大动脉狭窄闭塞患者的脑氧合血红蛋白震荡斜率与血管储备能力相关

01研究背景

侧支循环不良是大动脉狭窄闭塞患者发生脑梗（即脑灌注不足）的因素之一。在脑代谢状态不变的情况下，功能性近红外光谱成像可以在皮层微循环水平上提供局部脑氧合与血液动力学信息。例如NIRS所测量的HbO2就可以反应患者的脑灌注状态信息，不仅如此，NIRS所测得大脑HbO2信号的脉冲波与动脉脉冲波同相振荡。前人研究表明，脑微血管振荡所产生动脉脉冲波中振幅或相位偏移的变化与脑灌注受损或缺氧有关。因此，这种HbO2信号的振荡[ΔHbO2,0.6-2HZ]可以被视为脑微血管中血管适应性的脑自动调节的替代性指标（尤其在小动脉中）。这也就意味着对这种振荡信号的分析可以提供有关血管活动的信息。因为大动脉狭窄闭塞导致脑中局部灌注压降低，远端小动脉扩张以维持脑血流量和血红蛋白氧合，这种振荡信号中陡峭斜率的出现就意味着患者处于血管舒张/动脉僵硬或是血管并发症的状态。换言之，这种对HbO2变化（ΔhbO2）斜率的分析可以发现大动脉狭窄闭塞患者有无血管储存能力。因此，本研究假设来自fNIRS的信号斜率可以鉴别脑血流动力学衰竭的患者。

02研究方法

2.1、被试

前循环动脉（大脑前动脉、中脑动脉、颈内动脉）狭窄闭塞的36名患者（平均年龄=62.3，男性占61.1%）与36名健康对照组。使用磁共振血管造影，计算机断层扫描血管造影与常规血管造影评估患者的动脉狭窄程度。对照组是36名无任何脑血管疾病的被试。

2.2、实验目的

评估近红外数据信号斜率是否与被试血管储备能力相关。

2.3、数据采集与分析

脑血管储备能力评估：使用脑单光子发射计算机断层扫描（SPECT）评估脑灌注。在36名患者在21人接受了经颅多普勒超声检查并评估了搏动指数（PI）以评估大脑的血管适应性，PI=（收缩期流速-舒张期流速）/平均流速。

功能性近红外光谱测量：在所有被示中，用NIRST设备测量其仰卧状态下至少五分钟内的前额叶的fNIRS数据。数据采集设置如图一所示。使用波长为780nm与850nm的连续波，在Fs=8.138Hz的频率下对每个波长的光密度变化进行采样。

氧合血红蛋白数据处理：使用MATLAB进行数据处理，因为老年人前额体积相对较小，故为保持前额信号覆盖率选择使用16个通道（图1C所示）的数据。之后通过计算15秒静息态基线原始数据平均值与标准差见的对数比（SI=20·log10（mean/SD）db）来评估每个通道的信号完整程度。选择SI>30db的通道排除伪迹后进行下一步分析。用基于离散余弦变换的3Hz滤波器对其进行低通滤波以消除高频噪声获得脉冲振荡，使用MBLL提取HbO2浓度变化。对斜率的计算如图2（A,B）所示，即先将左右区域的HbO2信号平均以增强脉冲振荡完整性，之后通过对两个相邻ΔHbO2值进行时间微分获得ΔHbO2斜率，这反映每个采样点的脉冲陡度（图2C）。通过在代表ΔHbO2锐度的滑动窗口上提取局部值以获得ΔHbO2斜率值振荡中的上包络，将其分别平均与左右半球的单个代表性斜率中（图2D）。

统计数据分析：根据血管储备状态将患者分为两组，对例如年龄/初始NIHSS、斜率参数和PI值等连续数据使用Student’s t检验和Mann-Whitney U检验，对性别、冠状动脉病等使用皮尔斯卡方检验或费舍尔检验。对ΔHbO2振荡斜率值和对侧/同侧斜率进行Kruskal-wallis检验/单因素方差分析（血管储备力高/低/对照）。所有统计使用SPSS25.0进行。

图2.数据处理示意图

03实验结果

在这项研究中患者(n=36，平均年龄62.3岁；男性，61.1%)中，25例(69.4%)根据Diamox SPECT的标准有血管储备受损。狭窄闭塞血管位于大脑中动脉7例(19.4%)，颅内ICA 4例(11.1%)，颅外ICA 25例(69.4%)，两者所占比例相似(表1)。在血管危险因素方面，血管储备保存组与血管储备恶化组之间无明显性差异。对照组(n=36，男性，50.0%)与研究组(P=0.086)相比有年轻化趋势(平均年龄为55.5岁)。在这些患者中，33.3%(12/36)有急性缺血性卒中(症状出现后3天的中位数，IQR0.8-5.5)。然而，急性缺血性中风患者的比例在血管储备保留和恶化的患者中没有差异(分别为40.0%和18.2%，P=0.268，表1)。在急性缺血性卒中亚组中，血管储备恶化患者的初始NIHSS(中位数2.5，IQR0.75~12.75)略高于血管储备保留患者(中位数0，IQR0.0~0.0)(P=0.080)(表1)

