近红外光谱技术临床应用研究进展

李黎欣，马丽萍



近红外光谱技术临床应用研究进展

李黎欣，马丽萍

摘要：介绍了近红外光谱技术(NIRS)临床应用研究进展，从基本原理、NIRS在神经外科中的应用、NIRS在心外科中的应用、NIRS在新生儿科中的应用、NIRS应用研究的影响因素和局限性、NIRS应用研究的未来发展方向与展望方面进行了阐述。

关键词：近红外光谱技术；脑组织血氧饱和度；监测

Research progress on clinical application of near infrared spectroscopy technology

Li Lixin,Ma Liping

(The Second Affiliated Hospital of Third Military Medical University of Chinese PLA,Chongqing 400037 China)

AbstractIt introduced the research progress on the clinical application of near infrared spectroscopy(NIRS) technology.It expounded the NIRS from basic principles,application of NIRS in neurosurgery,the application of NIRS in cardiac surgery,the application of NIRS in neonatology,the influence factors and limitations of NIRS application study,future development direction and future prospect of NIRS application.

Key wordsnear infrared spectroscopy;NIRS;brain saturation oxygen;monitoning

大脑是人体能量代谢最活跃、需氧及耗氧量最大而氧储备量最小的器官。大脑血液供应丰富，即使在静息状态下，脑的耗氧量也占人体耗氧量的四分之一，且大脑对缺血、缺氧高度敏感，长时间缺氧可造成不可逆的神经损伤[1]。脑损伤致死人群中的缺氧发生率高达90%[2]。在临床工作中，迫切需要实时准确监测脑组织血氧和血流动力学变化。近红外光谱技术是一种新型的血氧饱和度监测方法，它可以无创、实时监测局部脑组织血氧饱和度(regional oxygen saturation,rSO2)，评估脑组织氧代谢平衡状况，可早期发现脑组织的血流异常和血氧供需失衡情况。近年来，该技术在神经外科、心外科、新生儿科等领域发展迅速，现就其监测原理及临床研究进展与未来发展方向进行综述。

1基本原理

近红外光谱技术(near infrared spectroscopy,NIRS)于1977年首先由Jobsis提出，是一种实时、连续的光学诊断方法。基于该技术的rSO2监测仪是使用一个双波长近红外光源，发光峰值波长为760 nm和850 nm，对人体组织(头皮、颅骨等)具有良好的穿透性而较少被散射。当检测成人脑血氧饱和度时，光源和两个检测器的距离分别为30 mm和40 mm；检测婴儿和较小儿童的脑血氧饱和度时，光源和两个检测器的距离分别为20 mm和30 mm。近红外光在颅内的主要吸收体是氧合血红蛋白(HbO2)和还原血红蛋白(Hb)，二者具有不同的吸收谱。因此，可以用光学方法将二者加以区分。当近红外光经过人体组织时，组织中的两种血红蛋白便会分别对其产生吸收作用，通过测定入射光和反射光强度之差，便可计算得到rSO2[3]。脑组织中存在大量的微细血管，其中动脉血量约占20%，毛细血管血量约占5%，其余约75%皆为静脉血量。因此，rSO2其实是局部脑组织中动脉、静脉血氧饱和度的加权平均值，更接近于静脉血氧饱和度，可反映脑氧供给与消耗的动态平衡状况。由于该检测技术不依赖于动脉的搏动，所以，即使在深低温、低血压、脉搏微弱的特殊情况下，也可以正常测量脑氧参数，评价组织的氧合状况。

