近红外光谱在医学应用方面的最新进展吴敏1，胡高峰2，姚文坡1，干振华1，徐达军1，黄亚萍1，汪长岭1 1.南京军区南京总医院 医学工程科，江苏 南京 210002；2.南京医科大学康达学院 生物医学工程系，江苏 南京210029 [摘 要]近红外光谱（Near Infrared Spectrum Instrument，NIRS）是一种介于可见光和中红外光之间的电磁辐射波。使用NIRS技术进行检测，具有方便、快捷、高效、准确的特点，因此它在多个领域尤其是在医学领域扮演着重要角色。本文首先对NIRS技术的基本概念和发展历史做了简单介绍；其次，论述了NIRS技术在医学中的应用，以及近年来该技术在国内外的发展状况。探讨了NIRS技术在离体检测、临床医学、麻醉深度监测以及新生儿脑组织氧检测等方面的应用。文章的最后，对NIRS技术的未来应用方向进行了简单讨论。 [关键词]近红外光谱；离体检测；局部脑氧饱和度；脑功能成像；认知神经科学 引言1800年，Herschel在进行太阳光谱可见区红外部分能量测量时，发现了近红外光谱（Near Infrared Spectrum Instrument，NIRS），上世纪30年代，红外光谱分析技术作为一种有用的分析手段开始得到认可。随着红外仪器技术的发展，近红外光谱区作为一段单独的，且具有独特信息特点的谱区得到了人们的重视，并有了新的发展。 上世纪60年代，NIRS技术发展创始人Norris带领的课题组进行了大量光谱学方法的论证，这为后来NIRS分析仪器的发展提供了基础。Jobsis最先利用NIRS技术获得了脑组织的血氧参数信息，但是该方法的空间分辨率不够高，后来，Rostrup和Masak通过点阵排列近红外光纤探头，并结合磁共振等技术，实施图像匹配，提高了NIRS技术的分辨率。Kawalski和他的研究生们最先将偏最小二乘回归技术应用到光谱学技术中，但直到最近几年，偏最小二乘回归技术才在近红外分析技术中得以应用和推广。NIRS分析技术历经半个世纪的发展，已经成为新世纪最有应用前途的分析技术之一[1]。 1 NIRS的离体检测1.1 NIRS在中药学方面的应用 近红外光的光谱信息来源于分子内部振动的倍频与合频，主要反映的是分子中C-H、N-H与O-H基团的倍频与合频振动吸收，因此近红外光常被用来测定含有这些基团的有机物。该检测技术具有分析速度快、效率高、成本低等特点，由于在检测过程中不需要对样品进行预处理，所以NIRS技术能够做到对样品的无损检测，有利于实现在线分析。近年来，NIRS技术在中药材的鉴定（品种分类、中药真伪鉴别、药材产地分析）、中药成分掺假检测、生产过程分析以及中药制剂的快速检测方面有着广泛应用[2]，NIRS分析技术的推广对中药产业的发展有很大的影响。但是，由于NIRS分析技术并不是一种直接分析技术，其准确性依赖于分析过程中所建立的定性识别模型和定量分析模型，而基于少量样品建立的模型在实际应用中难以推广，因此需要投入大量的人力、物力、财力建立一个比较准确的模型。 1.2 NIRS在人体体液分析中的应用 NIRS检测具有无创的特点，因此可以用于人体体液成分的分析。赖昭胜等[3]通过偏最小二乘回归技术结合一阶导数激光谱法，利用NIRS测试分析了尿液中葡萄糖的浓度。研究表明，测定结果线性关系显著，预测的结果较为理想，NIRS技术能够为尿糖检测提供一种快速分析的手段。刘骞[4]通过NIRS，结合MATLAB软件，利用神经网络方法进行建模，进行适当的样本数据训练后，最终预测了人体血液酒精含量，这一结果对于利用近红外动态光谱法进行人体酒精含量检测具有一定的积极意义。 2 NIRS在临床医学的应用2.1 NIRS在血液成分无创检测中的应用 血液成分无创检测具有安全、快速、低成本和无污染等特点，它对改进现代检验医学和提高人民生活质量均有着重要意义。