近红外光谱技术对运动和运动想象时大脑皮层血氧反应的研究

近红外光谱技术对运动和运动想象时大脑皮层血氧反应的研究

顾丽燕，尤桂杰，赵娜娜

GU Liyan，YOU Guijie, ZHAO Nana

摘要 目的：使用近红外光谱技术监测运动和运动想象时大脑血氧反应的变化

以探讨运动和运动想象康复疗法运用于脑卒中偏瘫患者康复治疗和评价的理论依据。 方法：选32名健康大学生，随机分为两组：实际运动组16名，想象运动组16名，运用近红外光谱技术监测运动组受试者安静时和实际运动时大脑皮层的血氧代谢相应变化情况，以及运动想象组受试者安静时和运动想象时大脑皮层的血氧代谢相应变化情况，并将监测结果进行了统计学比较和分析。结果显示：①实际运动动作时，大脑氧合血红蛋白和总血红蛋白明显增加，而还原血红蛋白下降。②想象运动动作时，也呈现大脑氧合血红蛋白和总血红蛋白增加，而还原血红蛋白下降。与安静时进行统计学比较检验均存在显著差异。 结论：运动想象与实际运动同样会提高大脑皮层血氧饱和度，改善相应区域大脑皮层血氧供应，从而达到康复治疗的效果。

关键词: 运动想象；近红外光谱技术；脑卒中

The Study of Near Infrared Spectroscopy in Blood Oxygenation of the Cerebral Cortex during Movement and Motor Imagery

GU Liyan，YOU Guijie, ZHAO Nana

Abstract objective：To explore the theoretical basis of movement and sports imagination which is used to rehabilitation of patients with cerebral-vascular accident with near infrared spectroscopy monitoring the changes of cerebral blood oxygen reaction during the movement and imagine. Methods: 32 healthy college students were randomly divided into two groups: the actual movement group and the sports imagination group. we investigated the actual movement group with near infrared spectral technology during the quiet and practical action of the cerebral cortex cerebral blood oxygen metabolism, and investigated the sports imagination

group with near infrared spectral technology during the quiet and imagine movement of the cerebral cortex cerebral blood oxygen metabolism and the monitoring results were compared and statistical analysis. Result: ① With the actual action began showing Oxy-Hb and Total-Hb significantly increased, while Deoxy-Hb decreased obviously. ② With the movement of the imagination showed signs of Oxy-Hb and Total-Hb increases, and reduction of Deoxy-Hb. The two results are statistically significant differences inspection. Conclusion: Motor imagery and practical exercise can efficiently cause the blood oxygen saturation of cerebral cortex increases. They both can improve the corresponding regional cerebral blood oxygen supply, and achieve the effect of rehabilitation. Key words motor imagery； near infrared spectroscopy；cerebral stroke

运动疗法、作业疗法等是脑卒中偏瘫患者运动功能障碍康复功能训练最常用方法。而近年运动想象对于脑卒中偏瘫患者运动功能的恢复和改善的应用和研究逐渐引起关注。

运动想象是指在内心反复地模拟、排练运动活动，而不伴有明显的身体运动。常用具体操作方法为在暗示语的指导下，在头脑中反复想象某种运动动作或运动情境，从而提高运动技能和情绪控制能力。是一种心理技能训练方法[1-3]，目前是教练员、运动员和运动心理学工作者常用的辅助运动训练的方法。运动想象没有任何运动输出，根据运动记忆在大脑中激活某一活动的特定区域，从而达到提高运动功能的目的，其与身体锻炼和运动训练相结合，可促进运动学习和改善运动能力。

研究证明，运动想象能激活大脑正常运动信号，再将运动信号经效应器传达到肌肉。这种刺激经过反复训练形成相应的条件反射，从而达到改善神经机能和神经支配肌肉的机能的作用。基于此项研究结果，运动想象康复疗法孕育而生。对运动想象康复疗法效果的研究证明，运动想象疗法可以使脑卒中偏瘫恢复期患者有意识的主动参与康复训练，使其更加积极主动的配合训练，从而显著提高患

[4]

