基于NIRS的缺血性腦卒中LFOs特征及機理研究

馬云菲，于莉娜，丁 鵬，張 冰，李英偉

(燕山大學 信息科學與工程學院，河北 秦皇島 066004)

0 引言

缺血性卒中是指由于大腦的供血動脈(頸動脈和椎動脈)狹窄或閉塞、腦供血不足導致的腦組織壞死的總稱，可以采用急診再灌注治療恢復灌注[1]。因此，迫切需要有效的灌注生物標志物來識別最有可能受益于再灌注治療的患者。

低頻振蕩信號(Low-frequency oscillations,LFOs)為血液動力學參數的自發、緩慢變化，可在近紅外光譜和功能性磁共振成像研究中觀察到[2]，通常被解釋為神經元活動的指示性變化[3-7]。然而，這些LFOs信號中有一部分是非神經元的，為了將它們與神經LFOs信號區分開來，我們將這些生理波動(～0.1 Hz)稱為周身LFOs信號(Systemic low-frequency oscillations,sLFOs)。它們可以作為一種血管灌注標記物用于檢測和監測循環功能障礙[8]。在健康受試者的研究中表明[9]，對稱外周位置的sLFOs信號具有高度相關性，延遲接近于零，而非對稱位置的sLFOs信號的相關系數低，時間延遲可達數秒。這表明sLFOs信號在健康人體內的傳播具有對稱性，其結果支持了sLFOs信號起源于心肺系統，并隨血液傳播到周身的假設。并且結果顯示總是在健康人的耳垂首先檢測到sLFOs信號，其次是手指，最后是腳趾[9]。這些研究結果為sLFOs信號應用于腦卒中的研究奠定了基礎。

目前已經有研究使用NIRS識別缺血性腦卒中患者。Reinhard等人[10]使用NIRS測量單側嚴重阻塞性頸動脈疾病患者，通過監測呼吸誘導的血流動力學參數(0.1Hz)發現其相位特征不同于健康人，其結果表明患者低頻振蕩信號相位的明顯變化反映了自身調節紊亂。Hennerici等人[11]使用經顱多普勒超聲測量大腦頸內動脈狹窄或閉塞患者的腦血流速度的自發振蕩低于正常人。Messoud等人的研究[12]使用NIRS測量頸動脈閉塞疾病、腦灌注不足的患者和健康對照組，發現患者低頻振蕩信號的振幅低且相位偏移，其結果表明大腦皮質血管自發低頻振蕩是評估頸動脈疾病和腦卒中風險的有用工具。sLFOs信號可以作為血流“標簽”，記錄血液在傳輸過程中的變化。缺血性腦卒中患者可能存在多支血管栓塞，檢測患者外周左右耳垂、食指和食趾的多個測量點sLFOs信號有利于系統研究。而且相比腦功能研究，人體外周位置沒有頭骨、毛發等多層散射介質，具有更加簡單的組織結構，有利于光信號的穿透，具有更好的信噪比。

在之前的研究中[9]，sLFOs信號被認為起源于心臟/肺系統，并隨著血液流動到周身位置，健康受試者體內的sLFOs信號呈現對稱性傳播。然而，缺血性卒中患者體內的sLFOs信號傳播并不一定具備這種特點。腦卒中患者的血栓很可能擾動了sLFOs信號在人體內的傳播規律，破壞了sLFOs信號在人體內的對稱性傳播。模糊聚類分析是一種無監督的聚類技術，已經有效地應用在大規模數據分析、數據挖掘、矢量量化、圖像分割、模式識別等領域，然而模糊聚類很少被用于對健康人群和缺血性腦卒中患者的分類。本文采用模糊C均值聚類算法(FCM)對缺血性腦卒中患者與健康受試者sLFOs信號進行模糊聚類分析，并根據相關性系數以及時間延遲特征將受試者分為腦卒中患者和健康人。本研究的主要目的是探究sLFOs信號在缺血性腦卒中患者體內的傳播特性，這些研究結果可用于評估腦卒中患者周身血管的完整性，證實sLFOs可以作為一種血管灌注標記物用于區分缺血性腦卒中患者和健康人，以及評估腦卒中患者的生理狀態。

1 儀器與協議

為了能夠同時采集缺血性腦卒中患者外周多個位置的sLFOs信號，本研究采用團隊自主研發的多通道血氧監測儀進行實驗。該儀器集血氧檢測功能與特制的醫用血氧探頭于一體，能夠精確地提取缺血性腦卒中患者外周多個位置的sLFOs信號。設備的原采樣頻率為512 Hz，經過下15倍采樣確定最終采樣頻率為31.25 Hz。如圖1(a)所示，本次研究招募缺血性腦卒中患者27例(年齡:44～90歲;男:20名;女:7名)。實驗獲得火箭軍特色醫學中心倫理委員會的批準，并且所有的缺血性腦卒中受試者在實驗之前均簽署了詳細的知情同意書。