但到目前为止，仅有血氧、血红蛋白两项指标在临床上实现了无创检测[5]，其余血液参数尚没有通过FDA认证的可用于临床无创检测的方法和设备，血液成分无创检测依旧是世界医学研究领域的热点课题之一。近红外光对组织和体液具有良好的穿透性[6]，通过检测携带血液信息的NIRS，可以间接的分析出血液中多种成分的含量信息，进而实现无创检测。 20世纪70年代，Kaiser[7]开始尝试用光学方法测量人体成分，但直到1987年，使用NIRS测量人体血糖的方法首次被提出，无创伤血糖测量法才开始被研究人员所关注[8]。该测量方法的原理如下：葡萄糖是血液中主要的糖类，医学上称为血糖，它包含多个羟基和甲基，这些羟基和甲基能在近红外光下产生吸收近红外光的含氢官能团，使用NIRS分析技术和化学计量学方法处理这些光信息，建立预测模型，从而计算血糖浓度[9]。 天津大学徐可欣教授课题组在NIRS无创检测领域做了大量的基础性研究，提出浮动基准法无创血液成分检测理论，并以手指指腹为测量位置，针对血糖和血红蛋白浓度进行了多次临床采集，提高了无创检测精度。王慧泉等[10]基于动态光谱理论，提出了使用有效波长数作为数据质量评价标准，并通过临床实验结果对评价标准的有效性进行验证。临床实验结果表明，采用有效波长数质量评价标准后，血红蛋白、血糖和总胆固醇浓度的预测误差分别从5.4%、15.8%和13.8%降低到2.1%、6.5%和6.5%，验证了在临床上采用该质量评价标准，对提高血液成分无创检测精度的有效性。目前，近红外反射光谱技术主要集中应用于组织液内成分含量的检测，通过一个成分传递延迟模型，可以大致推测出血液内成分的含量。郭嘉[11]设计的可编程多通道数据采集系统，大大提高了血液无创检测数据采集和传输的速度。 2.2 功能NIRS在麻醉深度监测中的应用 在临床手术中，监测麻醉深度是保证麻醉质量和手术安全的重要方法。功能NIRS分析技术作为NIRS分析技术的延伸，具有非侵入式的特点，能够用于手术中麻醉深度的监测。 通过时域或时间分辨系统、频域或相位解析系统、连续光系统或恒稳态系统3种已经比较成熟的技术手段，目前已经实现对脑部功能的检测。功能NIRS分析技术是否可以准确的反应脑部神经的功能性活动，以及该技术所提供的脑部神经活动的信息是否可以用来表示手术麻醉深度状态，是利用功能NIRS分析技术实现麻醉深度检测需要解决的两个主要问题[12]。 Niederhauser等[13]证明了，当外周神经受到刺激时，可以通过功能性NIRS分析技术的局部皮层电信号和脑部血氧浓度变化信号来感应脑部躯体皮层的活动状态，从而进行实时监测，然而试验条件下获得的血液动力学变化反应，并不能够应用于临床诊断。Leff等[14]通过系统的整理，并分析近些年来的相关实验得出，虽然实验采用的运动刺激方式、功能NIRS分析仪器和实验设计等不尽相同，但均得出了类似的试验结果，这证明了功能性NIRS分析技术能够有效监测脑皮质层的运动反射神经活动，且监测信号具有特异性。 临床手术中使用的麻醉药物与手段有很多种，因此需要对功能性NIRS分析技术的信号与麻醉药物的相关性进行验证。Jinnouchi等[15]证明了，在实际临床手术复合式麻醉条件下，NIRS的HbO2信号与麻醉状态有关。Naguib等[16]通过对病患进行意识水平测试，证明了功能性NIRS分析技术信号变化与脑电双频指数变化有关。 目前，功能NIRS分析技术用于麻醉深度监测的可能途径，是利用功能NIRS技术监测麻醉深度和现有麻醉深度监测技术的信息融合方法[17]，对功能NIRS分析技术进行独立的开创性麻醉深度监测研究。