺激下通过扩张或收缩来调节脑血流量的能力。脑微血管系统的反应程度取决于容量血管的完整性，主要由内皮细胞功能决定。因此，CVR 是反映脑微血管生理状态和整体健康状况的重要指标。目前已有可用于测量 CVR 的成像方法，但这些方法往往成本较高，且需要磁共振成像中心和技术专长。在本研究中，我们采用功能性近红外光谱（fNIRS）技术监测脑微血管系统中氧合血红蛋白（HbO）和脱氧血红蛋白（HbR）的变化，以评估15名健康对照者（HC）在血管活性刺激（吸入5%二氧化碳或CO2）下的CVR。研究结果表明，该技术是一种有前景的成像手段，可提供一种无创、准确、便携且经济有效的方法，用于绘制皮层CVR图谱及相关微血管功能，适用于创伤性脑损伤或其他与脑微血管病变相关的疾病研究。

引言

通过脑血管在不同生理条件下收缩或舒张的能力，可以评估大脑皮层的血管健康状况。测量脑血管反应性（CVR）有助于诊断和管理与脑微血管功能障碍相关的神经系统疾病，例如痴呆、创伤性脑损伤（TBI）以及衰老过程1,2,3,4。此外，CVR还可作为阿尔茨海默病5或TBI6,7,8,9,10等神经系统疾病的预测性指标和/或药效动力学生物标志物。目前已有成熟的成像方法用于研究人类和动物模型中的CVR。常用方法包括将功能磁共振成像（fMRI）与外源性或内源性刺激（如高碳酸血症11、屏气或乙酰唑胺2）相结合。Lu等12,13研究表明，将一个简单的气体输送系统与磁共振血氧水平依赖成像（MRI-BOLD）结合，可生成精确的全脑CVR图谱。

脑血管血流、血容量及氧代谢率的改变会引起组织中氧合血红蛋白（HbO）和脱氧血红蛋白（HbR）浓度的变化。在近红外波段，组织对光的吸收程度对血红蛋白组分（如HbO和HbR）浓度的变化具有敏感性。因此，通过测量随时间变化的背向散射光，可定量分析大脑皮层最外层（约2 cm深度）内HbO与HbR浓度的动态变化。15，可用于评估时间上的血流动力学变化16 包括脑血管反应性（CVR）17.

在我们的研究范式中，我们采用具有连续波功能的 fNIRS 仪器。该设备由 4 个光源和 10 个探测器组成，可形成 16 对光源-探测器组合（见图 1）。光源-探测器组合被集成固定在一条硅胶带内，可轻松覆盖前额，并用自粘式绷带固定。该设备在 730 nm 和 850 nm 波长下测量光强度，数据采集频率为 2 Hz。选择该系统的原因在于其对受试者友好、佩戴方便，并能采集前额叶皮层的数据——该脑区特别容易受到创伤性脑损伤（TBI）的影响。幸运的是，大多数其他 fNIRS 系统均可与我们的脑血管反应性（CVR）数据采集技术兼容，仅在根据感兴趣脑区而测量的皮层区域上有所不同。

尽管fMRI被认为是功能脑成像的金标准，但与fMRI相比，fNIRS技术在评估脑血管反应性（CVR）方面具有独特优势。fNIRS成像技术具有高时间分辨率（可达到毫秒级精度），能够定量检测HbO和HbR浓度的变化，而fMRI仅能测量HbR浓度的变化18,19,20。此外，fNIRS设备具有便携性、经济性，且操作比fMRI更简便。最后，fNIRS技术对受试者运动的容忍度更高，这一点尤为重要，因为高碳酸血症等血管刺激常需与认知或体能任务联合使用21。

本文介绍了一种结合高碳酸血症刺激与功能性近红外光谱技术（fNIRS）的检测方法。我们测量了脑血管反应性（CVR）值，并研究了该方法的可重复性，旨在为功能性磁共振成像（fMRI）的CVR测量提供一种可靠的替代方案。

