马云菲，于莉娜，丁 鹏，张 冰，李英伟

(燕山大学 信息科学与工程学院，河北 秦皇岛 066004)

0 引言

缺血性卒中是指由于大脑的供血动脉(颈动脉和椎动脉)狭窄或闭塞、脑供血不足导致的脑组织坏死的总称，可以采用急诊再灌注治疗恢复灌注[1]。因此，迫切需要有效的灌注生物标志物来识别最有可能受益于再灌注治疗的患者。

低频振荡信号(Low-frequency oscillations,LFOs)为血液动力学参数的自发、缓慢变化，可在近红外光谱和功能性磁共振成像研究中观察到[2]，通常被解释为神经元活动的指示性变化[3-7]。然而，这些LFOs信号中有一部分是非神经元的，为了将它们与神经LFOs信号区分开来，我们将这些生理波动(～0.1 Hz)称为周身LFOs信号(Systemic low-frequency oscillations,sLFOs)。它们可以作为一种血管灌注标记物用于检测和监测循环功能障碍[8]。在健康受试者的研究中表明[9]，对称外周位置的sLFOs信号具有高度相关性，延迟接近于零，而非对称位置的sLFOs信号的相关系数低，时间延迟可达数秒。这表明sLFOs信号在健康人体内的传播具有对称性，其结果支持了sLFOs信号起源于心肺系统，并随血液传播到周身的假设。并且结果显示总是在健康人的耳垂首先检测到sLFOs信号，其次是手指，最后是脚趾[9]。这些研究结果为sLFOs信号应用于脑卒中的研究奠定了基础。

目前已经有研究使用NIRS识别缺血性脑卒中患者。Reinhard等人[10]使用NIRS测量单侧严重阻塞性颈动脉疾病患者，通过监测呼吸诱导的血流动力学参数(0.1Hz)发现其相位特征不同于健康人，其结果表明患者低频振荡信号相位的明显变化反映了自身调节紊乱。Hennerici等人[11]使用经颅多普勒超声测量大脑颈内动脉狭窄或闭塞患者的脑血流速度的自发振荡低于正常人。Messoud等人的研究[12]使用NIRS测量颈动脉闭塞疾病、脑灌注不足的患者和健康对照组，发现患者低频振荡信号的振幅低且相位偏移，其结果表明大脑皮质血管自发低频振荡是评估颈动脉疾病和脑卒中风险的有用工具。sLFOs信号可以作为血流“标签”，记录血液在传输过程中的变化。缺血性脑卒中患者可能存在多支血管栓塞，检测患者外周左右耳垂、食指和食趾的多个测量点sLFOs信号有利于系统研究。而且相比脑功能研究，人体外周位置没有头骨、毛发等多层散射介质，具有更加简单的组织结构，有利于光信号的穿透，具有更好的信噪比。

在之前的研究中[9]，sLFOs信号被认为起源于心脏/肺系统，并随着血液流动到周身位置，健康受试者体内的sLFOs信号呈现对称性传播。然而，缺血性卒中患者体内的sLFOs信号传播并不一定具备这种特点。脑卒中患者的血栓很可能扰动了sLFOs信号在人体内的传播规律，破坏了sLFOs信号在人体内的对称性传播。模糊聚类分析是一种无监督的聚类技术，已经有效地应用在大规模数据分析、数据挖掘、矢量量化、图像分割、模式识别等领域，然而模糊聚类很少被用于对健康人群和缺血性脑卒中患者的分类。本文采用模糊C均值聚类算法(FCM)对缺血性脑卒中患者与健康受试者sLFOs信号进行模糊聚类分析，并根据相关性系数以及时间延迟特征将受试者分为脑卒中患者和健康人。本研究的主要目的是探究sLFOs信号在缺血性脑卒中患者体内的传播特性，这些研究结果可用于评估脑卒中患者周身血管的完整性，证实sLFOs可以作为一种血管灌注标记物用于区分缺血性脑卒中患者和健康人，以及评估脑卒中患者的生理状态。

1 仪器与协议

为了能够同时采集缺血性脑卒中患者外周多个位置的sLFOs信号，本研究采用团队自主研发的多通道血氧监测仪进行实验。该仪器集血氧检测功能与特制的医用血氧探头于一体，能够精确地提取缺血性脑卒中患者外周多个位置的sLFOs信号。设备的原采样频率为512 Hz，经过下15倍采样确定最终采样频率为31.25 Hz。如图1(a)所示，本次研究招募缺血性脑卒中患者27例(年龄:44～90岁;男:20名;女:7名)。实验获得火箭军特色医学中心伦理委员会的批准，并且所有的缺血性脑卒中受试者在实验之前均签署了详细的知情同意书。