现阶段，在临床手术中，脑电检测的相关技术在麻醉深度检测中仍占主导地位，在今后的发展中，功能性NIRS分析技术与现有麻醉深度监测技术信息融合将为术中麻醉深度监测提供更为有益的条件。 2.3 NIRS技术在新生儿脑组织氧检测中的应用 1977年，NIRS技术在新生儿脑组织氧检测方面得到应用。Jöbsis首先使用NIRS技术对脑组织氧代谢进行监测，随后，该技术被应用到危重新生儿的监测，并与心率、呼吸监测同步进行，观察新生儿惊厥发作、呼吸暂停等病理状态下脑组织氧的变化。除此之外，该技术还被用来对新生儿特殊治疗时脑组织氧代谢变化进行监测，如使用消炎痛、氨茶碱治疗时脑组织氧的变化。也有部分学者使用NIRS对早产儿脑血流变化进行研究，目前该技术在多个国家的新生儿临床监测中得以运用，并且主要是运用在NICU中。 为了进一步探讨NIRS在新生儿临床应用中的价值，1994年，北京大学第一医院儿科新生儿专业与清华大学生物医学工程系合作，在动物实验以及其他学者研究的基础上，进行了新生儿脑组织氧检测的应用与实验研究[18-19]。通过新生动物实验，验证了NIRS测定仪对脑组织氧检测的敏感性。 2007年，北京大学第一医院儿科牵头进行了全国9家医院多中心研究，通过对480例健康足月儿的检测，获得脑组织氧饱和度（Regional Oxygen Saturation，rSO2）参考范围为（62±2）%，以低于两个标准差（即58%）作为脑组织缺氧标准。脑rSO2与SpO2及SaO2呈正相关，相关系数r分别为0.72和0.74。脑组织氧的变化受到多种机制的调节与影响，分析检测资料可见，呼吸系统疾病时，脑氧合正常；循环系统疾病时，脑rSO2与心率变化相关联，大脑前动脉平均血流速度开始代偿性增高，脑损伤开始出现。 深圳学者利用NIRS，对出生后的宫内窘迫新生儿随即进行脑组织氧检测，发现最终发展为缺氧缺血性脑病的患儿，产程中胎头显露时及出生后5 min两个时间点脑组织rSO2分别为（36.6±5.0）%和（52.0±4.2）%，而仅存在宫内窘迫、未发展为缺氧缺血性的新生儿同时间点脑组织rSO2分别为（44.1±3.1）%和（57.6±3.5）%，且脑组织rSO2与脐动脉血气pH值、SaO2间呈良好正相关关系[20]。 NIRS技术在窒息新生儿脑氧检测方面也有着一定应用，其应用对及早发现脑损伤，指导临床早期干预，改善窒息新生儿的预后起着一定的积极作用。罗佩施等[21]将108例足月窒息新生儿分为NIRS组（n=54）和对照组（n=54），并对所有患儿进行窒息复苏后的常规护理。对NIRS组进行出生后6、12、24、72 h的脑组织氧饱和度检测，对对照组在上述时间进行脉搏氧饱和度检测。将两组患者脑氧检测情况进行比较，并且与72 h CT检测结果进行比较。通过比较分析发现，所有患儿监护过程中均没有明显脑干症状出现。通过对相关数据进行分析总结，得出NIRS检测的敏感度、特异度和准确度均高于SpO2检测。 2.4 NIRS技术在神经外科患者脑氧监测方面的应用 继发性脑缺氧是颅脑创伤后病情加重甚至死亡的主要原因，也是影响患者预后的重要因素之一。Kampfl等[22]依据颅内压（Intracranial Pressure，ICP）<25 mmHg和>25 mmHg的标准，将65例重型颅脑外伤患者分为A、B两组，结果发现B组的rSO2显著低于A组，而且在给予一段时间的高流量氧吸入后，A组rSO2有显著增高，B组则未观察到该变化，提示ICP与rSO2之间呈显著负相关关系。一般认为，颅脑外伤后脑灌注压应维持在60～70 mmHg以上，否则脑的灌注将受到明显影响。