基于近红外光谱的中老年人静息态脑血氧参量小波互相关分析

The structural and functional integrity of the brain depends on the delicate balance between substrate delivery through blood flow and energy demands imposed by neural activity. Alterations of this balance may lead to cerebrovascular dysregulation and disease such as stroke and Alzheimer's disease. It has been demonstrated that there are strong correlations among spontaneous oscillations of distinct regions of the brain in the low frequency range(<0.1 Hz) in the resting state and this correlation is termed as resting state functional connectivity. In this project the cerebral oxygenation signal will be monitored from the left and right prefrontal lobe using near-infrared spectroscopy (NIRS). The spontaneous cerebral oscillations will be analyzed using wavelet transform of NIRS signals in normal,stroke patients and subjects at risk for stroke.Moreover, frequency-specific functional connectivity in the brain during resting state will be revealed using wavelet cross-correlation analysis of NIRS signals. Finally, a model for assessing the risk of cerebrovascular dyregulation will be established based on the functional connectivity in the brain.

大脑结构及功能的完整性取决于神经活动所需要的氧供及能量代谢在基体之间传递的微妙平衡。脑血管功能失调会导致大脑微环境动态平衡的改变，从而引起脑功能障碍和疾病（如中风）。静息状态下大脑不同脑区脑血氧脉动在低频范围(<0.1 Hz) 存在强相关性即静息态功能连接，静息态功能连接反映了大脑微环境的动态平衡性。该申请项目拟通过多通道近红外光谱技术监测中老年人静息态脑组织血氧参量，应用小波变换分析双侧脑区脑氧参量脉动，提取多尺度（频率）脑血氧参量时间序列脉动信号；然后，应用小波互相关法分析双侧脑区脑氧脉动相关性，通过相关度、时间延迟以及相位差等指标揭示中老年不同人群包括健康人、脑血管病人及脑血管功能异常人群脑功能连接特征；最后，基于中老年人脑功能连接特征，建立脑血管功能异常风险评估模型，为脑血管功能失调提供一种早期简单无创监测方法。

脑血管功能失调会导致大脑微环境动态平衡的改变，从而引起脑功能障碍和疾病（如脑卒中）。本项目利用近红外光谱法检测中老年人脑血氧信号，通过小波互相关分析方法研究中老年人静息态脑功能连接特性，建立了中老年人脑血管功能评价模型。该项目在基础理论方面研究了中老年人前额叶（双侧）静息态脑氧参量多尺度时频特征和双侧脑区静息态多尺度脑功能连接特征：大脑皮层中血氧脉动信息，在频率0.005-2Hz范围内，包含5个尺度（频率）的脉动成分，分别反映代谢相关的内皮性活动、作用于血管壁的神经性活动、血管平滑肌的内在肌源性活动、呼吸以及心率活动等；通过小波相干性分析，以小波幅度、相位差等指标描述双侧脑区脑功能连接特性，研究了不同人群多尺度时频特征和双侧脑区脑功能连接特征，发现脑梗塞病人的脑功能连接强度显著降低；在信号处理方面，研究了双侧脑区脑血氧参量相关性分析方法及指标，确定了脑氧时间序列的小波相干性分析方法和描述脑功能连接特性的评价指标如相位差、小波相干性、小波相位相干性；在建模方面，通过提取中老年人双侧脑区脑功能连接统计特征，建立了基于近红外光谱法的中老年人脑功能异常早期风险评估模型。基于该模型评估了脑梗塞病人静息态下，高血压因素对脑前额叶左右脑氧脉动相位一致性的影响。研究发现，脑梗塞患者，高血压对脑前额叶左右脑氧脉动相位相干性有显著性影响，主要反映在频率间隔IV（0.021–0.052 Hz）。同时，在频率间隔IV，具有高血压的脑梗塞患者相位相干性显著低于无高血压脑梗塞老年人。通过四年的研究工作，该项目通过多通道近红外光谱法监测不同人群脑氧参量，应用小波分析法分析多尺度脑氧自发节律性脉动，揭示了双侧脑区多尺度（频率）脑氧参量时频域特征；应用小波互相关法分析双侧脑区脑多尺度脑氧参量时间序列，揭示了脑卒中患者和健康老年人静息态脑功能连接特性，以此建立了脑功能评价模型，为中老年人脑血管功能异常早期风险评估提供了一种简单有效的监测手段。