光源-探测器小距离散射光谱在疼痛测量中的应用

戴丽娟, 丁乐明，李韪韬，钱志余

1. 南通大学机械工程学院，江苏 南通 226019 2. 南京航空航天大学生物医学工程系，江苏 南京 210016

引 言

尽管数十年来神经成像技术的发现揭示了大脑各种功能背后丰富而复杂的过程，但使用神经成像作为量化或测量疼痛的客观工具仍受到质疑。 这是因为疼痛是一种多因素的主观体验，在疼痛的处理过程中，包含一个大的分布式脑网络，从而导致神经成像信号的准确性和有效性有限[1-5]。

最近一些使用功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging, fMRI)的研究证实，源自局部脱氧血红蛋白浓度变化的BOLD信号因痛觉而改变[6-9]。 类似地，一些使用功能近红外光谱成像(functional near infrared imaging, fNIRI)的人类研究表明，热刺激或电刺激会导致不同脑区血红蛋白浓度的变化[10-13]。 因此，了解脑功能活动中神经-血管耦合的性质将有助于更好的量化或测量疼痛。

为了研究不同深度神经核团在疼痛处理中相关的神经-血管耦合问题，利用一种简单的稳态光纤光谱仪和光源-检测距离小的Y型双光纤微创探头对大鼠前扣带回在疼痛过程中的散射光谱进行实时采集，基于改进的Beer-Lambert定律(MBLL)获得血流动力学参数，同时，采集大鼠前扣带回的局部放电信号进行功率强度变化分析，确认血流动力学参数在疼痛过程中的变化与前扣带回的功能激活相关，从而评估这种技术作为疼痛测量方式和增进对疼痛相关的脑血管功能的了解的可行性。

1 实验部分

1.1 动物准备

选用7只成年雄性SD大鼠，平均年龄(98.5±1.5) d，平均体重(363.4±11.2) g，所有动物均经腹腔注射戊巴比妥钠溶液麻醉(50 mg·kg-1)。 将PE10导管插入颈静脉，以0.02 mL·min-1的固定速率持续静脉注射戊巴比妥钠(5 mg·mL-1)，从而在整个数据采集过程中维持麻醉。 将大鼠头部固定在脑立体定位仪上，通过使用反馈控制加热毯将大鼠体温保持在37 ℃。 沿头皮中线切开，暴露前扣带回上方的头骨，通过颅骨钻三个孔，根据大鼠脑立体图谱中前扣带回的范围，选择孔1坐标为前囟前1.44 mm、中线右侧0.4 mm，孔2坐标为前囟后0.6 mm、中线右侧0.6 mm。 孔3用于安装地线螺钉，选择在孔2附近的合适位置即可。

1.2 装置

实验系统结构如图1所示，由光谱采集装置和脑局部电信号采集装置组成。 光谱采集装置的基本组成部分是钨卤素光源(HL2000HP，Ocean Optics Inc.，Dunedin，FL，USA)、光纤光谱仪(USB 2000，Ocean Optics，Dunedin，FL，USA)、双光纤探头和用于控制和数据采集的计算机。 双光纤探头包含两根多模光纤，一根用于光传输，另一根用于光检测。 每根光纤直径均为200 μm，两纤芯距离400 μm，探头尖端的外径为1 mm。 脑局部电信号采集装置主要由微电极、无线生物电记录器和用于数据采集的计算机组成。

图1 系统结构图

1.3 数据采集和处理

将双光纤探头经孔1放置于ACC上方，由探测光纤传回的光信号经光谱仪传回电脑，使用LabWindows编程软件记录350～1 000 nm的散射光谱，采样频率2 Hz。 将微电极经孔2插入ACC内部，植入深度约3 mm。 地线螺钉插入孔3，用牙科胶固定微电极和螺钉。 经微电极采集的脑局部电信号送入无线传输模块，经放大、A/D转换后以无线方式传输给电脑，数据采集程序由LabView编写，采样频率500 Hz。