在实验之前，我们收集了所有缺血性脑卒中患者现有的既往病史以及医学影像，以便在后期对患者体内sLFOs信号的形成机理进行更加准确的分析和判断。由于缺血性脑卒中患者自身条件的限制，我们仅进行了静息状态实验。实验在一个光线昏暗的室内环境进行,室内温度25 ℃、相对湿度30%～40%、气压100 kPa。信号采集之前让受试者平躺于床上保持平静状态5 min，以减少测试前由于走动增加的心跳以及呼吸频率。待患者呼吸与心跳速率恢复到正常速率后，将医用血氧探头固定在受试者的左耳垂(LE)、右耳垂(RE)、左食指(LF)、右食指(RF)、左食趾(LT)、右食趾(RT)位置，采集受试者外周6个位置的sLFOs信号，实验时间持续600 s。

设备采集到的信号为穿过人体后的光强度变化信号，本研究采用朗伯-比尔定律将光信号转化为含氧血红蛋白浓度(CHbO)和无氧血红蛋白浓度(CHb)变化信号，计算公式可以表示为

(1)

式中，ε是摩尔消光系数，单位为M-1cm-1。λ1DPF和λ2DPF分别为在波长λ1和波长λ2下的差分路径因子。ΔOD为光强度的变化。提取ΔCHbO和ΔCHb信号后，通过巴特沃斯带通滤波器提取出频段范围在0.01～0.15 Hz的sLFOs信号。但是在数据采集的过程中，由于脑卒中患者神经损伤导致在数据采集的过程中出现不受控制的行为产生动作噪声，这种动作噪声主要分为两种，第一种为不受控制的震颤噪声，广泛存在于多个通道中(例如：四肢不受控制的抖动)；第二种为“异常峰值”噪声，少量存在于单个通道中(例如：患者突然摆头)。为了能够降低动作噪声对相关性分析造成的影响，本研究采用基于峰度值的小波分解算法以及三次样条插值算法分别滤除信号中的震颤噪声以及“异常峰值”噪声，得到更加纯净的sLFOs信号。NIRS信号产生的小波系数往往具有亚高斯(峰度<3)或高斯(峰度=3)的特征(反映没有离群值)。相比之下，噪声数据往往具有超高斯(峰度>3)特性(反映离群值的存在)。因此将分解的峰度值设置为3.3，数据允许的最小分解等级为3，最大的分解等级为10。为了进一步提升信号集的容错率，本研究首先将每位患者的600 s数据通过移动窗分成间隔为30 s的11段300 s数据：0～300 s,30～330 s,60～360 s,90～390 s,120～420 s,150～450 s,180～480 s,210～510 s,240～540 s,270～570 s,300～600 s。其次，将所有脑卒中患者不同位置的11段300 s数据组成一个新的数据集。最后通过计算信号的功率谱密度分析不同类型缺血性脑卒中患者不同测试点sLFOs信号的频域特性。通过皮尔逊互相关算法计算sLFOs信号的最大互相关系数(MCCC)以及时间延迟。根据血液在人体内循环一周的时间约为14.4 s，相关系数绝对值小于0.2时两个变量间不具备相关性[13]，我们将时间延迟的有效值限定在20 s以内，对应的相关性系数大于0.3[14]。

2 结果

2.1 缺血性脑卒中患者体内的sLFOs信号

在本研究中的27例缺血性脑卒中患者中，患者(ID:441265)已经被确诊为典型的多发性脑血管狭窄和脑梗死，患者(ID:2381760)被确诊为典型的患有外周血管疾病。本研究中已经收集了两位患者的CTA和MRI影像图，并且为了更加详细地分析缺血性脑卒中患者sLFOs信号以及机理，本研究还检测了患者的SaO2信号以及心跳速率。

