第二節　發展歷史與應用領域

一、近紅外光譜技術和儀器的發展歷史

近紅外光譜技術監測組織氧代謝可追溯到1977年，美國杜克大學的J?bsis教授用無創方法來監測腦組織代謝。20世紀80年代中期，J?bsis教授和英國倫敦大學的Delpy教授分別研制了可用于動物實驗的NIRS設備。20世紀90年代初，美國賓夕法尼亞大學的Britton Chance教授（1913—2010）研制了世界上第一臺用于人體試驗的NIRS設備，命名為RUNMAN（圖1-2-1A）。該設備采用修正的Lambert-Beer定律，可實時、連續檢測人體組織的 ΔC_Hb、、ΔC_tHb。

1994年，第一臺經美國食品藥品監督管理局（food and drug administration，FDA）批準的醫用NIRS設備問世，即INVOS3100型腦組織血氧參數監測儀（簡稱腦氧儀）。該設備采用修正的Lambert-Beer定律得到人體組織的ΔC_Hb、、ΔC_tHb，并通過經驗值擬合法解算人體組織的rSO₂，該設備的誕生極大推進了NIRS技術的臨床應用。Delpy教授與日本公司合作，研制了NIRO-300型腦氧儀（圖1-2-1），采用穩態空間分辨算法解算人體組織的rSO₂（該儀器將其命名為TOI）。目前，國際上取得醫療器械注冊證的各種腦氧儀，其核心算法依舊源自修正的Lambert-Beer定律和空間分辨算法兩大類。需要指出的是，由于不同設備的核心算法不同，校準方法也存在差異，其正常值范圍也各有不同。有國外學者將市售各種腦氧儀進行了橫向對比，發現不同設備在測量精度、消除外層組織影響方法等方面存在一定差異，并認為采用空間分辨算法的腦氧儀可更準確反映人體大腦皮層的氧合變化。

清華大學醫學院生物醫學工程系丁海曙教授（1937—2009）領導的課題組，自1994年以來一直從事NIRS無損檢測組織血氧領域的研究。通過20余年的不懈努力，經歷檢測算法的專題研究、樣機研制與性能評定、醫工結合的臨床研究、產品開發與應用推廣等階段，在原理算法、測試技術、臨床應用等方面取得了一系列創新性的成果。截至目前，課題組已經研制了5代NIRS樣機，并與企業合作推進了相應技術及儀器的產業轉化。

目前，NIRS仍然是生物醫學光子學與臨床醫學交叉領域的研究熱點，近年的研究進展主要體現在三方面：

1.針對NIRS光學檢測原理的深入研究

例如結合擴散相關光譜（diffuse correlation spectroscopy，DCS）技術無創檢測組織中的血流量，消除外層覆蓋組織、運動偽跡等對NIRS檢測的影響等。

2.基于NIRS測得的人體組織血氧參數

采用現代信號處理手段挖掘深層次信息，例如李增勇教授及其課題組采用小波分析等方法研究人體組織血氧參數的頻域特征，用于評估腦組織血流動力學的調節機制等。

3.學科交叉研究

目前更多的研究采用陣列分布的光源和光電檢測器，基于NIRS實現腦組織血氧參數的拓撲成像，并與功能磁共振（functional magnetic resonance imaging，fMRI）、腦電等手段相結合，針對腦功能、腦連接等開展深入研究，已成為生物醫學光學與神經科學等學科交叉的研究熱點。

二、NIRS技術的主要臨床應用領域

（一）圍術期腦保護

麻醉術中多種因素可能引發患者腦缺氧，如血液過度稀釋、血壓過低、體溫過高、氣栓和血栓的產生、通氣障礙等。特別是在一些心臟外科手術，如先天性心臟病修補術、主動脈弓置換術、冠脈搭橋術、瓣膜替換術及心臟移植術等，由于術中患者血流動力學指標易發生大幅波動，且這些手術中大多需要進行體外循環，患者血流呈非生理狀態，患者圍術期腦缺氧的發生概率明顯高于一般手術。對于一些神經外科手術，如有創傷性腦損傷、蛛網膜下腔出血、復雜類型顱內動脈瘤、顱底血管球頸瘤、延髓成血管細胞瘤等場合，或頸動脈內膜剝脫術、頸動脈支架等手術，如果患者腦血流自主調節能力較差，則易發生腦組織灌注不足或過度灌注，影響患者神經系統預后。此外，對于老年患者和嬰幼兒患者，以及術前合并急／慢性腦卒中病史、短暫腦缺血發作、中重度顱腦血管狹窄、阿爾茨海默病、帕金森病等脆弱腦功能患者，其腦血流自主調節功能通常弱于正常人，在圍術期更容易發生腦缺氧缺血事件。患者腦氧異常可能導致術后神經系統并發癥發生率升高、前額葉損傷、住院時間延長等不良后果，甚至導致嚴重的神經系統后遺癥直至死亡。