实验开始后，先记录10 min的基线数据，然后向大鼠左后肢足底中心注射0.1 mL福尔马林溶液(浓度3%)以产生疼痛。 数据采集保持至注射后60 min。 数据采集完成后，选择500～600 nm 波段的光谱进行Δ[HbO]和Δ[Hb]的计算。 对采集的电信号，用MatLab编程进行分割，10 s为一时间段，计算每段数据β波频段(13～30 Hz)的功率强度。

1.4 血流动力学参数相对变化估算法

生物组织光学常用扩散近似模型研究光(包括近红外光)在生物组织中的传播，但当光源与探测器距离小于1 mm时，扩散模型是无效的。 Zonios等对这一问题提出了解析的反射模型，但需要经过严格的最小二乘拟合，耗时较长，限制了其在实时、随时间变化的测量中的使用[14-15]。 本文采用以下算法来估计氧合血红蛋白浓度[HbO]、脱氧血红蛋白浓度[Hb]和总血红蛋白浓度[HbT]的变化。 该算法基于修正的Beer-Lambert定律，假设水和除血红蛋白衍生物外的其他吸光色团不随时间变化，则可以通过下式将光强变化ΔOD(λ)与色团浓度的变化Δ[HbO]和Δ[Hb]联系起来。

(1)

原则上，两个波长点的数据就足够计算式(1)的两个未知量(Δ[HbO]和Δ[Hb])。 为了消除实验噪声，增加拟合精度，在500～595 nm范围内使用90个波长点来确定Δ[HbO]和Δ[Hb]的值，相邻波长点光谱分辨率约1 nm。 Δ[HbT]等于Δ[HbO]与Δ[Hb]的和。

图2 两种测量方法测得的Δ[HbO]和Δ[Hb]的比较Fig.2 Comparisons of Δ[HbO] and Δ[Hb] obtained by two methods

利用悬乳液和血液的混合液体模型进行以上算法的验证。 通过在液体模型中通氧气或氮气的方法来增加或减小氧饱和度，从而改变氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度。 在液体模型中放入本文所用光源-探测器小距离散射光谱采集系统的探头，采集模型的散射光谱后再按式(1)计算Δ[HbO]和Δ[Hb]。 同时，在模型中放入组织血氧仪探头(ISS Oximeter)，以组织血氧仪的测量值作为检验式(1)准确度的金标准。 实验在氧饱和度范围为20%～90%的14个数值点进行测量(氧饱和度20%为基准)，重复实验，使每个氧饱和度数值点都能获得10次采样。 两种测量方法测得的Δ[HbO]和Δ[Hb]的比较如图2所示。 式(1)中DPF取为常量20，其给出的计算结果与期望值误差最小。 经分析，式(1)计算值与标准值的相对误差为14%±5%。

2 结果与讨论

2.1 血流动力学参数相对变化

为了更好地显示前扣带回对福尔马林诱导的伤害感受所作出的区域性血液动力学反应，图3分别给出Δ[HbO]，Δ[Hb]和Δ[HbT]在注射前、后10 min的变化曲线(n=7，以平均值±标准偏差表示)。 图上仅显示小部分标准偏差线，以更好地显示曲线。 图中红色箭头处为注射的时间点。

图3 前扣带回血流动力学参数在注射前10 min和后10 min的变化(a)： 氧合血红蛋白浓度变化； (b)： 脱氧血红蛋白浓度变化； (c)： 总血红蛋白浓度变化Fig.3 Changes of hemodynamic parameters of ACC in 10minutes before and 10 minutes after the injection(a)： Δ[HbO]; (b)： Δ[Hb]; (c)： Δ[HbT]

图4所示为整个70 min内区域血流动力学参数的变化曲线。 再按每5 min为一段的方式将数据按时间分组到13个时段，统计分析注射后每一时间段与注射前两个时间段的差异，结果如图5所示, 图中#和∧表示该时间段的参数变化与注射前有显著性差异(p=0.05)。

图4 前扣带回血流动力学参数注射前10 min和注射后60 min的变化Fig.4 Changes of hemodynamic parameters of ACC in 10minutes before and 60 minutes after the injection

