吳敏，胡高峰，姚文坡，干振華，徐達(dá)軍，黃亞萍，汪長(zhǎng)嶺

1.南京軍區(qū)南京總醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，江蘇 南京 210002；2.南京醫(yī)科大學(xué)康達(dá)學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)工程系，江蘇 南京210029

近紅外光譜在醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面的最新進(jìn)展

吳敏1，胡高峰2，姚文坡1，干振華1，徐達(dá)軍1，黃亞萍1，汪長(zhǎng)嶺1

1.南京軍區(qū)南京總醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，江蘇 南京 210002；2.南京醫(yī)科大學(xué)康達(dá)學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)工程系，江蘇 南京210029

近紅外光譜（Near Infrared Spectrum Instrument，NIRS）是一種介于可見(jiàn)光和中紅外光之間的電磁輻射波。使用NIRS技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，具有方便、快捷、高效、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，因此它在多個(gè)領(lǐng)域尤其是在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域扮演著重要角色。本文首先對(duì)NIRS技術(shù)的基本概念和發(fā)展歷史做了簡(jiǎn)單介紹；其次，論述了NIRS技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用，以及近年來(lái)該技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r。探討了NIRS技術(shù)在離體檢測(cè)、臨床醫(yī)學(xué)、麻醉深度監(jiān)測(cè)以及新生兒腦組織氧檢測(cè)等方面的應(yīng)用。文章的最后，對(duì)NIRS技術(shù)的未來(lái)應(yīng)用方向進(jìn)行了簡(jiǎn)單討論。

近紅外光譜；離體檢測(cè)；局部腦氧飽和度；腦功能成像；認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)

引言

1800年，Herschel在進(jìn)行太陽(yáng)光譜可見(jiàn)區(qū)紅外部分能量測(cè)量時(shí)，發(fā)現(xiàn)了近紅外光譜（Near Infrared Spectrum Instrument，NIRS），上世紀(jì)30年代，紅外光譜分析技術(shù)作為一種有用的分析手段開(kāi)始得到認(rèn)可。隨著紅外儀器技術(shù)的發(fā)展，近紅外光譜區(qū)作為一段單獨(dú)的，且具有獨(dú)特信息特點(diǎn)的譜區(qū)得到了人們的重視，并有了新的發(fā)展。

上世紀(jì)60年代，NIRS技術(shù)發(fā)展創(chuàng)始人Norris帶領(lǐng)的課題組進(jìn)行了大量光譜學(xué)方法的論證，這為后來(lái)NIRS分析儀器的發(fā)展提供了基礎(chǔ)。Jobsis最先利用NIRS技術(shù)獲得了腦組織的血氧參數(shù)信息，但是該方法的空間分辨率不夠高，后來(lái)，Rostrup和Masak通過(guò)點(diǎn)陣排列近紅外光纖探頭，并結(jié)合磁共振等技術(shù)，實(shí)施圖像匹配，提高了NIRS技術(shù)的分辨率。Kawalski和他的研究生們最先將偏最小二乘回歸技術(shù)應(yīng)用到光譜學(xué)技術(shù)中，但直到最近幾年，偏最小二乘回歸技術(shù)才在近紅外分析技術(shù)中得以應(yīng)用和推廣。NIRS分析技術(shù)歷經(jīng)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，已經(jīng)成為新世紀(jì)最有應(yīng)用前途的分析技術(shù)之一[1]。