2NIRS临床应用研究

2.1NIRS在神经外科中的应用

2.1.1颅脑损伤治疗中NIRS脑血氧监测的应用颅脑损伤后继发性脑缺血、缺氧是病人病情加重或死亡的重要原因，也是影响预后的重要因素之一[2]。及时发现和处理缺血、缺氧状态可将继发性脑损伤发生率降低到最小。目前，临床上普遍应用的动脉血氧饱和度(arterial oxygen saturation,SaO2)、脉搏血氧饱和度(pulse oxygen saturation,SpO2)正常并不能表明病人rSO2亦正常，这些指标皆不能及时、准确地反映脑组织中真正的供氧情况，再加上SaO2监测为有创操作，目前在国内接受度较低。通过NIRS开展的rSO2监测研究发现，rSO2和颈静脉血氧饱和度(jugular vein oxygen s/Saturation,SjvO2)、脑组织血氧分压(brain tissue oxygen partial pressure,PbtO2)显著正相关,且比SjvO2和PbtO2更安全、准确，连续监测rSO2的动态变化可以全面反映脑血氧代谢状况[4-5]。

2.1.2脑血管疾病治疗中NIRS脑血氧监测的应用颈动脉内膜剥脱术(carotid endarterectomy,CEA)中应用NIRS监测rSO2可及时、有效地预防颈动脉内膜手术中急性脑缺血的发生。与其他脑血氧监测手段比较，NIRS拥有更简便、无创伤、连续测量的优点，能有效地预防CEA相关的围术期脑血管意外甚至死亡，是CEA术中预测脑缺血、缺氧的有效手段[6]。Nielsen[7]通过评估CEA病人围术期rSO2、认知功能及体感诱发电位变化，比较rSO2与体感诱发电位在CEA术中的监测意义。结果发现，随着大脑血流灌注再通，相对于体感诱发电位变化，rSO2升高幅度更明显，表明NIRS非常有利于临床围术期观察和判断脑组织血供再通状况，是CEA围术期简单有效的脑血氧监测手段。一般认为，rSO2下降相对值>12%提示脑缺血，提示临床医师做出相应的药理和生理干预[8]。另外，术中rSO2受多种因素的影响，比如动静脉畸形破裂、突发动脉瘤破裂、脑血管痉挛、平均动脉压的降低、大脑动脉的临时性夹闭等诸多原因皆可导致术中rSO2下降，如果rSO2值低于正常(55%～75%)，则表明大脑发生缺血缺氧的几率较大，提示医师及早做出相应的对症处理和抢救措施[9]。Taussky等[10]通过对1 000多例病人(包括蛛网膜下隙出血、缺血性脑卒中、脑出血)同时采用NIRS和CT灌注成像技术分别监测rSO2和局部脑血流量(regional cerebral blood flow,rCBF)，发现二者具有良好相关性，表明NIRS可作为一种有效的、无创的、重症监护病房床边实时监测的脑血氧监护手段。

2.1.3脑肿瘤治疗中NIRS的应用目前，临床治疗胶质瘤、脑膜瘤等大多数颅内肿瘤公认的最有效治疗方式仍然为手术联合放化疗方式，颅内肿瘤手术中脑功能区的识别是手术成败的关键。由于脑功能区激活时氧合血红蛋白浓度快速升高，同时，脱氧血红蛋白浓度缓慢下降，只要监测氧合血红蛋白浓度和脱氧血红蛋白浓度变化即可定位脑功能活动区域，该原理即为血氧水平依赖法。与核磁共振功能成像技术一样，目前，NIRS同样可以利用该原理实现无创实时的脑功能区监测[11]。Fujiwara等[12]使用NIRS和功能核磁技术同时监测脑肿瘤病人瘤周皮层时发现，由于受肿瘤病灶影响，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发现脑功能区，造成假阴性错误。但与功能核磁技术相比，NIRS可同时监测脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白浓度变化，且具有更高的时间分辨率，更低廉的应用成本，更少的病人活动限制，更自由的应用环境，若联合应用NIRS与功能核磁技术，可大大降低功能核磁监测的假阴性错误发生率[13]。此外，NIRS还可通过监测肿瘤血氧饱和度特征，直接辅助识别肿瘤部位。其主要机制在于肿瘤结构本身的异质性，即瘤体血管动静脉比例与正常组织存在差异，造成了瘤体局部组织血氧饱和度异常[14]。

