基于功能性近紅外光譜技術(shù)的屈光不正性弱視患兒視皮層功能研究△

吳曉彤 畢愛玲 柴永馨 曹 寧 張 穎 張莉唯 龔 勝 盧秀珍 畢宏生

屈光不正性弱視是由于視覺系統(tǒng)在兒童發(fā)育關(guān)鍵時期缺乏良好的視覺刺激，失去形成清晰圖像的機會，致使大腦視覺功能受損所導(dǎo)致的眼科疾病。雖然弱視患者存在單眼或雙眼視力下降，但是各種臨床檢查均未見患者出現(xiàn)眼部生理結(jié)構(gòu)異常。動物模型和人的影像學(xué)研究表明，弱視個體發(fā)生的缺陷與視覺相關(guān)腦區(qū)的異?；顒佑嘘P(guān)[1-5]。目前對弱視患者視皮層的評估方法主要是視覺誘發(fā)電位，它具有無創(chuàng)、客觀等特點，但因操作耗時長、患兒依從性差很少應(yīng)用于臨床[6]。功能性近紅外光譜技術(shù)(fNIRS)是基于血流動力學(xué)原理評估受試者在執(zhí)行視覺任務(wù)時局部腦活動的檢查技術(shù)，操作簡便、無噪聲。fNIRS將近紅外光照射到生命體的表面，利用神經(jīng)活動和微循環(huán)血流動力學(xué)的耦合，無創(chuàng)測量氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白含量的變化，并將其作為皮層激活的指標[7]。本研究應(yīng)用 fNIRS比較屈光不正性弱視患兒與正常兒童視皮層血紅蛋白含量的差異，研究屈光不正性弱視患兒視皮層功能是否存在異常，分析視皮層改變與視力之間的關(guān)系，為闡述弱視患兒的腦功能機制奠定基礎(chǔ)。

1 資料與方法

1.1 一般資料本研究為病例對照研究。選取在山東中醫(yī)藥大學(xué)附屬眼科醫(yī)院2019年至2020年就診的19例(38眼)臨床確診為雙眼屈光不正性弱視的患兒作為弱視組。患者納入標準：(1)年齡為6～12周歲；(2)符合弱視的診斷標準，雙眼最佳矯正視力相差一行及以下，雙眼睫狀肌麻痹后球鏡度數(shù)相差1.5 D以下、柱鏡度數(shù)相差1.0 D以下?；颊吲懦龢藴剩?1)有顯性斜視者；(2)合并有角膜白斑、先天性白內(nèi)障、完全性上瞼下垂等可造成形覺剝奪的器質(zhì)性眼病者；(3)精神或法律上的殘疾患者；(4)患有糖尿病、心血管疾病、腦部疾病等疾病者；(5)正在參加其他臨床試驗者。以上有一項符合即排除。另選取在山東中醫(yī)藥大學(xué)附屬眼科醫(yī)院進行視力檢查的19例(38眼)視力正常的健康兒童作為正常組，年齡為6～12周歲，雙眼裸眼視力均在1.0及以上，睫狀肌麻痹后等效球鏡度數(shù)>-0.5 D，無其他眼科及神經(jīng)系統(tǒng)疾病。本研究遵循《赫爾辛基宣言》所要求的倫理學(xué)原則，受試者及其監(jiān)護人均知情并簽署知情同意書。

1.2 方法

1.2.1 主要檢查所有兒童均采用標準對數(shù)視力表進行最佳矯正視力檢查，采用fNIRS(日立ETG-4000近紅外腦功能成像儀)進行大腦視皮層氧合血紅蛋白、脫氧血紅蛋白的檢查。此儀器利用血紅蛋白對近紅外光的吸收量對大腦皮質(zhì)表面血液中的氧合血紅蛋白、脫氧血紅蛋白的含量變化進行多點測量，并將血液分布的變化、腦的代謝以及血液循環(huán)以二維TOPO圖像方式進行重建，通過動態(tài)圖像顯示腦的活動。

1.2.2 刺激任務(wù)及試驗設(shè)計刺激任務(wù)是黑白棋盤格圖片，設(shè)定視覺刺激期黑白棋盤格翻轉(zhuǎn)率為2 Hz，即每500 ms轉(zhuǎn)換一次棋盤格圖片。黑白格子相互交錯、數(shù)量相等，兩幅圖黑白格子位置交換，在圖像中間添加紅色“X”作為固視點。每張圖的發(fā)光強度和麥克爾遜對比度參數(shù)設(shè)定參考文獻[8]，對照內(nèi)容為黑色背景圖片。

使用E-Prime2.0制作視覺刺激任務(wù)程序，本研究采用事件相關(guān)設(shè)計，受試者兩眼分別接受刺激，流程為10 s閉眼+30 s黑屏睜眼+30 s視覺刺激+50 s黑屏睜眼+10 s閉眼，每位受試者完成兩次視覺刺激任務(wù)。刺激任務(wù)開始時自動觸發(fā)日立ETG-4000近紅外腦功能成像儀，同步記錄血氧變化，事件切換時自動在成像儀上標記。