Dunham等[23]对4例重型颅脑创伤患者进行了持续6 d的脑氧饱和度和脑灌注压监测，发现脑氧饱和度和脑灌注压显著相关，当脑氧饱和度下降至55%以下时，68.2%的时间脑灌注压<70 mmHg，这表示脑灌注不足，以上结果表明即使脑灌注压>70 mmHg，仍有可能存在脑缺氧（rSO2﹤55%）。然而，当脑灌注压>70 mmHg时，96.4%的时间rSO2值>75%，这表示当大脑氧饱和度值>75%时，医务人员可推测脑灌注压在正常范围内，无须再进行有创的灌注压监测。这一研究表明，NIRS可以在神经外科患者脑氧监测中成为替代颅内压监测的无创监测方法。 在脑血管疾病治疗中，NIRS对脑氧监测更具灵敏性。Zweifel等[24]发现rSO2升高与血管痉挛缓解、临床症状改善相一致，通过动脉成像观察到动脉痉挛与同侧的rSO2下降显著相关，而且痉挛程度增加（尤其是血管直径减少75%以上时），则同侧rSO2大幅降低，表明NIRS可以同步检测到继发于血管痉挛的脑氧降低，且具有很高的灵敏性；McCormick等[25]让7名自愿受试者吸入低氧浓度混合气体（FiO2=7%），造成短暂性缺氧，同时严密监测EEG、SaO2、SpO2、rSO2各项指标变化，结果发现，脑血氧饱和度的下降与吸入氧浓度的改变几乎同时发生，甚至与EEG产生变化时间相比，rSO2下降提早了约2 min，这证明NIRS监测技术更具灵敏性，它能在其它监测参数尚在正常范围时便能更早地检测出脑缺氧。Taussky等[26]对1287例患者（包括蛛网膜下腔出血、缺血性脑卒中、脑出血）同时使用NIRS和CT灌注成像技术，分别检测患者脑氧饱和度和局部脑血流量，发现两者之间具有良好相关性，表明NIRS可作为一种有效的、非侵入的、可在重症监护病房床旁实时监测的脑氧监测手段。 对于肿瘤的临床治疗来说，早发现意味着临床医生将有更多的时间挽救患者生命。目前除了核磁共振功能成像技术之外，NIRS一样能够通过血氧水平依赖法实现无创实时脑功能区监测。Fujiwara等[27]使用NIRS及功能核磁技术同时监测脑肿瘤患者瘤周皮层时发现，受肿瘤病灶影响，瘤周脑功能区激活时血红蛋白浓度变化模式异常，单用功能核磁技术不能准确定位脑功能区，容易造成假阴性错误。与功能核磁技术相比，NIRS技术具有更高的时间分辨率、更自由的应用环境、更少的患者活动限制以及更低廉的应用成本。更重要的是，相较于功能核磁技术仅仅监测脱氧血红蛋白浓度的局限性，NIRS可同时监测脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白，如果将NIRS技术和功能核磁技术进行联合应用，则可大大降低功能核磁监测的假阴性错误发生率[28]。此外，NIRS技术不仅可对脑功能区进行定位，同时可通过监测肿瘤血氧饱和度特征直接进行肿瘤辅助识别[29]。 2.5 NIRS技术在高级认知神经科学研究中的应用 NIRS技术在工作记忆研究、自然情境下认知过程研究、发展性阅读障碍研究中都有着一定的应用[30]。如华中科技大学生物医学光子学教育部重点实验室，采用言语性n-back作业范式，监测被试在执行言语性n-back任务时前额叶皮层的激活情况，并分析被试的行为表现及脑激活数据。通过结合自主研制的3波长近红外脑功能光学成像系统，考察被试行为表现及前额叶的工作记忆负荷效应，进而研究较高记忆任务条件下，被试前额叶脑区激活情况对其行为表现的影响，研究结果表明，被试前额叶的工作记忆负荷效应显著[31]。 与其他脑成像技术相比，NIRS技术脑成像受动作影响不明显，且具有便携性，因此适用于研究自然情况下认知过程的神经机制。近年来，便携式和非损伤性NIRS技术的发展已经逐渐成熟，这为研究自然环境下的脑认知活动提供了有效的途径[32]。随着NIRS技术的普遍应用，日常生活状态下人们认知过程的神经机制，将逐渐能被脑功能成像的结果所解释[33]。