在實驗之前，我們收集了所有缺血性腦卒中患者現有的既往病史以及醫學影像，以便在后期對患者體內sLFOs信號的形成機理進行更加準確的分析和判斷。由于缺血性腦卒中患者自身條件的限制，我們僅進行了靜息狀態實驗。實驗在一個光線昏暗的室內環境進行,室內溫度25 ℃、相對濕度30%～40%、氣壓100 kPa。信號采集之前讓受試者平躺于床上保持平靜狀態5 min，以減少測試前由于走動增加的心跳以及呼吸頻率。待患者呼吸與心跳速率恢復到正常速率后，將醫用血氧探頭固定在受試者的左耳垂(LE)、右耳垂(RE)、左食指(LF)、右食指(RF)、左食趾(LT)、右食趾(RT)位置，采集受試者外周6個位置的sLFOs信號，實驗時間持續600 s。

設備采集到的信號為穿過人體后的光強度變化信號，本研究采用朗伯-比爾定律將光信號轉化為含氧血紅蛋白濃度(CHbO)和無氧血紅蛋白濃度(CHb)變化信號，計算公式可以表示為

(1)

式中，ε是摩爾消光系數，單位為M-1cm-1。λ1DPF和λ2DPF分別為在波長λ1和波長λ2下的差分路徑因子。ΔOD為光強度的變化。提取ΔCHbO和ΔCHb信號后，通過巴特沃斯帶通濾波器提取出頻段范圍在0.01～0.15 Hz的sLFOs信號。但是在數據采集的過程中，由于腦卒中患者神經損傷導致在數據采集的過程中出現不受控制的行為產生動作噪聲，這種動作噪聲主要分為兩種，第一種為不受控制的震顫噪聲，廣泛存在于多個通道中(例如：四肢不受控制的抖動)；第二種為“異常峰值”噪聲，少量存在于單個通道中(例如：患者突然擺頭)。為了能夠降低動作噪聲對相關性分析造成的影響，本研究采用基于峰度值的小波分解算法以及三次樣條插值算法分別濾除信號中的震顫噪聲以及“異常峰值”噪聲，得到更加純凈的sLFOs信號。NIRS信號產生的小波系數往往具有亞高斯(峰度<3)或高斯(峰度=3)的特征(反映沒有離群值)。相比之下，噪聲數據往往具有超高斯(峰度>3)特性(反映離群值的存在)。因此將分解的峰度值設置為3.3，數據允許的最小分解等級為3，最大的分解等級為10。為了進一步提升信號集的容錯率，本研究首先將每位患者的600 s數據通過移動窗分成間隔為30 s的11段300 s數據：0～300 s,30～330 s,60～360 s,90～390 s,120～420 s,150～450 s,180～480 s,210～510 s,240～540 s,270～570 s,300～600 s。其次，將所有腦卒中患者不同位置的11段300 s數據組成一個新的數據集。最后通過計算信號的功率譜密度分析不同類型缺血性腦卒中患者不同測試點sLFOs信號的頻域特性。通過皮爾遜互相關算法計算sLFOs信號的最大互相關系數(MCCC)以及時間延遲。根據血液在人體內循環一周的時間約為14.4 s，相關系數絕對值小于0.2時兩個變量間不具備相關性[13]，我們將時間延遲的有效值限定在20 s以內，對應的相關性系數大于0.3[14]。

2 結果

2.1 缺血性腦卒中患者體內的sLFOs信號

在本研究中的27例缺血性腦卒中患者中，患者(ID:441265)已經被確診為典型的多發性腦血管狹窄和腦梗死，患者(ID:2381760)被確診為典型的患有外周血管疾病。本研究中已經收集了兩位患者的CTA和MRI影像圖，并且為了更加詳細地分析缺血性腦卒中患者sLFOs信號以及機理，本研究還檢測了患者的SaO2信號以及心跳速率。