1 NIRS的離體檢測(cè)

1.1 NIRS在中藥學(xué)方面的應(yīng)用

近紅外光的光譜信息來(lái)源于分子內(nèi)部振動(dòng)的倍頻與合頻，主要反映的是分子中C-H、N-H與O-H基團(tuán)的倍頻與合頻振動(dòng)吸收，因此近紅外光常被用來(lái)測(cè)定含有這些基團(tuán)的有機(jī)物。該檢測(cè)技術(shù)具有分析速度快、效率高、成本低等特點(diǎn)，由于在檢測(cè)過(guò)程中不需要對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理，所以NIRS技術(shù)能夠做到對(duì)樣品的無(wú)損檢測(cè)，有利于實(shí)現(xiàn)在線分析。近年來(lái)，NIRS技術(shù)在中藥材的鑒定（品種分類(lèi)、中藥真?zhèn)舞b別、藥材產(chǎn)地分析）、中藥成分摻假檢測(cè)、生產(chǎn)過(guò)程分析以及中藥制劑的快速檢測(cè)方面有著廣泛應(yīng)用[2]，NIRS分析技術(shù)的推廣對(duì)中藥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有很大的影響。但是，由于NIRS分析技術(shù)并不是一種直接分析技術(shù)，其準(zhǔn)確性依賴于分析過(guò)程中所建立的定性識(shí)別模型和定量分析模型，而基于少量樣品建立的模型在實(shí)際應(yīng)用中難以推廣，因此需要投入大量的人力、物力、財(cái)力建立一個(gè)比較準(zhǔn)確的模型。

1.2 NIRS在人體體液分析中的應(yīng)用

NIRS檢測(cè)具有無(wú)創(chuàng)的特點(diǎn)，因此可以用于人體體液成分的分析。賴昭勝等[3]通過(guò)偏最小二乘回歸技術(shù)結(jié)合一階導(dǎo)數(shù)激光譜法，利用NIRS測(cè)試分析了尿液中葡萄糖的濃度。研究表明，測(cè)定結(jié)果線性關(guān)系顯著，預(yù)測(cè)的結(jié)果較為理想，NIRS技術(shù)能夠?yàn)槟蛱菣z測(cè)提供一種快速分析的手段。劉騫[4]通過(guò)NIRS，結(jié)合MATLAB軟件，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行建模，進(jìn)行適當(dāng)?shù)臉颖緮?shù)據(jù)訓(xùn)練后，最終預(yù)測(cè)了人體血液酒精含量，這一結(jié)果對(duì)于利用近紅外動(dòng)態(tài)光譜法進(jìn)行人體酒精含量檢測(cè)具有一定的積極意義。

2 NIRS在臨床醫(yī)學(xué)的應(yīng)用

2.1 NIRS在血液成分無(wú)創(chuàng)檢測(cè)中的應(yīng)用

血液成分無(wú)創(chuàng)檢測(cè)具有安全、快速、低成本和無(wú)污染等特點(diǎn)，它對(duì)改進(jìn)現(xiàn)代檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)和提高人民生活質(zhì)量均有著重要意義。但到目前為止，僅有血氧、血紅蛋白兩項(xiàng)指標(biāo)在臨床上實(shí)現(xiàn)了無(wú)創(chuàng)檢測(cè)[5]，其余血液參數(shù)尚沒(méi)有通過(guò)FDA認(rèn)證的可用于臨床無(wú)創(chuàng)檢測(cè)的方法和設(shè)備，血液成分無(wú)創(chuàng)檢測(cè)依舊是世界醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題之一。近紅外光對(duì)組織和體液具有良好的穿透性[6]，通過(guò)檢測(cè)攜帶血液信息的NIRS，可以間接的分析出血液中多種成分的含量信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)檢測(cè)。

20世紀(jì)70年代，Kaiser[7]開(kāi)始嘗試用光學(xué)方法測(cè)量人體成分，但直到1987年，使用NIRS測(cè)量人體血糖的方法首次被提出，無(wú)創(chuàng)傷血糖測(cè)量法才開(kāi)始被研究人員所關(guān)注[8]。該測(cè)量方法的原理如下：葡萄糖是血液中主要的糖類(lèi)，醫(yī)學(xué)上稱(chēng)為血糖，它包含多個(gè)羥基和甲基，這些羥基和甲基能在近紅外光下產(chǎn)生吸收近紅外光的含氫官能團(tuán)，使用NIRS分析技術(shù)和化學(xué)計(jì)量學(xué)方法處理這些光信息，建立預(yù)測(cè)模型，從而計(jì)算血糖濃度[9]。