2.1.4血流动力学监测中NIRS的应用稳定的脑灌注压是脑血流量恒定的决定因素，而脑血流量恒定则是维持正常脑功能的基础。NIRS检测脑血流动力学是脑功能监测领域的最新进展，它可以由氧合血红蛋白变化量(△CHbO2)和脱氧血红蛋白变化量(△CHb)计算出△CHbD(△CHbD=△CHbO2―△CHb)，而△CHbD能间接反映脑血流量的变化量。Cooper等[15]在7只新生小猪实施颈动脉夹闭实验过程中，利用NIRS监测△CHbD，并同时监测脑血流量(CBF)，发现二者变化趋势基本一致，存在显著相关(R2=0.907)。目前，超声多普勒技术是国内外临床公认的反映大脑血流动力学和血管自主调节功能的“金标准”，Budohoski等[16]在实时监测病人平均动脉压的动态变化下，联合利用NIRS和经颅多普勒(TCD)技术监测CBF变化，可更加准确和有效地防治蛛网膜下隙出血病人迟发性脑缺血的发生。当然，NIRS应用于血流动力学研究依然处于探索中[17-18]，仍期待更广泛的临床应用和更多的临床研究验证。

2.2NIRS在心外科中的应用随着现代医学技术的飞速发展，体外循环(cardiopulmonary bypass,CPB)下开展心脏外科手术切实有效地提高了心血管疾病病人的存活率，改善了病人的生活质量。虽然该技术已日益完善，并发症也减少，但是依然存在着一定的风险和并发症。目前，脑卒中、神经认知功能障碍等术后神经系统损伤仍然为体外循环的常见并发症[19-21]。平均动脉压(mean arterial pressure,MAP)低于50 mmHg(1 mmHg=0.133 kPa)时，大脑血流量减少；二氧化碳分压过低可导致脑血管收缩，脑血管阻力增加，抑制脑静脉血液回流发生脑水肿等原因皆可导致术后发生脑损伤。其中，低灌注量和脑栓塞是造成脑缺血缺氧最终导致神经系统损伤的关键原因[22-24]

因此，在体外循环术中进行脑血氧代谢的监测日益受到关注。徐晓涛[23]通过观察体外循环中浅、深低温两组病人的动脉血氧含量、颈内动-静脉血氧含量差和脑血氧摄取率变化，发现浅、深低温条件下，两组皆可保证在CPB过程中脑血氧供需平衡，但在CPB结束后，由于大脑氧供不足导致组织无氧代谢增加，乳酸出现继续升高的现象，此现象是否对脑血氧代谢有影响还有待更深入的研究。术后谵妄亦是心脏外科术后发病率较高的认知功能障碍，其发病率高达11.5%～33.6%[24,25]。据刘威等[26]报道，麻醉诱导阶段，对照组病人rSO2趋于稳定，而实验组病人rSO2呈下降趋势，当体外循环进入低温阶段后，实验组rSO2下降趋势更为明显，伴随着体外循环停机，病人的rSO2逐渐回升，总体上，术中实验组病人出现脑血氧失衡的情况更为严重，表明体外循环时NIRS可以动态监测脑血氧合状况的改变，围体外循环期实施rSO2监测进行脑保护非常必要，以此可以提示手术医师及时采取相应措施保证病人足够脑血氧供应，最大限度地降低术后谵妄等认知功能障碍发病率。

2.3NIRS在新生儿科中的应用随着现代围生医学的迅猛发展，早产儿存活率大幅度提高，但早产儿存活后的脑损伤问题却亦愈显突出。临床如何尽早、客观、准确地评价早产儿的神经发育情况，以便早发现、早处理并最大限度减少后遗症的发病率成为国内外研究的热点。早产儿严重缺氧窒息后，rSO2呈下降趋势[27]，采用NIRS早期监测早产儿出生后rSO2和脑血流自主调节功能状态，可早期预防脑损伤发生和评估神经系统预后[28]。同时，NIRS还可应用于新生儿脑反应性的研究领域[29-30]，早产儿的胎龄和脑损伤程度两大因素皆可影响脑反应性，早期脑反应性与神经发育密切相关。NIRS为新生儿临床治疗和护理工作提供了一种直接可靠并安全的脑血氧检测方法。