图5 每5 min时间段血流动力学参数变化差异性统计Fig.5 Statistics of the difference of hemodynamicparameters every 5 minutes

从图3、图4和图5可知，随着时间的推移，ACC区域的Δ[HbO]和Δ[Hb]均有显著的变化。 具体而言，Δ[HbO]在注射后先是显著增加，然后在10～20 min之间恢复到基线水平，之后为持续的单调下降。 反之，Δ[Hb]在注射后开始显著下降，在注射后10～20 min之间恢复到基线水平，随后持续单调增加。 与Δ[HbO]或Δ[Hb]不同，局部Δ[HbT]在注射后略增大，但没有显著性意义。

2.2 局部电信号功率变化

图6为β波频段(13～30 Hz)的功率强度与注射前10 min该频段功率强度平均值的比值变化曲线(n=7，以平均值±标准偏差表示)。 再以5 min为时间段，统计分析注射后每一时间段与注射前两个时间段的差异，结果如图7所示，图中*表示该时间段的功率比值与注射前有显著性差异(p=0.05)。

图6 局部电信号(13～30 Hz)功率比在注射前后的变化

图7 β波每5 min时间段功率谱数据差异性统计

从图6可知，注射福尔马林前，β波段的功率比值较平稳，变化范围小。 注射福尔马林后，功率比值呈现逐渐升高的趋势，在注射后约20分钟达到峰值，之后保持在峰值附近。 根据图6与图7，可以确认前扣带回在疼痛传导通路中产生响应，在注射后60 min内都处于功能激活状态。

2.3 讨论

有研究表明，与人类视觉、体感和运动刺激相关的皮质的血流动力学模式是[HbO]的增加伴随着[Hb]的减少。 但当受试者执行字谜任务时，在人类前额叶皮层中发现了一种相反的模式，即[HbO]减少伴随着[Hb]的增加。 因此，脑功能的血流动力学模式与脑区和所执行的任务相关。

根据ACC区域局部电信号功率变化曲线分析，注射福尔马林后，ACC区域即被激活，且持续时间可达数小时。 ACC中的神经元随着被激活而氧需求增加。 局部血管通过一系列潜在的作用对其作出反应： 通过动脉血管扩张提供更多的HbO，加快HbO的释氧速度，将Hb转移到小静脉，并加速Hb的转运。 因此，[HbO]增加，而[Hb]减少。 然而，福尔马林诱导的氧气需求持续数小时，局部血管将达到极限，无法进一步扩张，因此不能通过血管扩张和动脉血流入来维持[HbO]的增加。 [HbO]随着神经元持续的高耗氧而降低。 同时，局部血管的能力达到上限水平，不能有效地清除累积的血红蛋白，导致[Hb]增加。 本研究结果显示，在福尔马林注射后的最初阶段，区域[HbO]增加，同时[Hb]减少。 在注射后晚期，区域[HbO]减少，同时[Hb]增加。 这一结果与上述分析相吻合。

3 结 论

基于修正的Beer-Lambert定律，建立氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度变化与光源-探测器小距离探头所采集的散射光谱强度变化的关系式，计算结果经验证具有较高的准确性。 通过对大鼠后肢注慑福尔马林溶液使大鼠产生疼痛刺激，利用光源-探测器小距离探头获得散射光谱，在此基础上计算氧合血红蛋白浓度、脱氧血红蛋白浓度和总血红蛋白浓度的相对变化，分析核团激活期间血流动力学的响应模式，同时，利用微电极采集脑局部放电信号，经功率变化分析，确认大鼠前扣带回区域血流动力学参数在注射后的变化与该区域功能激活高度相关。 以上结果表明，基于光源-探测器小距离探头的局部散射光谱系统可有效地用于标记与疼痛处理相关的核团的功能激活和分析核团的神经-血管耦合机制，为利用小动物模型增进对疼痛相关的脑血管功能的了解和疼痛测量提供了一种有效的新方式。