天津大學(xué)徐可欣教授課題組在NIRS無(wú)創(chuàng)檢測(cè)領(lǐng)域做了大量的基礎(chǔ)性研究，提出浮動(dòng)基準(zhǔn)法無(wú)創(chuàng)血液成分檢測(cè)理論，并以手指指腹為測(cè)量位置，針對(duì)血糖和血紅蛋白濃度進(jìn)行了多次臨床采集，提高了無(wú)創(chuàng)檢測(cè)精度。王慧泉等[10]基于動(dòng)態(tài)光譜理論，提出了使用有效波長(zhǎng)數(shù)作為數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并通過(guò)臨床實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。臨床實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用有效波長(zhǎng)數(shù)質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)后，血紅蛋白、血糖和總膽固醇濃度的預(yù)測(cè)誤差分別從5.4%、15.8%和13.8%降低到2.1%、6.5%和6.5%，驗(yàn)證了在臨床上采用該質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)提高血液成分無(wú)創(chuàng)檢測(cè)精度的有效性。目前，近紅外反射光譜技術(shù)主要集中應(yīng)用于組織液內(nèi)成分含量的檢測(cè)，通過(guò)一個(gè)成分傳遞延遲模型，可以大致推測(cè)出血液內(nèi)成分的含量。郭嘉[11]設(shè)計(jì)的可編程多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，大大提高了血液無(wú)創(chuàng)檢測(cè)數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)乃俣取?/p>

2.2 功能NIRS在麻醉深度監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

在臨床手術(shù)中，監(jiān)測(cè)麻醉深度是保證麻醉質(zhì)量和手術(shù)安全的重要方法。功能NIRS分析技術(shù)作為NIRS分析技術(shù)的延伸，具有非侵入式的特點(diǎn)，能夠用于手術(shù)中麻醉深度的監(jiān)測(cè)。

通過(guò)時(shí)域或時(shí)間分辨系統(tǒng)、頻域或相位解析系統(tǒng)、連續(xù)光系統(tǒng)或恒穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)3種已經(jīng)比較成熟的技術(shù)手段，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)腦部功能的檢測(cè)。功能NIRS分析技術(shù)是否可以準(zhǔn)確的反應(yīng)腦部神經(jīng)的功能性活動(dòng)，以及該技術(shù)所提供的腦部神經(jīng)活動(dòng)的信息是否可以用來(lái)表示手術(shù)麻醉深度狀態(tài)，是利用功能NIRS分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)麻醉深度檢測(cè)需要解決的兩個(gè)主要問(wèn)題[12]。

Niederhauser等[13]證明了，當(dāng)外周神經(jīng)受到刺激時(shí)，可以通過(guò)功能性NIRS分析技術(shù)的局部皮層電信號(hào)和腦部血氧濃度變化信號(hào)來(lái)感應(yīng)腦部軀體皮層的活動(dòng)狀態(tài)，從而進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，然而試驗(yàn)條件下獲得的血液動(dòng)力學(xué)變化反應(yīng)，并不能夠應(yīng)用于臨床診斷。Leff等[14]通過(guò)系統(tǒng)的整理，并分析近些年來(lái)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)得出，雖然實(shí)驗(yàn)采用的運(yùn)動(dòng)刺激方式、功能NIRS分析儀器和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等不盡相同，但均得出了類(lèi)似的試驗(yàn)結(jié)果，這證明了功能性NIRS分析技術(shù)能夠有效監(jiān)測(cè)腦皮質(zhì)層的運(yùn)動(dòng)反射神經(jīng)活動(dòng)，且監(jiān)測(cè)信號(hào)具有特異性。