患者(ID:441265)是頸動脈狹窄類型患者，該患者患有右頸內動脈狹窄和雙側頸外動脈狹窄，如圖2(a)所示。該患者右頸內動脈和右頸外動脈狹窄，大腦右半球腦梗死(紅色圓圈內)?；颊咦蠖?LE)的SaO2是74.06%，右耳垂(RE)的SaO2為74.28%。該患者測量結果與75%的靜脈血氧標準值相差較小，說明輕度栓塞并未明顯降低血液中的血氧飽和度?；颊咦笥叶姑}搏率均為62.69 bpm，說明左右頸動脈栓塞的程度差異不大。如圖2(b)所示，左側和右側耳垂(LE-RE) sLFOs的相關系數為0.63，小于健康受試者的值(0.78±0.15)[9]，在圖2(c)和(d)中左右食指(LF-RF)和左右食趾(LT-RT)相關系數分別為0.78和0.79，接近健康受試者相關系數值，說明輕度栓塞對sLFOs信號的對稱性影響較小，栓塞不僅作用于缺血性腦卒中患者局部位置，而且影響了周身其他位置的血液循環。

患者(ID:2381760)是患有外周血管疾病的缺血性腦卒中患者。如圖2(e)所示該患者右脛前動脈中遠端血流中斷，而左脛前動脈基本正常。檢測該患者左食趾(LT)和右食趾(RT)血氧飽和度分別為73.61%和73.64%，均低于健康受試者75%的標準水平[9]，表明栓塞降低了腿部血液中的血氧水平。如圖2(f)中，sLFOs信號的左右耳垂(LE-RE)相關系數為0.32，遠小于健康受試者的值(0.78±0.15)[9]，栓塞擾亂了sLFOs信號在人體內的對稱性傳播。同樣的結果可以在圖2(g)和(h)中觀察到，左右食指(LF-RF)和左右食趾(LT-RT)的時間延遲分別為0.38 s和-3.04 s，對稱位置的時間延遲存在顯著性差異表明兩個分支(向LT和向RT)的血液灌注不對稱，即血流到達右食趾的時間超前于左食趾。

圖2 腦卒中患者(#441265)和(#2381760)的CTA和腦MRI影像以及周身LFOs信號圖Fig.2 Carotid CTA and MRI images and LFOs signal of stroke patients (#441265) and (#2381760)

2.2 sLFOs信號的相關系數和時間延遲

在之前健康人的研究中已經建立了sLFOs信號在人體對稱位置和非對稱位置健康受試者的相關系數和時間延遲的基線標準[9]。研究[14]發現，靜息狀態下，健康受試者身體對稱末梢區域測試點測量的低頻振蕩信號基本對稱，這些低頻振蕩信號在整個身體內傳播到達身體的不同部位具有確定性的時間延遲。本研究統計了腦卒中患者外周位置的時間延遲和相關性系數，并采用秩和檢驗驗證缺血性腦卒中患者與健康受試者的顯著性差異。為了降低陽性結果的錯誤率，我們采用Benjamini-Hochberg方法對結果進行校正，使假陽性概率保持在0.05以下。

如圖3(a)和(b)所示，缺血性腦卒中患者與健康受試者左右耳垂(LE-RE)、左右食指(LF-RF)的顯著性差異(p<0.001)大于左右食趾(LT-RT)的顯著性差異(p<0.01)。如圖3(a)所示，缺血性腦卒中患者對稱位置(LE-RE、LF-RF和LT-RT)的相關系數主要分布在0.45～0.68、0.7～0.9和0.75～0.95?；颊叻菍ΨQ位置食指和食趾(F-T)之間的相關系數集中在0.5～0.8之間，RF-LT(p<0.05)和LF-RT(p<0.001)之間存在顯著性差異?；颊叨购褪种?E-F)之間的相關系數集中在0.4～0.65之間，RE-RF與集中在0.35～0.5的健康受試者相比有顯著性差異(p<0.01)。

如圖3(c)和(d)所示，缺血性腦卒中患者對稱位置(LE-RE、LF-RF、LT-RT)的時間延遲明顯大于健康受試者(p<0.001)，健康受試者時延幾乎為零。缺血性腦卒中患者與健康受試者在非對稱位置(F-T,E-F)延遲時間上存在正、負差異。如圖3(c)所示，當缺血性腦卒中受試者非對稱位置的部分時延數據為正值時，健康受試者的延遲主要集中在0以下。

本研究通過秩和檢驗的方法提取缺血性腦卒中患者對稱位置和非對稱位置的MCCCs和時延特征的顯著性差異，其中LT-RT MCCCs(p<0.01)和LF-RF MCCCs(p<0.001)差異顯著。本研究采用模糊C均值聚類算法對上述兩個具有顯著差異的特征進行聚類以區分缺血性腦卒中患者和健康受試者。在圖3(e)中可以看到腦卒中患者和健康人LT-RT的相關系數沿方程y=8.33x-5.83分為兩類，在圖3(f)中腦卒中患者和健康人LF-RF的相關系數沿方程y=8.33x-5.25分為兩類。這種結果證明了sLFOs信號可以作為灌注生物標志物來區分缺血性腦卒中患者和健康受試者。