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方案

受试者的招募是在机构审查委员会批准的方案下进行的（ClinicalTrials.gov NCT01789164）。本方案中所述设备已通过本机构的伦理审批。

1. 准备高碳酸血症挑战实验所用材料（图2）

  1. 使用预混合的医用级气体罐（成分包含5%二氧化碳、21%氧气和74%氮气）将一个200 L的道格拉斯袋（Item #1）完全充气至充满状态。
  2. 将两个隔膜（Item #3）插入双向无重复呼吸阀（Item #4）中，以确保气体仅单向流动。通过气体输送管（Item #5）将三通阀（Item #2）的一个端口连接至道格拉斯袋（Item #1），另一个端口通过第二根气体输送管（Item #5）连接至双向无重复呼吸阀（Item #4）。
  3. 将咬口器（Item #6）固定在连接器（Item #7）上，然后将该连接器固定到双向无重复呼吸阀（Item #4）上。
  4. 将二氧化碳监测管（Item #8）插入连接器（Item #7）的孔中。
  5. 将空气过滤器（Item #9）连接到二氧化碳监测管（Item #8）上。
  6. 将塑料空气过滤器（Item #9）未连接二氧化碳监测管（Item #8）的一端拧入CO2（Item #10）监测仪中。
  7. 使用数据线将二氧化碳监测仪（Item #10）连接至笔记本电脑。打开数据端口读取软件，选择相应的USB端口并开始数据采集。开启二氧化碳监测仪，数据将自动显示在计算机屏幕上。
  8. 使用USB线缆将功能性近红外光谱仪（fNIRS）主机箱连接至计算机。将光源-探测器头带连接至fNIRS主机箱。将电源适配器连接至fNIRS主机箱并打开电源开关。

2. 实验过程中的操作步骤

  1. 让受试者坐在椅子上，在准备设备的同时调整至舒适状态。打开 fNIRS 系统。
  2. 将光源-探测器头带放置于受试者前额，覆盖下方的前额叶皮层区域（背侧和腹侧额叶皮层区域）21。
  3. 检查光源-探测器头带是否准确地位于眉毛上方且居于前额中央。将下方的探测器排置于鼻根或鼻梁上方约 3.5 cm 处，即上鼻部凹陷与两眼之间前额相接的位置。
  4. 确保探测器牢固贴合于受试者皮肤，无色素物质（如化妆品）或毛发干扰。无需进行皮肤准备。
  5. 在“设备设置”中，将探测器增益设置为 1 至 20 之间。较高的增益将提高光探测器的灵敏度，默认值为 20。将“LED 电流”设置在 5 mA 至 20 mA 之间。较大的数值将产生更亮的光，从而提高探测器生成的信号水平，默认值为 20 mA。
  6. 在采集软件中点击“开始当前实验”。光源将发射两种波长的光，各探测器检测到的光信号强度将实时显示。若出现信号饱和（信号>4,000）或信号过低（信号 <1,000），请调整光源-探测器头带与皮肤之间的接触，或调整步骤 2.3 和 2.4 中的参数。完整的详细操作流程已在 Ayaz 等人22的研究中说明。
  7. 指导受试者通过口腔以正常呼吸频率进行吸气和呼气。将鼻夹固定在受试者鼻部，并提醒其继续通过口腔正常呼吸，若感到任何不适或呼吸困难，应立即告知实验人员。
  8. 小心地将口器（货号#6）插入受试者口中，使其能够持续呼吸。为提高受试者在实验过程中的舒适度，可让其用手扶住非重复呼吸阀（货号#3）。
  9. 在配套软件中按下“基线”按钮。系统将测量并自动记录 20 秒（s）的 fNIRS 基线光信号。
  10. 在开始实验前，点击“记录”按钮。
  11. 实验开始时，启动计时器，按下“手动标记”按钮，并在纸上记录呼气末二氧化碳监测仪（capnograph）显示的时间。每分钟转动一次连接气体管路的阀门，交替通入室内空气和含 5% CO2 的混合气体。每次更换吸入气体混合物时，再次按下“手动标记”按钮，并在纸上记录 capnograph 显示的时间（图 3）。
    注意：手动记录 capnograph 显示的时间对于后续 fNIRS 光学信号与 capnograph 的 EtCO2 曲线之间的同步至关重要。
  12. 7 分钟后，点击“停止”按钮结束 fNIRS 记录。继续额外记录 60 秒，以获取呼气末 CO2（EtCO2）数据，并在数据读取软件中将 EtCO2 数据保存为 ASCII 格式。
  13. 通知受试者实验程序已完成。小心取下鼻夹并撤出口器。提供纸巾给受试者，用于擦拭实验过程中积聚的唾液。