患者(ID:441265)是颈动脉狭窄类型患者，该患者患有右颈内动脉狭窄和双侧颈外动脉狭窄，如图2(a)所示。该患者右颈内动脉和右颈外动脉狭窄，大脑右半球脑梗死(红色圆圈内)。患者左耳垂(LE)的SaO2是74.06%，右耳垂(RE)的SaO2为74.28%。该患者测量结果与75%的静脉血氧标准值相差较小，说明轻度栓塞并未明显降低血液中的血氧饱和度。患者左右耳垂脉搏率均为62.69 bpm，说明左右颈动脉栓塞的程度差异不大。如图2(b)所示，左侧和右侧耳垂(LE-RE) sLFOs的相关系数为0.63，小于健康受试者的值(0.78±0.15)[9]，在图2(c)和(d)中左右食指(LF-RF)和左右食趾(LT-RT)相关系数分别为0.78和0.79，接近健康受试者相关系数值，说明轻度栓塞对sLFOs信号的对称性影响较小，栓塞不仅作用于缺血性脑卒中患者局部位置，而且影响了周身其他位置的血液循环。

患者(ID:2381760)是患有外周血管疾病的缺血性脑卒中患者。如图2(e)所示该患者右胫前动脉中远端血流中断，而左胫前动脉基本正常。检测该患者左食趾(LT)和右食趾(RT)血氧饱和度分别为73.61%和73.64%，均低于健康受试者75%的标准水平[9]，表明栓塞降低了腿部血液中的血氧水平。如图2(f)中，sLFOs信号的左右耳垂(LE-RE)相关系数为0.32，远小于健康受试者的值(0.78±0.15)[9]，栓塞扰乱了sLFOs信号在人体内的对称性传播。同样的结果可以在图2(g)和(h)中观察到，左右食指(LF-RF)和左右食趾(LT-RT)的时间延迟分别为0.38 s和-3.04 s，对称位置的时间延迟存在显著性差异表明两个分支(向LT和向RT)的血液灌注不对称，即血流到达右食趾的时间超前于左食趾。

图2 脑卒中患者(#441265)和(#2381760)的CTA和脑MRI影像以及周身LFOs信号图Fig.2 Carotid CTA and MRI images and LFOs signal of stroke patients (#441265) and (#2381760)

2.2 sLFOs信号的相关系数和时间延迟

在之前健康人的研究中已经建立了sLFOs信号在人体对称位置和非对称位置健康受试者的相关系数和时间延迟的基线标准[9]。研究[14]发现，静息状态下，健康受试者身体对称末梢区域测试点测量的低频振荡信号基本对称，这些低频振荡信号在整个身体内传播到达身体的不同部位具有确定性的时间延迟。本研究统计了脑卒中患者外周位置的时间延迟和相关性系数，并采用秩和检验验证缺血性脑卒中患者与健康受试者的显著性差异。为了降低阳性结果的错误率，我们采用Benjamini-Hochberg方法对结果进行校正，使假阳性概率保持在0.05以下。

如图3(a)和(b)所示，缺血性脑卒中患者与健康受试者左右耳垂(LE-RE)、左右食指(LF-RF)的显著性差异(p<0.001)大于左右食趾(LT-RT)的显著性差异(p<0.01)。如图3(a)所示，缺血性脑卒中患者对称位置(LE-RE、LF-RF和LT-RT)的相关系数主要分布在0.45～0.68、0.7～0.9和0.75～0.95。患者非对称位置食指和食趾(F-T)之间的相关系数集中在0.5～0.8之间，RF-LT(p<0.05)和LF-RT(p<0.001)之间存在显著性差异。患者耳垂和手指(E-F)之间的相关系数集中在0.4～0.65之间，RE-RF与集中在0.35～0.5的健康受试者相比有显著性差异(p<0.01)。

如图3(c)和(d)所示，缺血性脑卒中患者对称位置(LE-RE、LF-RF、LT-RT)的时间延迟明显大于健康受试者(p<0.001)，健康受试者时延几乎为零。缺血性脑卒中患者与健康受试者在非对称位置(F-T,E-F)延迟时间上存在正、负差异。如图3(c)所示，当缺血性脑卒中受试者非对称位置的部分时延数据为正值时，健康受试者的延迟主要集中在0以下。

本研究通过秩和检验的方法提取缺血性脑卒中患者对称位置和非对称位置的MCCCs和时延特征的显著性差异，其中LT-RT MCCCs(p<0.01)和LF-RF MCCCs(p<0.001)差异显著。本研究采用模糊C均值聚类算法对上述两个具有显著差异的特征进行聚类以区分缺血性脑卒中患者和健康受试者。在图3(e)中可以看到脑卒中患者和健康人LT-RT的相关系数沿方程y=8.33x-5.83分为两类，在图3(f)中脑卒中患者和健康人LF-RF的相关系数沿方程y=8.33x-5.25分为两类。这种结果证明了sLFOs信号可以作为灌注生物标志物来区分缺血性脑卒中患者和健康受试者。

