基于近红外脑功能特性的轻度认知障碍风险因素分析与评价方法研究

发布时间：2020-06-28 07:13

【摘要】：在人口老龄化趋势加快的背景下,轻度认知障碍(Mild Cognitive Impairment,MCI)患者逐年增多,这给患者及其家属的生活质量造成了严重影响。现阶段,如何准确、科学、有效的评估MCI依旧是一个挑战。研究发现,高血压、睡眠、疲劳等因素是导致认知功能障碍的风险因素,但是这些因素导致认知功能障碍的机制并不明晰。近红外光谱技术(Near-infrared spectroscopy,NIRS)可以检测大脑皮层组织的血氧含量变化,同时具有非侵入性、便携性、成本低、操作方便等特点。本文采用NIRS的方法构建脑功能连接和效应连接网络评价模型,应用该模型研究了 MCI人群脑功能网络特点,并分析了风险因素(高血压、睡眠和疲劳)对脑功能连接的影响。基于研究结果,进行了认知康复训练系统初步开发。本文首先通过量表测试的方法得到MCI人群的血压指数、睡眠指数、疲劳指数和认知水平指数。利用回归分析的方法确定血压指数、睡眠指数、疲劳指数与认知水平指数的关系。基于NIRS技术建立脑功能连接和效应连接网络评估模型,对MCI人群脑功能网络连接特性进行评估。通过小波相位相干性的方法计算不同脑区之间的相位同步性,描述大脑的功能连接。通过贝叶斯推论的方法计算通道间的耦合强度和耦合方向以此来描述大脑的效应连接。将功能连接和效应连接的指标与认知水平进行相关性分析后发现与健康对照组相比,MCI组的小波相位相干性数值和耦合强度在第Ⅲ和第Ⅳ频率段显著降低。通过皮尔逊相关性分析发现功能连接和效应连接的指标与认知能力有较强的相关性。综上结果所述,基于NIRS技术的脑功能网络连接特性模型可以定量的评估受试者的认知水平。其次,为了分析高血压、睡眠障碍、疲劳与认知水平的关系,本文采用NIRS实验的方法对MCI的3个风险因素进行脑功能网络连接特性分析。(1)高血压风险人群的脑功能特性评价方法。采用14通道的NIRS设备采集高血压组样本和健康对照组样本的左右前额叶、左右感觉运动区和左右枕叶的氧合血红蛋白相对浓度(△[Hb02])信号,经过数据预处理后进行功能连接和效应连接分析。结果发现,相对于健康对照组,高血压组的小波相位同步性在第Ⅲ和第Ⅳ频率段存在显著降低,耦合强度在第Ⅲ和第Ⅳ频率段也显著降低。通过皮尔逊相关性分析发现,高血压组样本的小波相位同步性和耦合强度与认知水平均具有较强的正相关。(2)睡眠障碍风险人群的脑功能特性评价方法。通过NIRS设备分别记录睡眠剥夺和睡眠障碍状态下受试者的脑血氧信号,经过滑动平均、运动漂移去除以及巴特沃斯等方法对NIRS信号进行数据预处理,进而对信号进行功能连接和效应连接分析。结果发现,无论是静息态还是任务态,经过睡眠剥夺,小波相位相干性和耦合强度都出现下降的趋势。NIRS信号在0.01-0.08Hz频率段的生理含义与自发性的神经活动有关系。通过NIRS设备记录睡眠障碍组和健康对照组的脑血氧信号,并对0.01-0.08Hz频率范围内的脑血氧信号进行功能连接和效应连接分析。睡眠障碍实验的研究结果发现,与健康对照组相比,睡眠障碍组样本的小波相位相干性和耦合强度出现下降的趋势。(3)疲劳风险人群的脑功能特性评价方法。在评估慢性疲劳样本(以海员为研究对象)的脑功能网络连接特性时,发现与健康对照组相比,长期的海上作业导致海员组在第Ⅲ,Ⅳ和Ⅴ频率段的小波相位同步性显著减低。在第Ⅲ和第Ⅳ频率段,海员组的耦合强度数值显著低于健康对照组。最后,本文分析MCI人群及其风险状态下的内在脑功能连接特性,将理论研究和设计实践相结合,设计和完善了 2个认知任务,分别为基于数字的记忆判断任务和基于虚拟现实技术的模拟驾驶任务。最终目的是通过执行不同的认知任务保持或提高训练者的认知功能。综上所述,本文通过采用功能连接和效应连接相结合的评估模型来反映脑功能网络连接特性,同时把该模型运用到MCI及其风险因素的评估中。通过评估结果制定科学的认知训练任务,进行计算机辅助认知训练系统人机交互界面设计。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：B845
【图文】：

扫描图像,阿尔茨海默病

未来的２年内，遗忘型ＭＣＩ患者的海马体的体积会出现显著缩小的趋势［４１］。但是，逡逑现在还没有公认的海马体体积萎缩标准，还需要更多的研宄数据来深化这种测量逡逑方法。图１－３所示为认知正常（ａ）、轻度认知损害（ｂ）以及阿尔茨海默病病人（ｃ）逡逑的冠状面ＭＲＩ扫描图像。箭头位置表示的是大脑内海马体结构的萎缩情况，图中逡逑描绘了海马体从认知正常到轻度认知障碍再到阿尔茨海默病的发展状况。海马体逡逑体积的大小也可以作为评估ＭＣＩ的一项指标。逡逑６逡逑

吸收光谱图,近红外波段,技术原理,近红外光谱

图１－４近红外光谱检测原理（ａ）近红外波段吸收光谱图（ｂ）技术原理图逡逑人体体内代谢活动的变化会引起组织内血氧含量的变化，而血氧含量的不断逡逑变化会导致组织内光学特征的变化。如图１－４邋（ａ）所示，生物组织在近红外波段逡逑（７００？９００ｎｍ）有较深的穿透性，这一波段被称作“光谱窗”［４９］。图１－４邋（ｂ）所示逡逑为近红外光的有效探测深度是近红外光源及探头距离的一半。ＮＩＲＳ技术可以探测逡逑穿过组织后的近红外光的吸收谱，利用朗伯比尔定律可以计算得出所探测区域组逡逑织内的氧合血红蛋白（［Ｈｂ0２］）和还原血红蛋白（：［ＨＨｂ］）的相对浓度数据。与［ＨＨｂ］逡逑相比，［Ｈｂ０２］信号具有更好的信噪比。本研究选用［Ｈｂ０２：｜信号进行分析，并用于后逡逑续的大脑连接特性的研究。逡逑国内外的大量研究表明ＮＩＲＳ是脑功能研宄的一种有效方法多通道逡逑ＮＩＲＳ设备的不断出现为大脑功能网络连接特性的研宄带来了更多的可能性。逡逑ＮＩＲＳ技术在脑功能网络成像的研究上有以下几个优势：逡逑（１）

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