1.2.3 測試過程囑受試者安靜坐在暗室環(huán)境中，待測眼距離視覺刺激任務(wù)的顯示器為1 m，研究人員在受試者枕部頭皮處配戴裝有光源探頭的檢測帽，正中央探頭正對枕骨粗隆處，其余探頭與頭皮緊密貼合，雙眼與屏幕中央平齊，檢測一眼的同時遮蓋另一眼。準備就緒后，告知受試者需要按照語音播報睜眼或閉眼，并且在播放黑白棋盤格翻轉(zhuǎn)時需要注視屏幕中央的紅色“X”固視點。檢測過程中禁止眼球運動、肢體動作，禁止說話，保持均勻呼吸，以減少出現(xiàn)運動偽影。

1.2.4 fNIRS感興趣區(qū)域采用上海心果光電科技有限公司針對 Polhemus 公司的三維定位儀研發(fā)的可視化頭部三維定位信息實時記錄系統(tǒng)(VPen 1.0)對受試者各通道測量點位置進行定位記錄，依據(jù)3D定位儀的解剖標記和重疊比例可得第11、12、15、16、17、20、21號通道主要對應(yīng)初級視皮層。因此取以上7個通道為fNIRS感興趣區(qū)域(ROI)通道。本研究將單眼注視黑白棋盤格翻轉(zhuǎn)刺激時段作為刺激期，將此時段ROI通道的β均值用于表示雙側(cè)視皮層血紅蛋白的含量變化。初級視皮層左、右側(cè)中心區(qū)域各被檢測帽三個通道覆蓋，左側(cè)為第12、17、21號通道，右側(cè)為第11、15、20號通道，因此將刺激期左、右側(cè)視皮層3個通道的β均值用于表示單側(cè)視皮層血紅蛋白的含量變化。

1.3 統(tǒng)計學(xué)方法采用SPSS 23.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學(xué)分析。兩組受試者性別差異采用χ2檢驗進行比較。全部計量資料用均數(shù)±標準差表示，兩組間各項指標的比較采用兩獨立樣本t檢驗，多組間比較采用單因素方差分析，進一步組間兩兩比較采用LSD-t檢驗。采用Pearson相關(guān)分析進行兩變量相關(guān)性分析。檢驗水準：α=0.05。

2 結(jié)果

2.1 弱視組與正常組受試者一般情況比較弱視組患兒男9例(18眼)，女10例(20眼)，年齡(7.58±1.61)歲；正常組兒童男8例(16眼)，女11例(22眼)，年齡(7.15±0.37)歲。兩組兒童的年齡、性別構(gòu)成差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(均為P>0.05)。弱視組患兒與正常組兒童最佳矯正視力(logMAR)分別為0.20±0.14和-0.02±0.04，兩組間差異有統(tǒng)計學(xué)意義(t=-8.990，P<0.001)。

2.2 兩組受試者雙側(cè)視皮層氧合血紅蛋白、脫氧血紅蛋白β均值比較弱視組患兒氧合血紅蛋白β均值低于正常組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)；脫氧血紅蛋白β均值高于正常組，但差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)(表1)。

表1 弱視組與正常組受試者雙側(cè)視皮層氧合血紅蛋白、脫氧血紅蛋白β均值比較

2.3 兩組受試者單側(cè)視皮層氧合血紅蛋白、脫氧血紅蛋白β均值比較正常組兒童受試眼同側(cè)視皮層與對側(cè)視皮層的氧合血紅蛋白β均值相比，差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.845)；弱視組患兒受試眼同側(cè)視皮層與對側(cè)視皮層的氧合血紅蛋白β均值相比，差異亦無統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.660)。弱視組患兒受試眼同側(cè)視皮層氧合血紅蛋白β均值較正常組兒童受試眼同側(cè)視皮層、對側(cè)視皮層均顯著減小，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.009、0.003)；弱視組患兒受試眼對側(cè)視皮層氧合血紅蛋白β均值較正常組兒童受試眼同側(cè)視皮層、對側(cè)視皮層亦均顯著減小，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.016、0.005)。兩組受試眼同側(cè)以及對側(cè)視皮層脫氧血紅蛋白β均值總體比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.669)(表2)。

表2 弱視組與正常組受試者單側(cè)視皮層氧合血紅蛋白、脫氧血紅蛋白β均值比較

2.4 弱視組患兒最佳矯正視力與視皮層氧合血紅蛋白含量的關(guān)系弱視組患兒的最佳矯正視力與其視皮層氧合血紅蛋白含量的相關(guān)系數(shù)r=-0.039(P=0.815)，二者無線性相關(guān)關(guān)系。