臨床手術(shù)中使用的麻醉藥物與手段有很多種，因此需要對(duì)功能性NIRS分析技術(shù)的信號(hào)與麻醉藥物的相關(guān)性進(jìn)行驗(yàn)證。Jinnouchi等[15]證明了，在實(shí)際臨床手術(shù)復(fù)合式麻醉?xiàng)l件下，NIRS的HbO2信號(hào)與麻醉狀態(tài)有關(guān)。Naguib等[16]通過(guò)對(duì)病患進(jìn)行意識(shí)水平測(cè)試，證明了功能性NIRS分析技術(shù)信號(hào)變化與腦電雙頻指數(shù)變化有關(guān)。

目前，功能NIRS分析技術(shù)用于麻醉深度監(jiān)測(cè)的可能途徑，是利用功能NIRS技術(shù)監(jiān)測(cè)麻醉深度和現(xiàn)有麻醉深度監(jiān)測(cè)技術(shù)的信息融合方法[17]，對(duì)功能NIRS分析技術(shù)進(jìn)行獨(dú)立的開(kāi)創(chuàng)性麻醉深度監(jiān)測(cè)研究?，F(xiàn)階段，在臨床手術(shù)中，腦電檢測(cè)的相關(guān)技術(shù)在麻醉深度檢測(cè)中仍占主導(dǎo)地位，在今后的發(fā)展中，功能性NIRS分析技術(shù)與現(xiàn)有麻醉深度監(jiān)測(cè)技術(shù)信息融合將為術(shù)中麻醉深度監(jiān)測(cè)提供更為有益的條件。

2.3 NIRS技術(shù)在新生兒腦組織氧檢測(cè)中的應(yīng)用

1977年，NIRS技術(shù)在新生兒腦組織氧檢測(cè)方面得到應(yīng)用。J?bsis首先使用NIRS技術(shù)對(duì)腦組織氧代謝進(jìn)行監(jiān)測(cè)，隨后，該技術(shù)被應(yīng)用到危重新生兒的監(jiān)測(cè)，并與心率、呼吸監(jiān)測(cè)同步進(jìn)行，觀察新生兒驚厥發(fā)作、呼吸暫停等病理狀態(tài)下腦組織氧的變化。除此之外，該技術(shù)還被用來(lái)對(duì)新生兒特殊治療時(shí)腦組織氧代謝變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如使用消炎痛、氨茶堿治療時(shí)腦組織氧的變化。也有部分學(xué)者使用NIRS對(duì)早產(chǎn)兒腦血流變化進(jìn)行研究，目前該技術(shù)在多個(gè)國(guó)家的新生兒臨床監(jiān)測(cè)中得以運(yùn)用，并且主要是運(yùn)用在NICU中。

為了進(jìn)一步探討NIRS在新生兒臨床應(yīng)用中的價(jià)值，1994年，北京大學(xué)第一醫(yī)院兒科新生兒專(zhuān)業(yè)與清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系合作，在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)以及其他學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了新生兒腦組織氧檢測(cè)的應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)研究[18-19]。通過(guò)新生動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了NIRS測(cè)定儀對(duì)腦組織氧檢測(cè)的敏感性。

2007年，北京大學(xué)第一醫(yī)院兒科牽頭進(jìn)行了全國(guó)9家醫(yī)院多中心研究，通過(guò)對(duì)480例健康足月兒的檢測(cè)，獲得腦組織氧飽和度（Regional Oxygen Saturation，rSO2）參考范圍為（62±2）%，以低于兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差（即58%）作為腦組織缺氧標(biāo)準(zhǔn)。腦rSO2與SpO2及SaO2呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r分別為0.72和0.74。腦組織氧的變化受到多種機(jī)制的調(diào)節(jié)與影響，分析檢測(cè)資料可見(jiàn)，呼吸系統(tǒng)疾病時(shí)，腦氧合正常；循環(huán)系統(tǒng)疾病時(shí)，腦rSO2與心率變化相關(guān)聯(lián)，大腦前動(dòng)脈平均血流速度開(kāi)始代償性增高，腦損傷開(kāi)始出現(xiàn)。