3NIRS应用研究的影响因素和局限性

随着国内外学者对NIRS各领域应用的深入研究，其在临床诊断和治疗中的地位已逐渐提高。然而，作为一项新型监测技术，NIRS依然存在着一些影响因素和不足之处，有待进一步改进。据报道，病人的血红蛋白浓度、年龄可能会影响rSO2的监测结果[31]。另外，体位对脑血氧代谢的影响亦尚未阐明。研究发现，手术过程中病人采取何种体位可能会对rSO2产生影响，不同疾病状态、不同体位下NIRS检测结果判断临床研究不足[32]。有研究报道，体位抬高30°有利于脑外伤病人降低颅内压，而对灌注压和脑氧合没有不利影响[33]。但也有人提出不一样观点，Palazon[34]将10例术中麻醉和机械通气状态下的脑出血病人头位依次从0°升高到30°和45°，发现颅内压(ICP)、脑灌注压(CPP)、脑血氧饱和度均降低。国外最新的观点认为，严重脑部受损病人脑血流自主调节能力下降，体位对严重脑部受损病人脑血氧饱和度的影响较健康者显著，而不同体位对不同疾病病人脑血氧饱和度的影响还有待进一步研究论证。因此，在获得充分的循证医学证据并形成新的诊疗指南前，应针对不同病情病人实施个性化监测相关研究[35]。

4NIRS应用研究的未来发展方向与展望

通过NIRS实时监测病人rSO2，临床医护人员可直观地判断脑血流变化情况和脑血氧供需平衡情况。目前，NIRS正处于从科学研究转向临床应用阶段，某些临床领域(如心胸外科术中脑血氧监测等)在欧美等国家已率先开始广泛应用，相信将来该技术的发展方向将会越来越多：①增加血氧信号的采集部位数量，通过对各个部位间的血氧信号进行相关性分析，研究不同区域脑组织血氧信号变化频率、幅度、相位等的关联性，探索不同脑组织区间的功能连接信息。②大幅度增加血氧信号的采样频率，通过后期数据处理分析(如小波变换等)得到血氧信号能量的频谱分布情况，尤其适合于检测脑血管病变引起的组织氧合异常。③心脏外科手术病人在体外循环期间虽然外周血氧正常，但是否存在脑血氧供不足，探讨在体外循环期间如何通过临床干预手段维持正常的rSO2，以达到降低术后谵妄的发生率等；④深入研究rSO2与其他脑功能监测指标，如颅ICP、CPP、SjvO2、PbtO2之间的相关性，进一步明确发生继发性脑损伤的rSO2阈值。⑤ICP、CPP、SjvO2、PbtO2联合经颅多普勒超声以及诱发电位等技术对病人进行多模式神经监护，全面反映和评估不同疾病病人脑血氧代谢水平和血流动力学实时变化规律，可实现对脑灌注及脑血氧代谢等状况的综合评估[36]，为危重症病人的救助提供更准确的诊断和良好的治疗方案提供依据。

采用NIRS实现大脑rSO2的无创、连续监测是一项新兴技术，具有使用简单、灵敏、快捷、实时、连续、无创、可床边操作等特点，已经受到临床医师的广泛重视。NIRS目前已成为国内外医学范围内的研究热点，将作为临床医学上极具发展潜力的研究手段广泛应用于临床各领域。

参考文献:

[1]张镜如.生理学 [M].第4版.北京:人民卫生出版牡,1996:387.

[2]Kiening KL,Härtl R,Unterberg AW,etal.Brain tissue PO2-monitoring in comatose patients:implications for therapy[J].Neurological Research,1997,19(3):233-240.