对于发展性阅读障碍，研究者通过功能性NIRS分析技术设计恰当的实验范式，其实验结果为阅读障碍的神经生理学研究提供了可靠证据。 除此之外，可利用NIRS进行脑功能连接评估。近些年研究发现，不论是成年人还是新生儿，在静息状态下，利用NIRS技术均己经发现了较强的脑功能连接特性。NIRS技术具有高时间分辨率的特点，能够通过分析不同脑区信号的相位一致性关系，来揭示两组信号在不同脑区的时间关系。在多通道NIRS技术和相应设备的普及与发展下，该项技术已不仅仅局限于测量局部脑组织中氧合血紅蛋白浓度的变化，而是将多通道检测装置同时使用，测量不同区域的脑组织信号实时变化情况，并分析多个区域之间的相互作用关系，由此提出了基于NIRS技术检测脑功能连接[34]。 2.6 NIRS技术在脊椎外科手术导航路径参数研究中的应用 NIRS技术可用于外科手术导航系统。脊柱外科手术中椎弓根螺钉的准确植入是脊柱手术成功的关键，但在椎弓根周围分布着许多重要血管和神经，在手术过程中的进钉路径如果出现偏差，将导致螺钉的误植或植入位置不佳，极易产生神经、血管或脏器损伤等并发症椎，因此椎弓根螺钉植入手术需要在椎体上确定最佳植入路径。可靠的术中实时监测技术有助于椎弓根螺钉的准确植入，南京航空航天大学的钱志余课题组，以猪椎骨为实验对象，将NIRS技术引入脊椎外科手术椎弓根螺钉植入的监测过程，利用近红外光对生物组织结构与功能信息的敏感性，有效识别骨膜、骨髓、肌肉、骨组织等不同生物组织，这为脊椎外科手术导航过程提供了重要的参考依据[35]。 3 NIRS技术的未来应用由于NIRS技术具有快速、无损、无试剂分析、安全、效率高、成本低等特点，所以它已经成为有效和最有前途的分析技术之一[36]。目前，尽管NIRS分析技术在已有领域的应用还存在不足，但是其未来的发展将会愈加成熟。NIRS分析技术在脑功能与认知科学研究领域的发展是最快的，如在认知神经科学感知和运动等方面的发展；在临床医学方面，NIRS分析技术已经被广泛应用于癫痫、抑郁、阿尔茨海默氏症等疾病的研究和临床治疗中。另外，在军事领域也开始使用NIRS技术。 根据NIRS的特点，通过Lambert定律可以实现近红外体腔出血检测及其装备的研制。NIRS作为最有发展前景的技术之一，未来也将会大量的应用于医学诊断、检查、治疗、保健等方面。为了提高NIRS分析技术的效率，NIRS应与现有的检查分析技术相融合，以确保检查结果的准确性与可靠性。 [参考文献] [1] 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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. Key words：near infrared spectroscopy; in vitro tests; regional cerebral oxygen saturation; functional brain imaging; cognitive neuroscience [中图分类号]R312 [文献标识码]A doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2017.06.029 [文章编号]1674-1633(2017)06-0109-05 收稿日期：2016-05-26 修回日期：2016-12-23 基金项目：国家自然科学基金项目（81201161）；南京军区医药卫生科研基金课题（15MS129）。 通讯作者：干振华，副主任医师，主要研究方向为医疗设备的使用管理及卫勤管理。 通讯作者邮箱：janeandbilly@126.com |