深圳學(xué)者利用NIRS，對(duì)出生后的宮內(nèi)窘迫新生兒隨即進(jìn)行腦組織氧檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)最終發(fā)展為缺氧缺血性腦病的患兒，產(chǎn)程中胎頭顯露時(shí)及出生后5 min兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)腦組織rSO2分別為（36.6±5.0）%和（52.0±4.2）%，而僅存在宮內(nèi)窘迫、未發(fā)展為缺氧缺血性的新生兒同時(shí)間點(diǎn)腦組織rSO2分別為（44.1±3.1）%和（57.6±3.5）%，且腦組織rSO2與臍動(dòng)脈血?dú)鈖H值、SaO2間呈良好正相關(guān)關(guān)系[20]。

NIRS技術(shù)在窒息新生兒腦氧檢測(cè)方面也有著一定應(yīng)用，其應(yīng)用對(duì)及早發(fā)現(xiàn)腦損傷，指導(dǎo)臨床早期干預(yù)，改善窒息新生兒的預(yù)后起著一定的積極作用。羅佩施等[21]將108例足月窒息新生兒分為NIRS組（n=54）和對(duì)照組（n=54），并對(duì)所有患兒進(jìn)行窒息復(fù)蘇后的常規(guī)護(hù)理。對(duì)NIRS組進(jìn)行出生后6、12、24、72 h的腦組織氧飽和度檢測(cè)，對(duì)對(duì)照組在上述時(shí)間進(jìn)行脈搏氧飽和度檢測(cè)。將兩組患者腦氧檢測(cè)情況進(jìn)行比較，并且與72 h CT檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較。通過(guò)比較分析發(fā)現(xiàn)，所有患兒監(jiān)護(hù)過(guò)程中均沒(méi)有明顯腦干癥狀出現(xiàn)。通過(guò)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析總結(jié)，得出NIRS檢測(cè)的敏感度、特異度和準(zhǔn)確度均高于SpO2檢測(cè)。

2.4 NIRS技術(shù)在神經(jīng)外科患者腦氧監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用

繼發(fā)性腦缺氧是顱腦創(chuàng)傷后病情加重甚至死亡的主要原因，也是影響患者預(yù)后的重要因素之一。Kampfl等[22]依據(jù)顱內(nèi)壓（Intracranial Pressure，ICP）<25 mmHg和>25 mmHg的標(biāo)準(zhǔn)，將65例重型顱腦外傷患者分為A、B兩組，結(jié)果發(fā)現(xiàn)B組的rSO2顯著低于A組，而且在給予一段時(shí)間的高流量氧吸入后，A組rSO2有顯著增高，B組則未觀察到該變化，提示ICP與rSO2之間呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。一般認(rèn)為，顱腦外傷后腦灌注壓應(yīng)維持在60～70 mmHg以上，否則腦的灌注將受到明顯影響。Dunham等[23]對(duì)4例重型顱腦創(chuàng)傷患者進(jìn)行了持續(xù)6 d的腦氧飽和度和腦灌注壓監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)腦氧飽和度和腦灌注壓顯著相關(guān)，當(dāng)腦氧飽和度下降至55%以下時(shí)，68.2%的時(shí)間腦灌注壓<70 mmHg，這表示腦灌注不足，以上結(jié)果表明即使腦灌注壓>70 mmHg，仍有可能存在腦缺氧（rSO2﹤55%）。然而，當(dāng)腦灌注壓>70 mmHg時(shí)，96.4%的時(shí)間rSO2值>75%，這表示當(dāng)大腦氧飽和度值>75%時(shí)，醫(yī)務(wù)人員可推測(cè)腦灌注壓在正常范圍內(nèi)，無(wú)須再進(jìn)行有創(chuàng)的灌注壓監(jiān)測(cè)。這一研究表明，NIRS可以在神經(jīng)外科患者腦氧監(jiān)測(cè)中成為替代顱內(nèi)壓監(jiān)測(cè)的無(wú)創(chuàng)監(jiān)測(cè)方法。