者运动功能[5-8]。所以运动想象疗法对偏瘫患者而言有实际的意义，患者可以通过想象运动加强运动功能的恢复，以期得到和增强真实运动动作康复的效果。

近年来, 机能性核磁共振 (fMRI)和正电子发射计算机断层扫描 (PET)等技术的发展及应用，为研究运动想象康复疗法的生理机制提供了可能。但是由于fMRI和PET等大型医疗设备的局限性，使运动想象康复疗法生理机制的研究很难开展，对运动想象康复疗法的疗效很难进行定性定量分析。

近红外光谱技术是利用近红外光在700~900nm的光谱范围内，生物组织具有高散射、低吸收的特性，可以穿过头皮和颅骨深入脑组织，并由漫射光携带出反映大脑皮层激活状况的血氧代谢变化信息。基于氧合血红蛋白（HbO2）和还原血红蛋白（Hb）对多个波长的近红外光的不同吸收，测量氧合血红蛋白和还原血红蛋白的浓度变化的光学方法 [9-11]。

近红外光谱技术以其快速、非介入和无创等独特的优点，在大脑功能活动的检测领域表现出了巨大潜能，成为生物医学领域中很有潜力的分析方法。如：近红外光谱技术已开始运用于在神经元活动，包括认知活动期间脑部血氧反应和血流动力学变化的评价[12-13]；近红外成像技术应用于脑血流量和脑功能的研究；近红外脑功能成像已应用于脑损伤及康复、癫痫疾病以及大脑语言优势的研究等

[15]

。但是运用近红外光谱技术对脑卒中偏瘫康复病人进行运动疗法和想象运动疗

法的研究还少有涉及。

本研究运用近红外光谱技术对32名普通大学生安静、实际运动和想象运动时大脑皮层血氧反应变化进行测试，并将这些数据进行统计学分析，以期为运动疗法和运动想象疗法在脑卒中偏袒患者康复临床中的应用提供新的理论依据。 1 研究对象与方法 1.1 研究对象

随机选取普通大学生32例，年龄20-25岁。分为实际运动组和想象运动组，每组男、女各8例。

入选标准：均为右利手，身体健康，既往无心脑血管系统、神经、精神系统及遗传疾病史[16-18]。 1.2 测试内容与方法 1.2.1 测试内容

采用脑功能定量成像装置ETG-4000（近红外光谱仪）测试安静时、指定运动时和指定想象运动时，大脑额部还原血红蛋白、氧合血红蛋白和总血红蛋白浓度的相对变化值。 1.2.2 测试方法

采用脑功能定量成像装置ETG-4000（近红外光谱仪）进行监测，将探头以3-4cm的间距固定在大脑的额部，受试者取端坐位，清醒状，尽量放松，并保持头部不动，在进行正式监测之前，对受试者进行半个小时的实验任务训练。训练结束休息5min后，调试探头，待通道全部显示信号接通后开始正式测试。整个测试过程中受试者闭眼，并确保不思考任何其他事情[6-8]。 测试方法如下： 实际运动组：

第1min测试：安静、无思考状态；

第2min测试：右上肢运动（右手置于对侧膝部，受试者做屈肘肩关节外展至90°动作，将手匀速上移至口部，频率为30次/min，持续做1min）； 运动想象组：

第1min测试：安静、无思考状态；

第2min测试：右上肢想象运动（想象动作同实际运动组动作）；

全程连续监测受试者，测试时，均在第2min开始时语言引导受试者进行运动数据处理动作和想象运动动作。 1.3 数据分析

运用SPSS10.0统计软件，将所测数据进行统计学分析。 2 结果与分析

采用脑功能定量成像装置ETG-4000（近红外光谱仪）采集大脑额部还原血红蛋白、氧合血红蛋白和总血红蛋白浓度的相对变化量值。计算出各组安静时、实际运动时和想象运动时还原血红蛋白、氧合血红蛋白和总血红蛋白浓度变化的平均值，并以此为指标进行方差分析。

2.1 实际运动组安静时和运动时大脑额部血氧饱和度变化的比较

实际运动组的测试结果显示，安静时受试者大脑额部氧合血红蛋白、总血红蛋白和还原血红蛋白无显著变化。主动运动时受试者大脑额部氧合血红蛋白和总

血红蛋白变化值逐渐上升，还原血红蛋白变化值逐渐下降。而将安静时和实际运动时大脑额部血氧饱和度变化进行统计分析显示，二者存在显著差异（P<0.01），而男女之间无显著差异（P>0.05）。