3 討論

本研究結(jié)果證實，fNIRS檢查可顯示屈光不正性弱視患兒的腦功能活動異常，這些異常可能與屈光不正性弱視的神經(jīng)病理機制有關(guān)。在動物模型中，對弱視動物視皮層的研究主要集中在初級視皮層，Shooner等[9]通過電極陣列記錄弱視獼猴和正常對照獼猴初級視皮層/次級視皮層邊界的神經(jīng)元活動，發(fā)現(xiàn)弱視眼受刺激時視皮層的信號靈敏度和響應(yīng)性降低，這與本研究的結(jié)果相一致。因此，了解雙眼視皮層的相關(guān)性對于理解弱視患者腦功能異常至關(guān)重要。一直以來，功能性磁共振成像(fMRI)為弱視患者視皮層功能障礙的研究提供證據(jù)，Dai等[10]在利用靜息態(tài)fMRI研究弱視患兒與正常兒童局部腦活動的差異時發(fā)現(xiàn)，弱視患兒雙側(cè)額葉、顳葉和枕葉區(qū)低頻波動幅度值低于正常兒童。Goodyear等[11]利用fMRI研究初級視皮層證實了同一視覺刺激下弱視眼的激活區(qū)域小于正常眼。 Barnes等[12]研究斜視性弱視患者的視皮質(zhì)缺陷時，發(fā)現(xiàn)初級視皮層和次級視皮層區(qū)域的fMRI激活減少。因此，我們認為弱視可能與初級視皮層神經(jīng)元的功能改變有關(guān)。

盡管fMRI被廣泛應(yīng)用于研究弱視患者視皮層功能，但其噪聲大、金屬回避性等常會導(dǎo)致數(shù)據(jù)可信度降低。相比較而言，fNIRS彌補了以上不足，它是一種無創(chuàng)、非侵入性的腦血流動力學(xué)功能監(jiān)測和成像方法，近年來在人腦功能和各種病理學(xué)的研究中得到越來越多應(yīng)用[13]。在視神經(jīng)炎的研究中，Miki等[14]發(fā)現(xiàn)，fNIRS可以檢測出患者視皮層激活減弱的變化。在弱視治療的研究中，Iwata等[15]通過fNIRS證實弱視患者雙眼睜開時視皮層的激活程度高于單眼睜開時，推測在不遮擋健康眼的情況下進行弱視治療可能效果更顯著。

有研究發(fā)現(xiàn)，正常兒童在觀看棋盤格刺激時氧合血紅蛋白的含量高于觀看黑屏?xí)r的含量[16]。本研究中在同一視覺刺激條件下，給予弱視患兒最佳矯正視力(以排除視網(wǎng)膜成像不清)，fNIRS檢查發(fā)現(xiàn)弱視組患兒雙側(cè)視皮層的氧合血紅蛋白含量低于正常組。因此，我們推測，視覺刺激可使視皮層神經(jīng)元需氧量增加，更多的血液流向神經(jīng)元最活躍的皮質(zhì)部位，由于輸送的氧氣比消耗的氧氣多得多，從而導(dǎo)致氧合血紅蛋白含量局部升高[17]。弱視患兒長期視物不清晰，傳入視皮層的信號較少，刺激來源不足，致使神經(jīng)元反應(yīng)降低，氧合血紅蛋白含量下降，視皮層功能也相對減弱[18]。

視覺信息以半交叉的方式從視網(wǎng)膜傳到視皮層，來自鼻側(cè)視網(wǎng)膜的信息通過53%視交叉?zhèn)鬟f到對側(cè)視皮層，來自顳側(cè)視網(wǎng)膜的信息通過47%視交叉?zhèn)鬟f到同側(cè)視皮層[19]。為了進一步研究屈光不正性弱視患兒是否存在雙側(cè)視皮層受累，本研究比較了弱視組患兒受試眼同側(cè)視皮層、對側(cè)視皮層，正常組兒童受試眼同側(cè)視皮層、對側(cè)視皮層之間的氧合血紅蛋白含量的差異。結(jié)果顯示，不論是正常組還是弱視組，其自身雙側(cè)視皮層之間不存在差異；不論是受試眼同側(cè)視皮層還是受試眼對側(cè)視皮層，弱視組患兒受試眼氧合血紅蛋白含量均低于正常組。Wang等[20]利用血氧水平依賴性fMRI和圖形視覺誘發(fā)電位研究屈光參差性弱視相關(guān)神經(jīng)機制的試驗發(fā)現(xiàn)，弱視眼同側(cè)、對側(cè)視皮層的激活面積均比健康眼同側(cè)、對側(cè)視皮層小，這與本研究結(jié)果一致。但弱視眼同側(cè)視皮層的血氧反應(yīng)低于自身對側(cè)視皮層，這與本研究結(jié)果不同。

我們對弱視患兒最佳矯正視力與視皮層氧合血紅蛋白含量相關(guān)關(guān)系的研究發(fā)現(xiàn)，矯正視力的高低與視皮層功能障礙并無相關(guān)關(guān)系，這與朱娟等[21]對屈光不正性弱視患者的研究結(jié)果相同。這可能是由于影響弱視發(fā)展的因素有很多，年齡、病程、病因等均會影響視皮層功能，有的患者雖然視力低，但病程短，因此對視皮層神經(jīng)元的影響較小。

綜上所述， fNIRS可以作為測量弱視患者初級視皮層血紅蛋白含量的新方法，屈光不正性弱視患兒視皮層存在功能異常。