在腦血管疾病治療中，NIRS對(duì)腦氧監(jiān)測(cè)更具靈敏性。Zweifel等[24]發(fā)現(xiàn)rSO2升高與血管痙攣緩解、臨床癥狀改善相一致，通過(guò)動(dòng)脈成像觀察到動(dòng)脈痙攣與同側(cè)的rSO2下降顯著相關(guān)，而且痙攣程度增加（尤其是血管直徑減少75%以上時(shí)），則同側(cè)rSO2大幅降低，表明NIRS可以同步檢測(cè)到繼發(fā)于血管痙攣的腦氧降低，且具有很高的靈敏性；McCormick等[25]讓7名自愿受試者吸入低氧濃度混合氣體（FiO2=7%），造成短暫性缺氧，同時(shí)嚴(yán)密監(jiān)測(cè)EEG、SaO2、SpO2、rSO2各項(xiàng)指標(biāo)變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，腦血氧飽和度的下降與吸入氧濃度的改變幾乎同時(shí)發(fā)生，甚至與EEG產(chǎn)生變化時(shí)間相比，rSO2下降提早了約2 min，這證明NIRS監(jiān)測(cè)技術(shù)更具靈敏性，它能在其它監(jiān)測(cè)參數(shù)尚在正常范圍時(shí)便能更早地檢測(cè)出腦缺氧。Taussky等[26]對(duì)1287例患者（包括蛛網(wǎng)膜下腔出血、缺血性腦卒中、腦出血）同時(shí)使用NIRS和CT灌注成像技術(shù)，分別檢測(cè)患者腦氧飽和度和局部腦血流量，發(fā)現(xiàn)兩者之間具有良好相關(guān)性，表明NIRS可作為一種有效的、非侵入的、可在重癥監(jiān)護(hù)病房床旁實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的腦氧監(jiān)測(cè)手段。

對(duì)于腫瘤的臨床治療來(lái)說(shuō)，早發(fā)現(xiàn)意味著臨床醫(yī)生將有更多的時(shí)間挽救患者生命。目前除了核磁共振功能成像技術(shù)之外，NIRS一樣能夠通過(guò)血氧水平依賴法實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)實(shí)時(shí)腦功能區(qū)監(jiān)測(cè)。Fujiwara等[27]使用NIRS及功能核磁技術(shù)同時(shí)監(jiān)測(cè)腦腫瘤患者瘤周皮層時(shí)發(fā)現(xiàn)，受腫瘤病灶影響，瘤周腦功能區(qū)激活時(shí)血紅蛋白濃度變化模式異常，單用功能核磁技術(shù)不能準(zhǔn)確定位腦功能區(qū)，容易造成假陰性錯(cuò)誤。與功能核磁技術(shù)相比，NIRS技術(shù)具有更高的時(shí)間分辨率、更自由的應(yīng)用環(huán)境、更少的患者活動(dòng)限制以及更低廉的應(yīng)用成本。更重要的是，相較于功能核磁技術(shù)僅僅監(jiān)測(cè)脫氧血紅蛋白濃度的局限性，NIRS可同時(shí)監(jiān)測(cè)脫氧血紅蛋白和氧合血紅蛋白，如果將NIRS技術(shù)和功能核磁技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合應(yīng)用，則可大大降低功能核磁監(jiān)測(cè)的假陰性錯(cuò)誤發(fā)生率[28]。此外，NIRS技術(shù)不僅可對(duì)腦功能區(qū)進(jìn)行定位，同時(shí)可通過(guò)監(jiān)測(cè)腫瘤血氧飽和度特征直接進(jìn)行腫瘤輔助識(shí)別[29]。