表1 男性安静和实际运动时大脑额部血氧饱和度变化量的比较（x±s）（n=8）

安静时

还原血红蛋白 氧合血红蛋白 总血红蛋白

-0.06265±0.027526 0.19585±0.046680 0.133198±0.073761

实际运动时

-0.15633±0.015803 0.381754±0.069744 0.229329±0.063649

注：安静时和实际动作时比较P<0.01

表2 女性安静和实际动作时大脑额部血氧饱和度变化量的比较（x±s）（n=8）

安静时

还原血红蛋白 氧合血红蛋白 总血红蛋白

0.045681±0.0100425 0.111631±0.0200659 -0.00126±0.0011373

实际运动时

0.036063±0.0090517 0.20989±0.0331633 0.039688±0.0085228

注：安静时和实际动作时比较P<0.01； 男女之间的比较无显著性差异P>0.05。

2.2 想象运动组安静时和想象运动时大脑额部血氧饱和度变化的比较

想象运动组测试结果显示，安静时受试者大脑额部氧合血红蛋白、总血红蛋白和还原血红蛋白无显著变化。想象运动时受试者大脑额部氧合血红蛋白和总血红蛋白的值逐渐上升，还原血红蛋白浓度变化逐渐下降。而将安静时和想象运动时血氧饱和度变化进行统计分析显示，二者存在显著差异（P<0.05），而男女之间无显著差异（P>0.05）。

表3 男性安静和运动想象时大脑额部血氧饱和度变化量的比较（x±s）（n=8）

还原血红蛋白 氧合血红蛋白 总血红蛋白

安静时

-0.04184±0.0025328 0.044688±0.0165927 0.054717±0.039674

想象运动时

-0.10561±0.071659 0.197831±0.090169 0.171221±0.0177565

注：安静时和想象动作时比较P<0.05

表4 女性安静和运动想象时大脑额部血氧饱和度变化量的比较（x±s）（n=8）

还原血红蛋白 氧合血红蛋白 总血红蛋白

安静时

-0.05123±0.0104197 -0.00114±0.00109113 -0.10803±0.0684818

想象运动时

-0.14091±0.006388 0.042101±0.0133864 -0.036±0.025109

注：安静时和想象运动时比较P<0.05； 男女之间的比较无显著性差异P>0.05。

2.3 实际运动组和想象运动组大脑额部血氧饱和度变化的比较

将实际运动组受试者运动时的大脑额部还原血红蛋白、氧合血红蛋白和总血红蛋白变化差值（实际动作时与安静时的差值）与想象运动组想象动作时大脑额部还原血红蛋白、氧合血红蛋白和总血红蛋白的变化差值（想象运动时与安静时的差值）进行比较，结果无显著差异 (P>0.05)。

表5 运动与想象运动时大脑额部血氧饱和度相对变化量比较（x±s）（n=32）

还原血红蛋白 氧合血红蛋白 总血红蛋白

安静时

-0.04513±0.00175 0.041202±0.03421 0.05434±0.00137

想象运动时

-0.067531±0.00253 0.032189±0.00284 0.092476±0.01952

注 实际运动组和想象运动组比较无显著性差异P>0.05。 3. 讨论

3.1 本研究结果显示，安静无运动和无想象运动时，大脑额部血氧饱和度无明显变化。提示，安静无运动和无想象运动时，大脑处于静息状态，脑组织维持基本的有氧代谢。

3.2 实际运动测试结果显示，运动时大脑相应部位处于激活状态，造成局部脑激活区的静脉血管中氧浓度升高，氧合血红蛋白含量增加，还原血红蛋白含量相对减小。理论上证明了运动疗法对脑卒中康复病人康复治疗的作用和效果。 3.3 想象运动测试结果显示，想象运动同样可以激活大脑相应部位，使此部位的血氧饱和度发生明显变化，大脑皮层氧合血红蛋白及总血红蛋白升高、而还原血红蛋白相对下降。这一结论为运动想象疗法应用于临床康复提供了理论依据。 3.4 实际运动组和想象运动组大脑额部还原血红蛋白、氧合血红蛋白和总血红蛋白浓度变化的比较显示，两者之间没有显著差异，这也提示，运动想象疗法可以作为运动作业疗法的补充，应用于临床康复治疗。但是两种康复疗法作用的比较，还需要更多的针对运动疗法与运动想象疗法的研究予以补充论证。