[3]Pellicer A，Mdel CB.Near-infrared spectroscopy:a methodology-focused review[J].Seminars in Fetal and Neonatal Medicine，2011(16)：42-49.

[4]Brawanski A,Faltermeier R,Rothoerl RD,etal.Comparison of near-infrared spectroscopy and tissue PO2time series in patients after severe head injury and aneurysmal subarachnoid hemorrhage[J].Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism,2002，22(5):605-611.

[5]Bhatia R,Hampton T,Malde S,etal.The application of near-infrared oximetry to cerebral monitoring during aneurysm embolization:a comparison with intraprocedural angiography[J].Journal of Neurosurgical Anesthesiology,2007，19(2):97-104.

[6]Pennekamp CW,Bots ML,Kappelle LJ,etal.The value of near-infrared spectroscopy measured cerebral oximetry during carotid endarterectomy in perioperative stroke prevention.A review[J].European Journal of Vascular and Endovascular Surgery,2009，38(5):539-545.

[7]Nielsen HB.Systematic review of near-infrared spectroscopy determined cerebral oxygenation during non-cardiac surgery[J].Frontiers in Physiology,2014(5)：93.

[8]Schewe JC,Thudium MO,Kappler J,etal.Monitoring of cerebral oxygen saturation during resuscitation in out-of-hospital cardiac arrest:a feasibility study in a physician staffed emergency medical system[J].Scandinavian Journal of Trauma,Resuscitation and Emergency Medicine,2014,22(1):58.

[9]Shmigel’skiǐ A,Lubnin A,Sazonova O.Cerebral oximetry in neurosurgical patients with cerebrovascular diseases.I.Analysis of causes of intraoperative changes in rSO2values and its prognostic significance[J].Anesteziologiia ireanimatologiia,1999(4):11-19.

[10]Taussky P,O’Neal B,Daugherty WP,etal.Validation of frontal near-infrared spectroscopy as noninvasive bedside monitoring for regional cerebral blood flow in brain-injured patients[J].Neurosurgical Focus,2012,32(2):2.

[11]Yunjie Tong,Blaice deB Frederick.Concurrent fNIRS and fMRI processing allows independent visualization of the propagation of pressure waves and bulk blood flow in the cerebral vasculature[J].Neuro Image,2012,61(4):1419-1427.

[12]Fujiwara N,Sakatani KY,Murata Y,etal.Evoked-cerebral blood oxygenation changes in false-negative activations in BOLD contrast functional MRI of patients with brain tumors[J].NeuroImage,2004,21(4):1464-1471.

[13]史洁,陈国强,耿同超.中央区脑膜瘤患者的功能性近红外光学成像分析及文献回顾[J].中华临床医师杂志,2013，7(15)：6820-6823.

[14]Liu H,Yang T,Qian Z,etal.In vivo and real-time monitoring research of rats with glioma in radiofreqency ablation by near-infrared spectroscopy technology[J].Journal of Southeast University (Medical Science Edition),2011(3):10.

[15]Cooper JA,Tichauer KM,Boulton M,etal.Continuous monitoring of absolute cerebral blood flow by near-infrared spectroscopy during global and focal temporary vessel occlusion[J].Journal of Applied Physiology,2011，110(6):1691-1698.

[16]Budohoski KP,Czosnyka M,Smielewski P,etal.Cerebral autoregulation after subarachnoid hemorrhage:comparison of three methods[J].Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism,2013，33(3):449-456.

[17]Kuebler WM.How NIRS is the future in blood flow monitoring?[J].Journal of Applied Physiology,2008，104(4):905-906.

[18]Kim MN,Durduran T,Frangos S,etal.Noninvasive measurement of cerebral blood flow and blood oxygenation using near-infrared and diffuse correlation spectroscopies in critically brain-injured adults[J].Neurocritical Care,2010,12(2):173-180.

