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近红外光谱技术用于运动和运动想象时大脑皮质血氧反应监测的研究

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Chinese Journal ofRehabilitation Medicine,Aug.201 1,Vo1.26,No.8 .临床研究・ 近红外光谱技术用于运动和运动想象时 大脑皮质血氧反应监测的研究每 顾丽燕 姚丽华 尤桂杰’赵娜娜 梁丹丹。 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:选取64名健康大学生,随机分为两组:运动组32名,运动想象组32名。运用近红外光谱技术监测运动组受试 者安静时和运动时大脑皮质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质的血 氧代谢相应变化情况,并将监测结果进行统计学比较和分析。 结果:①运动时,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运动想象时,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。与安静时进行比较,差异均有显著性意义。 结论:运动想象与实际运动同样会提高大脑皮质血氧饱和度,改善相应区域大脑皮质血氧供应。 关键词运动想象;近红外光谱技术;脑卒中 文献标识码:A 文章编号:1001—1242(2011)一08—0724—04 中图分类号:R743.3,R493 Study of near infrared spectroscopy in blood oxygenation of the cerebral cortex during movement and motor imagery/GU Liyan,YAO Lihua,YOU Guijie,et aLl/Chinese Journal of Rehabilitation Medicine, 2011,26(8):724—727 Abstract Objective:To monitor the changes of cerebral blood oxygen reactions during movement and motor imagery with near infrared spectroscopy,to explore the theoretical basis of movement and motor imagery used in rehabilitation of patients with cerebral-vascular accident. Method:Sixty—four healthy college students were randomly divided into two groups:movement group and motor imagery group.Near infrared spectral technology was used to monitor the cerebral cortex cerebral blood oxygen metabolism during quiet and movement or motor imagery in both groups and the monitor resuhs were compared and statistically analysed. Result:(!)During movement oxy—Hb and total—Hb increased significantly,while deoxy-Hb decreased obviously.② During motor imagery oxy—Hb and total—Hb increased,and deoxy-Hb decreased also.Compared to during quiet the monitor results during movement and motor imagery were statistically signiifcant different. Conclusion:Motor imagery and exercises can efficiently cause increasing of blood oxygen saturation of cerebral codex and improve the corresponding regional cerebral blood oxygen supply. Author。S address Capital Institute of Physical Education,Bering,100088 Key word motor imagery;near infrared spectroscopy;strokeDOI:10.3969 ̄.issn.1001-1242.2011.08.007 基金项目:北京市市属市管高校北京市重点实验室开放研究课题 1首都体育学院康复教研室,北京,100088;2北京大学临床肿瘤学院;3安徽巢湖职业技术学院 作者简介:顾丽燕,女,副教授;收稿日期:2010—11-19 724 WWW.rehabi.corn.ca 中I田廊重医学集毒2011年,第26卷,第8期 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。即在暗示语的 指导下,在头脑中反复想象某种运动动作或运动 情境n ,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 。 者闭眼,不思考任何其他事情 。_” 。 监测方法[14-16]如下:①运动组:第lmin测试:安 静、无思考状态;第2rain测试:右上肢运动(受试者 右手从左侧膝部开始匀速向上,同时屈肘、并外展肩 关节至9O。,手至口的位置。重复做此动作lmin,频 率约3O次/arin)。②运动想象组:第lmin测试:安 静、无思考状态;第2rain测试:右上肢想象运动(想 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的方法,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人们的关注 。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,从而达到改善神经功能和神经支配 肌肉功能的作用。 本研究运用近红外光谱技术对64名普通大学 生安静、运动和运动想象时大脑皮质血氧反应变化 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瘫患者康复临床 中的应用提供理论依据。 1对象与方法 1,1研究对象 随机选取普通大学生64名,年龄20—25岁。分 为运动组和运动想象组,每组男、女各16名。人选 标准:均为右利手,身体健康,既往无心脑血管、神 经、精神系统及遗传疾病史 。 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一4000(近红外光谱仪)测试安静时、指定运动时 和指定运动想象时,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量。本系统所 测结果为血红蛋白浓度相对变化量而非血红蛋白绝 对值,故所测值单位为mmol・mm。 1.2.2测试方法。在普通室内进行监测,测试过程 中要求保持环境安静,每次测试只有测试者与受试 者在场。监测之前,对受试者进行半小时的实验任 务训练,训练结束休息5min后开始测试:受试者取 端坐位,尽量放松,保持头部不动,将探头以3—4cm 的间距固定在大脑的额部,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 象动作同运动组动作)。全程连续监测受试者,第 2min开始时以语言引导受试者进行实际动作和想 象动作。 1.3统计学分析 运用SPSS 12.0统计软件,将所测数据进行统 计学分析。计算各组安静时、运动时和运动想象时 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结果 2.1 运动组安静时和运动时大脑额部血氧饱和度 变化的比较 见表l一2。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。安静时和运动时大脑额部 血氧饱和度变化差异有显著性意义(P<0.01),而男 女之间无显著性差异(P>O.05)。 2.2运动想象组安静时和运动想象时大脑额部血 氧饱和度变化的比较 见表3 。运动想象组测试结果显示,安静时 表1男性安静和运动时大脑额部血氧饱和度 变化量的比较 ±s,mmol・mm,n=16) 表2女・眭安静和运动时大脑额部血氧饱和度 变化量的比较 ±s,mmol・mm,n=16) Chinese Journal ofRehabilitation Medicine,Aug.201 l,Vo1.26,No.8 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。运动想象时受试者大脑额部 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。安静时和运动想象时血 氧饱和度变化差异有显著性意义(P<0.05),而男女 之间无显著性差异(P>O.05)。 2.3运动组和运动想象组大脑额部血氧饱和度变 化的比较 见表5。将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 (运动时与安静时的差值)与运动想象组想象动作时 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(运动想象时与安静时的差值)分别进 行比较,无显著性差异fP>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 ±s,mmol-mm,n=16) 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 ±s,mmol・mm,n=16) 表5运动与运动想象时大脑额部血氧饱和度 相对变化量比较x+s,mmo|・mm,n=32) 3讨论 近年来,功能性核磁共振(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等大型医疗设备应用成本高昂的局 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的光谱范围内时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质激活状况的血氧代谢变化 信息。近红外光谱技术是基于氧合血红蛋白 (HBO )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 浓度变化的一种光学方法[17-191。其以快速、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。例如近红外光谱技术已开始运用在神 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… ;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 H 。但是运用近红外光谱技术对脑卒中 偏瘫康复患者进行运动疗法和运动想象疗法的研究 还少有涉及。 本研究采用近红外光谱技术实时监测年轻健康 人群活动时大脑局部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。结果表明:安静 无运动和无运动想象时,大脑处于静息状态,脑组织 维持基本的有氧代谢;在运动及运动想象任务期间, 大脑相应部位处于激活状态使此部位的血氧饱和度 发生明显变化,大脑皮质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,这提示运动及运 动想象激活后,脑局部血流量有所增加,并且运动时 氧利用率增加,为运动疗法以及运动想象疗法应用 于临床康复提供了理论依据。即表明运动想象疗法 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。 参考文献 [1】Porro CA,Francescato MP,Cettolo V,et a1.Primary motor and sensory codex activation during motor performance and motor imagery:a functional magnetic resonance imaging study [J]_j Neurosci,1996,16(23):7688--7698. 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