2.5 NIRS技術(shù)在高級(jí)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究中的應(yīng)用

NIRS技術(shù)在工作記憶研究、自然情境下認(rèn)知過(guò)程研究、發(fā)展性閱讀障礙研究中都有著一定的應(yīng)用[30]。如華中科技大學(xué)生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，采用言語(yǔ)性n-back作業(yè)范式，監(jiān)測(cè)被試在執(zhí)行言語(yǔ)性n-back任務(wù)時(shí)前額葉皮層的激活情況，并分析被試的行為表現(xiàn)及腦激活數(shù)據(jù)。通過(guò)結(jié)合自主研制的3波長(zhǎng)近紅外腦功能光學(xué)成像系統(tǒng)，考察被試行為表現(xiàn)及前額葉的工作記憶負(fù)荷效應(yīng)，進(jìn)而研究較高記憶任務(wù)條件下，被試前額葉腦區(qū)激活情況對(duì)其行為表現(xiàn)的影響，研究結(jié)果表明，被試前額葉的工作記憶負(fù)荷效應(yīng)顯著[31]。

與其他腦成像技術(shù)相比，NIRS技術(shù)腦成像受動(dòng)作影響不明顯，且具有便攜性，因此適用于研究自然情況下認(rèn)知過(guò)程的神經(jīng)機(jī)制。近年來(lái)，便攜式和非損傷性NIRS技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)逐漸成熟，這為研究自然環(huán)境下的腦認(rèn)知活動(dòng)提供了有效的途徑[32]。隨著NIRS技術(shù)的普遍應(yīng)用，日常生活狀態(tài)下人們認(rèn)知過(guò)程的神經(jīng)機(jī)制，將逐漸能被腦功能成像的結(jié)果所解釋[33]。對(duì)于發(fā)展性閱讀障礙，研究者通過(guò)功能性NIRS分析技術(shù)設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)范式，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果為閱讀障礙的神經(jīng)生理學(xué)研究提供了可靠證據(jù)。

除此之外，可利用NIRS進(jìn)行腦功能連接評(píng)估。近些年研究發(fā)現(xiàn)，不論是成年人還是新生兒，在靜息狀態(tài)下，利用NIRS技術(shù)均己經(jīng)發(fā)現(xiàn)了較強(qiáng)的腦功能連接特性。NIRS技術(shù)具有高時(shí)間分辨率的特點(diǎn)，能夠通過(guò)分析不同腦區(qū)信號(hào)的相位一致性關(guān)系，來(lái)揭示兩組信號(hào)在不同腦區(qū)的時(shí)間關(guān)系。在多通道NIRS技術(shù)和相應(yīng)設(shè)備的普及與發(fā)展下，該項(xiàng)技術(shù)已不僅僅局限于測(cè)量局部腦組織中氧合血紅蛋白濃度的變化，而是將多通道檢測(cè)裝置同時(shí)使用，測(cè)量不同區(qū)域的腦組織信號(hào)實(shí)時(shí)變化情況，并分析多個(gè)區(qū)域之間的相互作用關(guān)系，由此提出了基于NIRS技術(shù)檢測(cè)腦功能連接[34]。

