通過fNIRS信號復雜度分析研究阿爾茨海默病記憶缺陷

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 研究背景

工作記憶缺陷是阿爾茨海默病 (AD) 的標志。自由和提示選擇性提醒測試 (free and cued selective reminding test, FCSRT) 是一項臨床測試，可量化 AD 診斷的記憶缺陷。通過神經影像學可以提高 FCSRT 的診斷準確性。由于測試需要醫患互動，因此腦部監測具有挑戰性。由于 fNIRS 的靈活性，功能性近紅外光譜 (fNIRS) 可能適合這一目的。本實驗研究了基于樣本熵和多尺度熵指標的 FCSRT 期間 fNIRS 信號的復雜性是否與 AD 早期的記憶缺陷相關。

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研究方法

2.1、實驗被試

研究共有22名有效被試，其中AD患者11人（女性4人，平均年齡72.2歲），健康對照組 11人（女性3人，平均年齡67.5歲）。

2.2、實驗材料

視覺刺激包含圖片刺激。

2.3、實驗流程

實驗任務由記憶階段開始：主試者將呈現 12 個選定的刺激圖形，在一張紙上一次顯示 4 個，每個象限 1 個圖形；在主試者口頭披露每個插圖的語義線索后，受試者需要指出并大聲提及每個插圖。接下去，受試者被要求在2分鐘內自由回憶物品（IFR）；主試者提醒受試者任何未提及的項目的語義線索 (ICR)。30 分鐘后，受試者必須執行非語言任務，再次進行相同的回憶程序[延遲自由回憶/延遲線索回憶（DFR / DCR）]。非語言測試是：時鐘繪制測試 (CDT)、數位跨度測試 (DST)、Corsi跨度測試 (CST)、試次制作測試 (TMT)（版本 A 和 B）、和 Benton 測試 (BT)。

圖1. 實驗任務流程。

2.4、數據采集與分析

實驗采用商業頻域近紅外光譜儀（Imagent，ISS Inc.，Champaign，Illinois）。該儀器由 32 個激光二極管光源、16 個發射 690 nm 的光和 16 個 830 nm 的光以及 4 個光電倍增管 (PMT) 組成。光調制頻率為 110 MHz，而 PMT 調制頻率為 110.005 MHz。在測試期間對源采用了時間復用（開關模式：16；采樣頻率：10 Hz）。探測器和源的分布見圖1。

圖1. 探測器和源的分布與命名。

采集后，檢查信號的質量以丟棄具有低信噪比的信道。通過目測檢查信號并評估 HbO 和 Hbb 之間的相關性；如果是正數，則通道將被丟棄。由于放置在前額上，所有通道都顯示出良好的頭皮耦合，因此所有參與者都沒有丟棄任何通道。預處理使用了 Homer2 NIRS 處理包。強度信號被轉換成光密度（optical density, OD）。運動偽影被識別為 1 秒內信號變化 > 標準偏差 (SD) 的 10%。這些偽影使用基于小波的校正算法進行校正。信號經過帶通濾波（三階巴特沃斯濾波器，截止頻率：0.01 至 0.4 Hz）以減少系統噪聲，例如心臟和呼吸頻率。然后，OD 信號通過修正的 Beer-Lambert 定律（差分光程因子 = 6）轉換為 HbO 和 Hbb 信號。

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實驗結果

樣本熵 (SampEn)和多尺度熵 (MSE)作為復雜性的度量。在RP和IFR期間，MSE在AD和健康對照組間沒有差別。在DFR時，AD組比健康對照組在channel15和channel18顯示出更高的MSE（圖2）。這兩個位置分別位于布羅德曼區9和46（圖3）。

圖2. MSE在channel15和channel18的兩組比較。

圖3. 顯示顯著差別的兩個channel在大腦皮層的位置。

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實驗結論

AD 患者在 BAs 9 和 46 的 DFR 階段表現出比健康對照更高的熵值。這些結果與 AD 可能以復雜功能網絡失調為特征的假設一致，并支持復雜性隨年齡變化的假設或生物系統疾病。

Perpetuini, D., Bucco, R., Zito, M. and Merla, A., 2017. Study of memory deficit in Alzheimer’s disease by means of complexity analysis of fNIRS signal. Neurophotonics, 5(1), pp.011010-1-8.

DOI: 10.1117/1.NPh.5.1.011010