表1. 研究人群的临床特征

ΔHbO2波斜率分析显示，狭窄侧ΔHbO2平均斜率为(5.01±2.14)，明显高于血管储备正常组(3.17±1.36，P=0.014)和对照组(3.82±1.69，P=0.019)(表2，图3，图4)。而血管储备正常组、血管储备减退组和对照组对侧ΔHbO2斜率差异无统计学意义(分别为3.62±1.24vs.3.73±1.52vs.4.31±2.10，P=0.357，ANOVA检验，表2)。患者与对照组的血管储备能力在同侧和对侧ΔHbO2斜率的SD值差异均无明显性(P=0.198，对侧分别为1.01±0.41vs.1.36±0.66vs.1.41±0.61；1.27±0.62vs.1.04±0.60vs.1.27±0.73，P=0.383，卡方检验和表2均为P=2.00)。结果显示，有、无血管储备的患者对侧HbO2斜率的SD值与对照组相比差异无统计学意义(P=0.383，P=0.41vs.1.36±0.66vs.1.41±0.61vs.1.41±0.61；1.27±0.62vs.1.04±0.60vs.1.27±0.73，P=0.383)。而血管储备减少的患者ΔHbO2的同侧/对侧斜率(1.44±0.62)明显高于血管储备完好者(0.93±0.33，P=0.016)和对照组(0.94±0.29，P=0.001)(表2和图4)。为了确定ΔHbO2斜率是否是大血管搏动性灌注的另类指标，对21例TCD患者的PI值进行了分析。而血管储备保存组与血管储备减退组的PI值在同侧(0.84±0.23vs.0.77±0.21vs.0.77±0.21vs.0.77±0.21，P=0.537)、对侧(0.83±0.25vs.0.83±0.23，P=1.000)、同侧与对侧PI比值(1.02±0.17vs.0.95±0.17vs.0.95±0.17，P=0.376)均无明显差异(表2)。

ΔHbO2波斜率分析显示，血管储备减少患者同侧ΔHbO2平均斜率(5·01±2·14)明显高于血管储备正常患者(3·17±1·36，P=0.014)。在急性缺血性卒中患者(n=12)中，血管储备保留的患者和血管储备恶化的患者对侧ΔHbO2的比率在统计学上没有差异，这可能是由于样本量较小的原因(表3)。在纳入的患者中，1名患者右侧近端颅外段颈内动脉严重狭窄，血管储备受损，接受了颈动脉支架置入术。分别在颈动脉支架置入前后测定ΔHbO2。支架置入前，同侧ΔHbO2平均斜率高于对侧(右/左6.90SD1.65/4.68[SD1.17]，同侧与对侧斜率比1.48，收缩压/舒张压/平均压130/79/96 mmHg)，差异有统计学意义(P<0.05)。颈动脉支架置入术前，平均HbO2斜率：同侧高于对侧(右/左6.90[SD1.65]/4.68[SD1.17]，同侧与对侧之比1.48，收缩压/舒张压/平均压130/79/96 mmHg)。然而，该患者在颈动脉支架置入术后，同侧与对侧的ΔHbO2斜率比降低(右/左7.76[SD2.08]/7.02[SD1.38]，同侧与对侧的斜率比1.11，SBP/DBP109/61/77 mmHg)，表明血管储备能力得到改善。随访Diamox SPECT显示支架置入侧血管储备能力明显改善。

表2. 脑灌注对氧合血红蛋白波斜率的影响

图3. 根据血管储备显示氧合血红蛋白波形

04结论

ΔHbO2信号的斜率可以提供前循环动脉严重狭窄闭塞患者的微血管灌注状态信息，且其斜率比可以成为脑血流动力学的新生物标志物。至于ΔHbO2信号斜率与脑微血管自动调节间的仍需进一步的大样本量研究。

05参考文献及DOI号

Kim, T. J. ,  Kim, J. M. ,  Park, S. H. ,  Choi, J. K. , &  Ko, S. B. . (2021). Author correction: the slope of cerebral oxyhemoglobin oscillation is associated with vascular reserve capacity in large artery steno-occlusion. Scientific Reports, 11(1), 15827. 

doi：10.1038/s41598-021-88198-4