图3 sLFOs信号的相关系数和时间延迟的统计以及FCM聚类结果Fig.3 sLFOs correlation coefficients and time delays statistical and FCM clustering results

3 讨论

研究表明[9]，静息状态下健康受试者外周位置sLFOs信号的功率谱密度特征能够反映信号在不同频段的功率变化，其结果显示LE-RE的频谱主要集中在0～0.12 Hz，LF-RF和LT-RT的频谱主要集中在0～0.08 Hz(峰值出现在0.02 Hz附近)。本研究探讨了缺血性脑卒中患者周身sLFOs信号的功率谱密度(Power Spectral Density,PSD)特征。本研究对双侧颈内动脉狭窄、颈外动脉狭窄、下肢动脉狭窄的缺血性脑卒中患者的PSD进行了探究，如图4(a)、(b)和(c)所示。我们发现缺血性脑卒中患者对称位置尤其是耳垂位置的信号PSD重叠度很低，说明栓塞破坏了血液传输的对称性，破坏了身体两侧血液循环的平衡。耳垂的功率谱密度(0～0.1 Hz)宽度大于指尖和脚趾(0～0.08 Hz)的功率谱密度。对称耳垂的功率谱密度相似度普遍低于指尖和脚趾，说明耳垂可能包含更多的生理信息。

为了更加全面地探究LFOs信号频谱特点，我们计算了所有缺血性脑卒中患者左侧(L)和右侧(R)的功率谱密度，并进行加权平均，如图4(d)所示。LE-RE的平均功率谱密度宽度保持在0～0.1 Hz，并且高于LF-RF和LT-RT在0～0.08 Hz的平均功率谱密度。如图4(a)～(c)所示，缺血性脑卒中患者的频谱成分没有显著差异，证明了不同类型的脑卒中患者的频谱成分具有一致性。

图4 缺血性脑卒中患者的周身LFOs信号功率图Fig.4 Power spectral density of LFOs in the periphery of ischemic patients

通过对sLFOs信号传播特性的研究发现脑卒中患者周身对称位置并不呈现对称性传播。通过缺血性脑卒中患者的医学影像发现，由于血栓导致患者身体对称侧血管路径存在显著差异，这些血栓扰动了sLFOs信号在人体内的传播规律，破坏了sLFOs信号在人体内的对称性传播。这种破坏不仅限于局部，而且会对周身的血液循环产生影响。我们发现缺血性脑卒中患者对称位置的相关系数低于健康人，并且降低的程度与患者的病情有关，这在图2中得到了证实，sLFOs信号的相关性系数在一定程度上反映了患者的生理状态，为我们的假设提供了最有力的支持。研究中我们发现每位患者对称位置的sLFOs信号时间延迟明显不同，这可能与很多因素有关。例如，sLFOs信号随血液“移动”到身体不同位置时，其传输速度与血液黏度、血压等因素有关。血液中的血栓通过扰动血液传播规律，进而影响sLFOs信号的传输特性，如最大互相关系数和时间延迟，这些影响可能会增强或减弱对称外周位置sLFOs信号的相关系数和时间延迟，但这并不意味着sLFOs信号的传输速度快慢取决于病理。

本研究表明了sLFOs信号可以作为血管灌注标记物区分缺血性脑卒中和健康人，并在一定程度上反映了患者的生理状态，但是本研究还存在一定的局限性。首先，本研究的样本数量少，需要扩大样本数量来增加样本的容错率。其次，由于脑卒中患者生理条件的限制，仅进行了静息状态下的实验。更加深入地研究在任务状态下sLFOs信号的传播规律的深入研究，能够加深对sLFOs信号应用于脑卒中研究的理解。

4 结论

本研究通过计算缺血性脑卒中患者sLFOs信号的相关性系数及时延，结合模糊C均值聚类分析和脑卒中患者医学影像研究了sLFOs信号在脑卒中体内的传播特性和机理。研究结果支持假设sLFOs信号在缺血性脑卒中患者体内传播特性受血栓的干扰，sLFOs信号特征在一定程度上可以反映患者的生理状态。sLFOs信号可以作为有效的血管灌注生物标记物来区分缺血性脑卒中患者和健康人。sLFOs信号已被证明是评估缺血性脑卒中患者外周血液循环和血管完整性的有效和准确的工具。本研究为sLFOs信号作为灌注生物标志物应用于缺血性脑卒中研究提供了理论依据，而且表明了sLFOs信号对于缺血性脑卒中患者的临床研究有着广阔的应用前景和医疗价值。