3. 清理步骤

  1. 丢弃呼吸末二氧化碳测量管路（Item #8）、过滤器（Item #9）、口器（Item #6）和鼻夹。
  2. 清洁可重复使用的设备。将双向阀（Item #4）从气体输送管（Item #5）和连接管（Item #7）上拆下，并取出隔膜（Item #3）。将隔膜（Item #3）、连接管和双向阀（Item #4）浸入盛有医用级无磷清洁消毒剂的容器中，该消毒剂应含有表面活性剂，浸泡时间为20分钟。用蒸馏水以1:64的比例稀释清洁剂。
  3. 用蒸馏水清洗物品#1、#4、#7，然后将其放置在干净的操作台面上，台面下方铺有无菌材料（如chux垫）。待其自然风干后方可再次使用。
  4. 清空道格拉斯袋。

4. 数据分析

  1. 使用 fNIRS 数据处理软件进行信号处理
    注意：信号处理是数据分析的第一步。需使用 fNIRS 数据处理软件（例如 fNIRSoft）进行，以去除由于受试者运动引起的数据中的噪声或伪迹。此分析仅需来自采集软件的数据。
    1. 在数据处理软件中，点击“加载文件”以选择并上传采集到的 fNIRS 数据。
    2. 点击“优化”，将弹出一个窗口。选择“原始数据”，然后点击“下一步”。
      1. 同时启用中值滤波和滑动窗运动伪迹剔除（SMAR）23 工具，以识别并删除原始信号中的运动伪迹和饱和通道。点击“应用”。
      2. 点击“低通频率”滤波器，以去除脉搏和呼吸成分（汉宁滤波器，n=20，截止频率=0.1 Hz）21,24,25,26。点击“应用”。
      3. 点击“去趋势”以消除缓慢的时间变化。点击“应用”。
    3. 点击“OXI”将光强信号转换为 HbO 和 HbR 浓度。点击“保存”，然后选择 MATLAB 作为保存文件格式。
  2. 使用 MATLAB 进行信号处理
    注意：分析的第二部分使用 MATLAB 完成，目的是将 fNIRS 信号与时间偏移后的 EtCO2 进行相关性分析。处理数据需要上一步（4.1.5）的数据以及来自微流红外二氧化碳监测仪（capnograph）的 EtCO2 曲线数据（步骤 2.12）。
    1. 在 MATLAB 中以两列形式导入微流红外二氧化碳监测仪的 EtCO2 曲线（一列为时间，另一列为 EtCO2 数值）。使用预校准的时间对 EtCO2 时间进行偏移，以校正采样管路造成的时间延迟。
      注意：这是从一次呼吸进入咬嘴到该次呼吸出现在 CO2 记录上的时间差。在此实验设置中，该延迟为 15 秒。
    2. 以实验开始时微流红外二氧化碳监测仪记录的第一个时间点（步骤 2.11）作为起始点（t=0）。将 EtCO2 数据转换为以秒为单位。
    3. 将步骤 4.1.3 中得到的氧合与脱氧血红蛋白数据导入 MATLAB。
    4. 通过在不同时间偏移下计算 EtCO2（在口腔处测量）与 fNIRS 信号（在大脑中测量）之间的相关系数，找出最大相关系数，从而确定两者之间的生理延迟。（参见随附的 MATLAB 脚本，步骤 4.2.3 至 4.2.6）。具有最高相关系数的时间偏移即为最优时间。
    5. 将 EtCO2 的时间序列按最优时间（步骤 4.2.4 获得）进行偏移。保留同时具有 fNIRS 和 EtCO2 数据的时间点。两个时间序列应具有相同的长度。
    6. 计算每个通道的脑血管反应性（CVR）值，即利用 MATLAB 中的 Cholesky 分解法求解 HbO（或 HbR）与 EtCO2 之间线性方程的解。