3.5 近红外光谱技术可实时监测大脑活动时局部脑血氧反应和血流动力学改变，客观评价脑组织的血氧代谢情况。其应用于脑卒中偏瘫患者的康复监测具有一定的科研和临床应用的意义和推广发展前景。

3.6 本研究属于近红外光谱技术在脑卒中患者康复中应用的初级阶段，选取受试者为年轻健康人群，对脑卒中高危人群和脑卒中患者进行进一步研究，将会对运动想象疗法运用于脑卒中患者的临床康复提供更充足的理论依据。 参考文献：

[1] Porro CA,Francescato MP，Cettolo V,et a1．Primary motor and sensory cortex activation during motor performance and motor imagery：a functional magnetic resonance imaging study[J]．J Neurosci，1996，16(23)：7688—7698．

[2] 李继刚，田宝．运动想象的理论模式生理机制与应用研究[J]．武汉体育学院学报，2005，39(5)：64—67．

[3] Annett J．The learning of motor skills：sports science and ergonomics perspectives[J]．Ergonomics，1994，37：5—16．

[4] Decety, Greezes J. Neural mechanisms sub-serving the perception of human action. Trends Cogn Sci, 1999, 3:172-178.

[5] 刘惠宁，朱丽芳,谢冬玲,李劲. 运动想象偏瘫患者结合运动再学习疗法对脑梗死上肢功能恢复的影响[J]中华物理医学与康复杂志.2006，28(8):528-530. [6] 尹明慧,李波,孟长军,张景真.足部运动想像改善脑卒中偏瘫下肢运动功能的临床研究[J]中国康复理论与实践.2009，15（7）：660-661.

[7] 柯金河, 杨冰霞.想象行走训练对脑血管意外偏瘫患者下肢功能恢复的影响[J]护理实践与研究.2009, 6(19):8-10.

[8] 王艳,唐强,白震民,徐桂强,李娟.头穴丛刺、被动运动结合运动想象治疗早期脑卒中偏瘫患者的临床疗效观察[J]中华物理医学与康复杂志.2007，29（9）：635-637.

[9]Kleinschmidt A,Obrig H,Requardt M,et al.Simultaneous record-ing of cerebral blood oxygenation change during human brain activation by magnetic resonance inmaging and near-infraed spectroscopy[J].J Cereb Blood Flow Metab,1996,16:817-826.

[10]Isobe K. , Kusaka T. , Nagano K. , et al.. Functional imaging of the brain in sedated newborn infants using near infrared topography during passive knee movement. Neuroscience Letters, 2001, 299: 221-224 [11]Tamura M. , Hoshi Y. , and Okada F.. Localized near-infrared spectroscopy and functional optical imaging of brain activity. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 1997, 352(1354): 737-742

[12]谢欲晓，沈抒， 孙启良等.中风后非流畅型失语症患者语言激活时左前额皮层血氧反应及血流动力学变化NIRS的研究[J] .中国康复医学杂志,2004,19(1) :6-10.

[13]李成军.近红外光谱技术用于前额叶皮层工作记忆作用的研究[J],2005. [14]Sakatani K,Xie Y,Lichty W,et al.Languange-activated cerebral blood

oxygenation and hemodynamic changes of the left preprontal cortex in poststroke aphasic patients A Near-infared spectroscopy study[J].stroke,1998.

[15]Watanabe E,Yamashita Y,Maki A,et al.Non-invasive functional mapping with multi-channel near infra-red spectroscopic topography in humans [J].Nerouscience Letter,1998,256,49-52.

[16]Gerardin E ,Sirigu A ,Lehericy S ,et al . Partially overlapping neural networks for real and imagined hand movements [J]. Cerebral Cor2tex , 2000 ,10 : 1093 - 1104.

[17] Hanakawa T , Immisch I , Toma K, et al . Functional properties of brain areas associated with motor execution and imagery[J] . J Neurophysiol , 2003 , 89 : 989 - 1002.

[18] Naito E , Kochiyama T , Kitada R , et al . Internally stimulated movement sensations during motor imagery activate cortical motor areas and the cerebellum[J] . J Neurosci , 2002 , 22 (9) :3683 - 3691.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/zkd6.html