2.6 NIRS技術(shù)在脊椎外科手術(shù)導(dǎo)航路徑參數(shù)研究中的應(yīng)用

NIRS技術(shù)可用于外科手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)。脊柱外科手術(shù)中椎弓根螺釘?shù)臏?zhǔn)確植入是脊柱手術(shù)成功的關(guān)鍵，但在椎弓根周?chē)植贾S多重要血管和神經(jīng)，在手術(shù)過(guò)程中的進(jìn)釘路徑如果出現(xiàn)偏差，將導(dǎo)致螺釘?shù)恼`植或植入位置不佳，極易產(chǎn)生神經(jīng)、血管或臟器損傷等并發(fā)癥椎，因此椎弓根螺釘植入手術(shù)需要在椎體上確定最佳植入路徑。可靠的術(shù)中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)有助于椎弓根螺釘?shù)臏?zhǔn)確植入，南京航空航天大學(xué)的錢(qián)志余課題組，以豬椎骨為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，將NIRS技術(shù)引入脊椎外科手術(shù)椎弓根螺釘植入的監(jiān)測(cè)過(guò)程，利用近紅外光對(duì)生物組織結(jié)構(gòu)與功能信息的敏感性，有效識(shí)別骨膜、骨髓、肌肉、骨組織等不同生物組織，這為脊椎外科手術(shù)導(dǎo)航過(guò)程提供了重要的參考依據(jù)[35]。

3 NIRS技術(shù)的未來(lái)應(yīng)用

由于NIRS技術(shù)具有快速、無(wú)損、無(wú)試劑分析、安全、效率高、成本低等特點(diǎn)，所以它已經(jīng)成為有效和最有前途的分析技術(shù)之一[36]。目前，盡管NIRS分析技術(shù)在已有領(lǐng)域的應(yīng)用還存在不足，但是其未來(lái)的發(fā)展將會(huì)愈加成熟。NIRS分析技術(shù)在腦功能與認(rèn)知科學(xué)研究領(lǐng)域的發(fā)展是最快的，如在認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)感知和運(yùn)動(dòng)等方面的發(fā)展；在臨床醫(yī)學(xué)方面，NIRS分析技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于癲癇、抑郁、阿爾茨海默氏癥等疾病的研究和臨床治療中。另外，在軍事領(lǐng)域也開(kāi)始使用NIRS技術(shù)。

根據(jù)NIRS的特點(diǎn)，通過(guò)Lambert定律可以實(shí)現(xiàn)近紅外體腔出血檢測(cè)及其裝備的研制。NIRS作為最有發(fā)展前景的技術(shù)之一，未來(lái)也將會(huì)大量的應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷、檢查、治療、保健等方面。為了提高NIRS分析技術(shù)的效率，NIRS應(yīng)與現(xiàn)有的檢查分析技術(shù)相融合，以確保檢查結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性。

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本文編輯 劉峰

Latest Development of Near Infrared Spectroscopy in Medical Applications

WU Min1, HU Gao-feng2, YAO Wen-po1, GAN Zhen-hua1, XU Da-jun1, HUANG Ya-ping1, WANG Chang-ling1
1. Department of Medical Engineering, Nanjing General Hospital of Nanjing Military Command, Nanjing Jiangsu 210002, China; 2. Department of Medical Engineering, Kangda College of Nanjing Medical University, Nanjing Jiangsu 210029, China

Near infrared spectroscopy (NIRS) is a kind of electromagnetic radiation wave between the visible and Infrared. NIRS is convenient, quick, efficient and accurate when it was used in medical tests. As a result, NIRS is widely used in multiple fields, especially medicine. NIRS technology was introduced from 3 aspects in this article. Firstly, the basic concepts and development history of NIRS technology were briefly introduced. Secondly, the application and development status at home and abroad of NIRS technology in medicine field was elaborated. NIRS technology could be applied to many aspects of medical tests, such as in vitro test, clinical medicine, depth of anesthesia monitoring, neonatal brain tissue oxygen detection and so on. Finally, the application direction of NIRS technology in the future was simply discussed.

near infrared spectroscopy; in vitro tests; regional cerebral oxygen saturation; functional brain imaging; cognitive neuroscience

R312

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.06.029

1674-1633(2017)06-0109-05

2016-05-26

2016-12-23

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（81201161）；南京軍區(qū)醫(yī)藥衛(wèi)生科研基金課題（15MS129）。

干振華，副主任醫(yī)師，主要研究方向?yàn)獒t(yī)療設(shè)備的使用管理及衛(wèi)勤管理。

通訊作者郵箱：janeandbilly@126.com