[19]淦兴.心脏外科指南[M].北京：世界图书出版公司,1990:1.

[20]Ergin MA.Temporary neurological dysfunction after deep hypothermic circulatory arrest:a clinical marker of long-term functional deficit[J].The Annals of Thoracic Surgery,1999,67(6):1887-1890.

[21]Di Eusanio M,Schepens MA,Morshuis WJ,etal.Antegrade selective cerebral perfusion during operations on the thoracic aorta:factors influencing survival and neurologic outcome in 413 patients[J].The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery,2002,124(6):1080-1086.

[22]Dittrich R,Ringelstein EB.Occurrence and clinical impact of microembolic signals during or after cardiosurgical procedures[J].Stroke,2008,39(2):503-511.

[23]徐晓涛.低温体外循环对成人脑氧代谢的影响[D].长春：吉林大学,2011:1.

[24]Kazmierskii J,Kowman M,Banach M,etal.Preoperative predictors of delirium after cardiac surgery:a preliminary study[J].General Hospital Psychiatry,2006,28(6):536-538.

[25]Santos FS,Velasco IT,Fráguas Jr R.Risk factors for delirium in the elderly after coronary artery bypass graft surgery[J].International Psychogeriatrics,2004,16(2):175-193.

[26]刘威,齐娟,于荣国,等.体外循环术中局部脑氧饱和度与术后谵妄的关系[J].福建医科大学学报,2011,45(2):143-145.

[27]侯新琳,周丛乐,李志光,等.疾病状态下新生儿脑组织氧饱和度的测定[J].临床儿科杂志,2007,24(11):884-886.

[28]刘登礼，邵肖梅，程国强.近红外光谱仪早期监测脑血流自主调节功能预测早产儿脑损伤[J].临床儿科杂志,2006，24(3)：173-175.

[29]侯新琳,杨慧霞,周丛乐,等.新生儿出生时脑氧合及血流改变的近红外光谱研究[J].中国医刊,2007,42(3):26-29.

[30]候新琳，周丛乐，黄岚，等.早产儿脑反应性及其神经发育的近红外光谱评价研究[J].中华儿科杂志,2006,44(6):445-449.

[31]Kishi K.Influence of patient variables and sensor location on regional cerebral oxygen saturation measured by INVOS 4 100 near-infrared spectrophotometers[J].Journal of Neurosurgical Nnesthesiology,2003,15(4):302-306.

[32]Schwarz G,Kulier A,Litscher G,etal.The influence of positioning on spectroscopic measurements of brain oxygenation[J].Journal of Neurosurgical Anesthesiology,2000,12(2):75-80.

[33]Ng I,Lim J,Wong HB.Effects of head posture on cerebral hemodynamics:its influences on intracranial pressure,cerebral perfusion pressure,and cerebral oxygenation[J].Neurosurgery,2004,54(3):593-598.

[34]Palazon J.Effect of head elevation on intracranial pressure,cerebral perfusion pressure,and regional cerebral oxygen saturation in patients with cerebral hemorrhage[J].Revista Espanola de Anestesiologia Yreanimacion,2008,55(5):289-293.

[35]Favilla CG.Optical bedside monitoring of cerebral blood flow in acute ischemic stroke patients during head-of-bed manipulation[J].Stroke,2014,45(5):1269-1274.

[36]Wartenberg KE,Schmidt JM,Mayer SA.Multimodality monitoring in neurocritical care[J].Critical Care Clinics,2007,23(3):507-538.

(本文编辑张建华)

(收稿日期：2015-07-16；修回日期：2016-01-15)

中图分类号：R472

文献标识码：A

doi:10.3969/j.issn.1009-6493.2016.11.006

文章编号：1009-6493(2016)04B-1298-04

作者简介李黎欣，护师，本科，单位：400037，中国人民解放军第三军医大学第二附属医院；马丽萍(通讯作者)单位：400037,中国人民解放军第三军医大学第二附属医院。