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结果

采用高碳酸血症刺激对15名健康参与者进行了功能性近红外光谱（fNIRS）检测。排除标准包括创伤性脑损伤（TBI）病史、已存在的致残性神经或精神系统疾病，以及妊娠。参与者的平均年龄为37.7 ± 16岁（范围20–55岁），其中女性占20%。如一项类似的fMRI研究所示28，吸入5% CO 60秒2 伴随着呼气末二氧化碳（EtCO₂）的升高2 通过二氧化碳图法测量的压力。在本研究中，呼气末二氧化碳（EtCO₂）2 伴随有 HbO 的增加和 HbR 的减少（图4).

从生理学角度来看，氧合血红蛋白（HbO）与脱氧血红蛋白（HbR）的相位不同14。在代表一位受试者fNIRS信号的图4中，我们观察到HbR信号比HbO信号提前3.5秒（可通过每种信号的时间偏移进行精确测量）。在所有受试者的平均结果中，HbO信号在H...

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讨论

我们能够使用fNIRS和CO₂刺激来测量脑血管反应性（CVR）。2 在15名健康志愿者中采用气体吸入技术。所测得的CVR值为获取的fNIRS信号与EtCO₂之间的相关性。2。挑战在于精确对齐时间上的 EtCO₂2 利用fNIRS信号进行追踪，即考虑血液从肺血管系统流动至心脏，再到达脑血管所需的时间。通道间的变异性较低（30%），在皮层中表现出一致的CVR值，与先前的fMRI结果相一致。12我们的数据显示，在健康对照组（HC）中，氧合信号的CVR个体间变异性最低，而使用HbO或HbR时则显著增加。在今后涉及健康对照组的组间差异研究中，我们推荐使用变异性最小的CVR值，即来自氧合信号的CVR值。

该技术的关键步骤与任何功能性近红外光谱（fNIRS）实验相同：将光源和光探测器放置在头部。连接松动可能导致实验过程中传感器移位，并在信号中产生伪迹。过多的伪迹会污染信号，干扰数据分析。

CVR 最常见于 通过两种不同...

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披露

作者声明无利益冲突。

致谢

作者实验室的工作得到了贝塞斯达的健康科学统一服务大学（USUHS）神经科学与再生医学中心（CNRM）、健康科学统一服务大学神经病学系军事临床神经科学卓越中心（MCNCoE）以及美国国立卫生研究院院内研究计划的资助。本文所表达的观点仅为作者个人观点，不代表美国陆军/海军/空军部门、国防部或美国政府的官方政策。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
蓝色袖带22254Vacumed
二氧化碳-空气混合气体（规格：200）R012000 2003Roberts Oxygen
隔膜（尺寸：中号，类型：螺旋型）602021-2608Hans Rudolph
道格拉斯气袋（容量：200升）500942Harvard Apparatus
气体输送管1011-108Vacumed
气体采样管T4305QoSINA
疏水性过滤器9906-00Philips Medical Systems
公鲁尔接头11547QoSINA
口件（硅胶材质，型号 #9061）602076Hans Rudolph
鼻夹（泡沫塑料材质，型号 #9014）201413Hans Rudolph
三通阀（100% 塑料）CR1207Hans Rudolph
二通非呼吸阀（内径：22 mm / 15 mm）CR1480Hans Rudolph

参考文献

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