目前，麻醉醫生在術中常依據心率、平均動脈血壓、脈搏血氧飽和度等方法評估患者循環狀況和氧合水平。這些手段主要聚焦于患者的體循環和全身氧供應，而忽視了對組織微循環灌注狀態、局部組織氧供需平衡的關注。NIRS技術彌補了常規臨床監測方法的局限，為麻醉醫生提供了客觀的參考依據，使得臨床醫生能夠第一時間發現患者腦組織缺氧缺血事件，及時采取措施進行干預，降低因腦缺氧引發神經系統后遺癥的發生概率（圖1-2-2）。

（二）危重患者的微循環評估

NIRS腦氧監測可用于評估心肺復蘇患者的自主循環恢復（return of spontaneous circulation，ROSC）效果、預測最佳除顫時間；為心臟術后重癥患者腦保護提供指導；對輸血進行指導以避免過度輸血；還可用于評價重癥患者的微循環（通過血管阻斷實驗，對復蘇治療／給藥效果給予有效評價）；對接受體外膜肺氧合（extracorporeal membrane oxygenation，ECMO）治療患者的保護（腦氧監測作為第一時間警報，組織氧監測預防遠端肢體肌肉壞死、截肢）；對重癥監護室（intensive care unit，ICU）中患者壓瘡組織的氧合監測；以及對神經外科重癥患者腦缺氧預警（如頸動脈內膜剝脫術后腦組織過度灌注、蛛網膜下腔出血患者預防遲發性腦缺血）；對創傷性腦損傷患者腦灌注動態評估等，從而對ICU患者進行多方位的保護（圖1-2-3）。

（三）組織移植

臨床工作中，當人體組織部分缺損時，往往通過移植自體其他組織以彌補缺損部位，如頜骨重建、乳房再造等。皮瓣移植是整形外科常見的手術，通過移植可達到修復缺損、重建功能、改善外形等。但移植組織常發生血供障礙、血腫、感染、撕脫等并發癥而最終無法成活，其原因可能包括血管痙攣、血管代償性擴張較慢、吻合支開放不足等。因此，對移植組織進行嚴密觀察和護理十分重要，能否挽救吻合血管危象的關鍵在于發現要早，探查要果斷、及時。

目前，移植組織血液循環檢測大多還是依靠臨床醫生主觀判斷，如觀察皮色、皮溫、水腫程度或通過毛細血管充盈實驗等，缺乏較客觀的手段。有醫生采用激光多普勒技術探查皮瓣血液循環狀況，但該技術只適合觀察動脈血管栓塞，而難以觀測到靜脈血管栓塞，而且對操作者的經驗要求較高。NIRS技術可無損、連續、實時監測移植皮瓣的氧合水平和灌注狀況，為臨床醫生的判斷提供客觀依據。清華大學丁海曙教授課題組與北京大學口腔醫院蔡志剛教授合作，從動物實驗開始，在頜面外科腓骨瓣移植術后血液循環監測（圖1-2-4）領域開展了大量研究，發現手術后24小時內患者移植側的平均rSO₂顯著低于對照側，且手術后移植側的rSO₂先逐漸下降，至手術后8～12小時達到最低點，然后逐漸回升。可見手術后24小時內，移植側的血液循環普遍差于對照側，特別是手術后8～12小時移植側的血液循環最差，應特別關注。丁海曙教授課題組與天津醫科大學腫瘤醫院尹健教授在乳房再造術后皮瓣監測領域合作，也發現了類似結果，并將NIRS技術用于術中腹直肌皮瓣的取舍。

（四）運動醫學

1992年，美國賓夕法尼亞大學Britton Chance教授首次將NIRS技術用于觀察劃艇運動員股四頭肌恢復過程中的血紅蛋白濃度變化。清華大學丁海曙教授課題組與北京體育大學合作，在該領域開展了大量研究，發現在遞增負荷運動過程中，隨著運動負荷的增加，受試者肌肉組織的明顯下降，恢復過程中明顯升高，且專業運動員的下降和升高幅度明顯超過普通人（圖1-2-5）。2009年，課題組與北京協和醫院齊賀彬教授合作，發現運動中股四頭肌氧飽和度rSO₂的變化幅度與受試者運動能力有密切關系，可利用rSO₂評價肌肉組織中氧輸送與消耗的平衡點，進而定量評估肌肉組織的有氧代謝能力。江漢大學徐國棟教授研究了肌氧與血乳酸、最大攝氧量等指標間的相互關系等。

（李　岳）

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