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1、近紅外光譜技術(shù)在大腦研究中的應(yīng)用關(guān)鍵詞:近紅外光譜腦無損檢測(cè)趙軍丁海曙周叢樂本文作者趙軍先生清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系博士研究生;丁海曙先生教授博士生導(dǎo)師;周叢樂女士北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部第一醫(yī)院兒科教授前言研究表明人體在700~900nm這段近紅外區(qū)域內(nèi)存在一個(gè)光譜窗(SpectralWindow)如圖1所示在這個(gè)光譜窗內(nèi)生物組織對(duì)光線的吸收作用大大降低同時(shí)氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白的吸收光譜的差異仍然可以分辨由于近紅外線對(duì)人體組織具有較好的穿透性(可深入皮下數(shù)厘米)足以到達(dá)大腦皮層這使得近紅外光譜(NIRS)在大腦研究方面具有良好的應(yīng)用前景本文就利用近紅外光譜技術(shù)對(duì)大腦幾個(gè)生理參數(shù)進(jìn)行測(cè)量的研究工作作
2、一些介紹腦氧飽和度腦是人體最嬌嫩的器官其組織代謝的最大特點(diǎn)是消耗能量多代謝率極高而腦組織幾乎沒有能量儲(chǔ)存腦部葡萄糖的代謝幾乎全是需氧過程要維持腦組織的正常功能就必須連續(xù)地供應(yīng)氧和葡萄糖在許多臨床情況下(特別是一些心血管手術(shù)中)需要對(duì)大腦的供氧情況進(jìn)行連續(xù)監(jiān)護(hù)而目前還缺少可靠的監(jiān)護(hù)手段由于近紅外光譜技術(shù)(NIRS)可以無損地連續(xù)監(jiān)測(cè)組織中的氧合血紅蛋白(HbO2)和還原血紅蛋白(Hb)的濃度該技術(shù)出現(xiàn)之后最早就應(yīng)用于新生兒腦氧監(jiān)測(cè)與腦氧檢測(cè)相關(guān)的研究在NIRS研究中占了相當(dāng)大的比重NIRS腦氧監(jiān)測(cè)儀的商業(yè)化產(chǎn)品也已經(jīng)通過FDA批準(zhǔn)目前研究者關(guān)注的問題在于如何消除個(gè)體之間的測(cè)量差異并進(jìn)一步做到定量
3、化測(cè)量NIRS測(cè)量原理是基于改進(jìn)的Lambert-Beer定律測(cè)量過程中假設(shè)光路徑長度和散射系數(shù)保持不變而通常情況下這兩個(gè)條件并不能嚴(yán)格成立另外還需要假設(shè)顱腦外層組織對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響可以忽略不計(jì)這個(gè)假設(shè)條件可適用于嬰兒對(duì)于成人則會(huì)引入較大的誤差因此目前大多數(shù)NIRS組織氧監(jiān)測(cè)儀只能做到半定量測(cè)量(即測(cè)量一個(gè)相對(duì)于基線的時(shí)間變化量)由于不能進(jìn)行定量測(cè)量NIRS在臨床上的應(yīng)用受到一定限制近年來發(fā)展起來的NIRS時(shí)域(或頻域)測(cè)量技術(shù)給絕對(duì)定量化測(cè)量帶來了希望這兩種技術(shù)的基本原理相同都是通過對(duì)光子擴(kuò)散方程的近似求解直接得到組織的吸收系數(shù)μa約化散射系數(shù)μs進(jìn)一步計(jì)算出氧合血紅蛋白濃度(HbO2)和還