圖3 sLFOs信號的相關系數和時間延遲的統計以及FCM聚類結果Fig.3 sLFOs correlation coefficients and time delays statistical and FCM clustering results

3 討論

研究表明[9]，靜息狀態下健康受試者外周位置sLFOs信號的功率譜密度特征能夠反映信號在不同頻段的功率變化，其結果顯示LE-RE的頻譜主要集中在0～0.12 Hz，LF-RF和LT-RT的頻譜主要集中在0～0.08 Hz(峰值出現在0.02 Hz附近)。本研究探討了缺血性腦卒中患者周身sLFOs信號的功率譜密度(Power Spectral Density,PSD)特征。本研究對雙側頸內動脈狹窄、頸外動脈狹窄、下肢動脈狹窄的缺血性腦卒中患者的PSD進行了探究，如圖4(a)、(b)和(c)所示。我們發現缺血性腦卒中患者對稱位置尤其是耳垂位置的信號PSD重疊度很低，說明栓塞破壞了血液傳輸的對稱性，破壞了身體兩側血液循環的平衡。耳垂的功率譜密度(0～0.1 Hz)寬度大于指尖和腳趾(0～0.08 Hz)的功率譜密度。對稱耳垂的功率譜密度相似度普遍低于指尖和腳趾，說明耳垂可能包含更多的生理信息。

為了更加全面地探究LFOs信號頻譜特點，我們計算了所有缺血性腦卒中患者左側(L)和右側(R)的功率譜密度，并進行加權平均，如圖4(d)所示。LE-RE的平均功率譜密度寬度保持在0～0.1 Hz，并且高于LF-RF和LT-RT在0～0.08 Hz的平均功率譜密度。如圖4(a)～(c)所示，缺血性腦卒中患者的頻譜成分沒有顯著差異，證明了不同類型的腦卒中患者的頻譜成分具有一致性。

圖4 缺血性腦卒中患者的周身LFOs信號功率圖Fig.4 Power spectral density of LFOs in the periphery of ischemic patients

通過對sLFOs信號傳播特性的研究發現腦卒中患者周身對稱位置并不呈現對稱性傳播。通過缺血性腦卒中患者的醫學影像發現，由于血栓導致患者身體對稱側血管路徑存在顯著差異，這些血栓擾動了sLFOs信號在人體內的傳播規律，破壞了sLFOs信號在人體內的對稱性傳播。這種破壞不僅限于局部，而且會對周身的血液循環產生影響。我們發現缺血性腦卒中患者對稱位置的相關系數低于健康人，并且降低的程度與患者的病情有關，這在圖2中得到了證實，sLFOs信號的相關性系數在一定程度上反映了患者的生理狀態，為我們的假設提供了最有力的支持。研究中我們發現每位患者對稱位置的sLFOs信號時間延遲明顯不同，這可能與很多因素有關。例如，sLFOs信號隨血液“移動”到身體不同位置時，其傳輸速度與血液黏度、血壓等因素有關。血液中的血栓通過擾動血液傳播規律，進而影響sLFOs信號的傳輸特性，如最大互相關系數和時間延遲，這些影響可能會增強或減弱對稱外周位置sLFOs信號的相關系數和時間延遲，但這并不意味著sLFOs信號的傳輸速度快慢取決于病理。

本研究表明了sLFOs信號可以作為血管灌注標記物區分缺血性腦卒中和健康人，并在一定程度上反映了患者的生理狀態，但是本研究還存在一定的局限性。首先，本研究的樣本數量少，需要擴大樣本數量來增加樣本的容錯率。其次，由于腦卒中患者生理條件的限制，僅進行了靜息狀態下的實驗。更加深入地研究在任務狀態下sLFOs信號的傳播規律的深入研究，能夠加深對sLFOs信號應用于腦卒中研究的理解。

4 結論

本研究通過計算缺血性腦卒中患者sLFOs信號的相關性系數及時延，結合模糊C均值聚類分析和腦卒中患者醫學影像研究了sLFOs信號在腦卒中體內的傳播特性和機理。研究結果支持假設sLFOs信號在缺血性腦卒中患者體內傳播特性受血栓的干擾，sLFOs信號特征在一定程度上可以反映患者的生理狀態。sLFOs信號可以作為有效的血管灌注生物標記物來區分缺血性腦卒中患者和健康人。sLFOs信號已被證明是評估缺血性腦卒中患者外周血液循環和血管完整性的有效和準確的工具。本研究為sLFOs信號作為灌注生物標志物應用于缺血性腦卒中研究提供了理論依據，而且表明了sLFOs信號對于缺血性腦卒中患者的臨床研究有著廣闊的應用前景和醫療價值。