4、原血紅蛋白濃度(Hb)以及腦氧飽和度rSO2等臨床生理參數(shù)從理論上來說時(shí)域(或頻域)測(cè)量技術(shù)是可以做到定量化檢測(cè)在絕對(duì)定量化測(cè)量的基礎(chǔ)上還可以進(jìn)一步發(fā)展光學(xué)成像技術(shù)這也是近紅外光譜技術(shù)研究中的一大熱點(diǎn)時(shí)域和頻域測(cè)量技術(shù)的主要區(qū)別在于探測(cè)光源和檢測(cè)手段的不同前者利用一個(gè)皮秒級(jí)的超短脈沖光源測(cè)量光線在通過人體之后的時(shí)間延遲后者利用一個(gè)數(shù)百兆赫茲的高頻調(diào)制光源測(cè)量對(duì)象是正弦調(diào)制光通過人體之后的相位延遲從技術(shù)實(shí)現(xiàn)角度上講由于頻域技術(shù)良好的便攜性和較低的造價(jià)使其更具臨床發(fā)展前景而時(shí)域技術(shù)則較多地用于實(shí)驗(yàn)室中的研究工作NIRS組織氧檢測(cè)技術(shù)中的一個(gè)問題是其檢測(cè)到的血氧飽和度是被測(cè)區(qū)域動(dòng)脈靜脈毛細(xì)血管中血液
5、的混合值而且這些血管對(duì)測(cè)量結(jié)果的貢獻(xiàn)率也不一樣大腦的解剖學(xué)研究表明大腦中的血液大部分存在于靜脈中靜脈血管容積占總血管容積的2/3~4/5而利用一個(gè)固定的動(dòng)靜脈貢獻(xiàn)比率進(jìn)行簡單的加權(quán)處理顯然是不合適的由于目前還沒有其他的標(biāo)準(zhǔn)方法來測(cè)量這種混合的飽和度通常的作法是利用一個(gè)血液參數(shù)可調(diào)節(jié)的大腦仿真模型來驗(yàn)證NIRS的測(cè)量結(jié)果腦血流量(CBF)正常情況下由于大腦的腦血流自動(dòng)調(diào)節(jié)功能腦血流(CBF)可以保持相對(duì)的恒定如果某些病理因素導(dǎo)致CBF調(diào)節(jié)破壞其結(jié)果都會(huì)影響腦血液循環(huán)從而引起該腦區(qū)機(jī)能的紊亂研究表明腦損傷與腦血流循環(huán)破壞程度緊密相關(guān)另外局部腦血流的檢測(cè)在腦功能研究中也很有意義同大多數(shù)腦血流測(cè)試方法
6、一樣NIRS測(cè)量CBF也是基于Fick原理即首先在腦組織中選擇某種物質(zhì)作示蹤物然后檢測(cè)該示蹤物在腦組織和血管中的濃度變化根據(jù)變化值推算出CBF與這些測(cè)量方法的不同之處在于NIRS方法利用人體自身的氧合血紅蛋白HbO2作為示蹤物避免了注射某些輻射性示蹤物的不良影響而且可以進(jìn)行連續(xù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)如圖3所示測(cè)量過程中短暫改變受試者吸入氣體的氧分壓使得受試者的動(dòng)脈血氧飽和度(SaO2)出現(xiàn)一個(gè)持續(xù)數(shù)秒鐘的突然上升過程相應(yīng)地大腦中的氧合血紅蛋白(HbO2)也有一個(gè)增加量如果將HbO2作為示蹤物則CBF可以由下式求得K??[HbO]2CBF=t[tHb]??SaOdt∫20其中K為一個(gè)常數(shù)[tHb]是組織中血
7、紅蛋白濃度的總量測(cè)量過程中利用NIRS檢測(cè)儀測(cè)定腦組織中氧合血紅蛋白濃度的變化量D[HbO2]同時(shí)利用脈搏血氧計(jì)來監(jiān)測(cè)動(dòng)脈血氧飽和度的變化量DSaO2CBF測(cè)量中假設(shè)DHbO2都是由動(dòng)脈血的流入所引起的忽略了靜脈流出的影響為了滿足這一假設(shè)條件需要在一個(gè)很短的時(shí)間內(nèi)完成測(cè)量這個(gè)時(shí)間要小于血液流經(jīng)大腦所需的時(shí)間在測(cè)量過程中還要求腦血流量(CBF)腦血容量(CBV)保持相對(duì)恒定腦攝氧量相對(duì)不變動(dòng)物研究和
