第二节　发展历史与应用领域

一、近红外光谱技术和仪器的发展历史

近红外光谱技术监测组织氧代谢可追溯到1977年，美国杜克大学的Jöbsis教授用无创方法来监测脑组织代谢。20世纪80年代中期，Jöbsis教授和英国伦敦大学的Delpy教授分别研制了可用于动物实验的NIRS设备。20世纪90年代初，美国宾夕法尼亚大学的Britton Chance教授（1913—2010）研制了世界上第一台用于人体试验的NIRS设备，命名为RUNMAN（图1-2-1A）。该设备采用修正的Lambert-Beer定律，可实时、连续检测人体组织的 ΔC_Hb、、ΔC_tHb。

1994年，第一台经美国食品药品监督管理局（food and drug administration，FDA）批准的医用NIRS设备问世，即INVOS3100型脑组织血氧参数监测仪（简称脑氧仪）。该设备采用修正的Lambert-Beer定律得到人体组织的ΔC_Hb、、ΔC_tHb，并通过经验值拟合法解算人体组织的rSO₂，该设备的诞生极大推进了NIRS技术的临床应用。Delpy教授与日本公司合作，研制了NIRO-300型脑氧仪（图1-2-1），采用稳态空间分辨算法解算人体组织的rSO₂（该仪器将其命名为TOI）。目前，国际上取得医疗器械注册证的各种脑氧仪，其核心算法依旧源自修正的Lambert-Beer定律和空间分辨算法两大类。需要指出的是，由于不同设备的核心算法不同，校准方法也存在差异，其正常值范围也各有不同。有国外学者将市售各种脑氧仪进行了横向对比，发现不同设备在测量精度、消除外层组织影响方法等方面存在一定差异，并认为采用空间分辨算法的脑氧仪可更准确反映人体大脑皮层的氧合变化。

清华大学医学院生物医学工程系丁海曙教授（1937—2009）领导的课题组，自1994年以来一直从事NIRS无损检测组织血氧领域的研究。通过20余年的不懈努力，经历检测算法的专题研究、样机研制与性能评定、医工结合的临床研究、产品开发与应用推广等阶段，在原理算法、测试技术、临床应用等方面取得了一系列创新性的成果。截至目前，课题组已经研制了5代NIRS样机，并与企业合作推进了相应技术及仪器的产业转化。

目前，NIRS仍然是生物医学光子学与临床医学交叉领域的研究热点，近年的研究进展主要体现在三方面：

1.针对NIRS光学检测原理的深入研究

例如结合扩散相关光谱（diffuse correlation spectroscopy，DCS）技术无创检测组织中的血流量，消除外层覆盖组织、运动伪迹等对NIRS检测的影响等。

2.基于NIRS测得的人体组织血氧参数

采用现代信号处理手段挖掘深层次信息，例如李增勇教授及其课题组采用小波分析等方法研究人体组织血氧参数的频域特征，用于评估脑组织血流动力学的调节机制等。

3.学科交叉研究

目前更多的研究采用阵列分布的光源和光电检测器，基于NIRS实现脑组织血氧参数的拓扑成像，并与功能磁共振（functional magnetic resonance imaging，fMRI）、脑电等手段相结合，针对脑功能、脑连接等开展深入研究，已成为生物医学光学与神经科学等学科交叉的研究热点。

二、NIRS技术的主要临床应用领域

（一）围术期脑保护

麻醉术中多种因素可能引发患者脑缺氧，如血液过度稀释、血压过低、体温过高、气栓和血栓的产生、通气障碍等。特别是在一些心脏外科手术，如先天性心脏病修补术、主动脉弓置换术、冠脉搭桥术、瓣膜替换术及心脏移植术等，由于术中患者血流动力学指标易发生大幅波动，且这些手术中大多需要进行体外循环，患者血流呈非生理状态，患者围术期脑缺氧的发生概率明显高于一般手术。对于一些神经外科手术，如有创伤性脑损伤、蛛网膜下腔出血、复杂类型颅内动脉瘤、颅底血管球颈瘤、延髓成血管细胞瘤等场合，或颈动脉内膜剥脱术、颈动脉支架等手术，如果患者脑血流自主调节能力较差，则易发生脑组织灌注不足或过度灌注，影响患者神经系统预后。此外，对于老年患者和婴幼儿患者，以及术前合并急／慢性脑卒中病史、短暂脑缺血发作、中重度颅脑血管狭窄、阿尔茨海默病、帕金森病等脆弱脑功能患者，其脑血流自主调节功能通常弱于正常人，在围术期更容易发生脑缺氧缺血事件。患者脑氧异常可能导致术后神经系统并发症发生率升高、前额叶损伤、住院时间延长等不良后果，甚至导致严重的神经系统后遗症直至死亡。

目前，麻醉医生在术中常依据心率、平均动脉血压、脉搏血氧饱和度等方法评估患者循环状况和氧合水平。这些手段主要聚焦于患者的体循环和全身氧供应，而忽视了对组织微循环灌注状态、局部组织氧供需平衡的关注。NIRS技术弥补了常规临床监测方法的局限，为麻醉医生提供了客观的参考依据，使得临床医生能够第一时间发现患者脑组织缺氧缺血事件，及时采取措施进行干预，降低因脑缺氧引发神经系统后遗症的发生概率（图1-2-2）。

（二）危重患者的微循环评估

NIRS脑氧监测可用于评估心肺复苏患者的自主循环恢复（return of spontaneous circulation，ROSC）效果、预测最佳除颤时间；为心脏术后重症患者脑保护提供指导；对输血进行指导以避免过度输血；还可用于评价重症患者的微循环（通过血管阻断实验，对复苏治疗／给药效果给予有效评价）；对接受体外膜肺氧合（extracorporeal membrane oxygenation，ECMO）治疗患者的保护（脑氧监测作为第一时间警报，组织氧监测预防远端肢体肌肉坏死、截肢）；对重症监护室（intensive care unit，ICU）中患者压疮组织的氧合监测；以及对神经外科重症患者脑缺氧预警（如颈动脉内膜剥脱术后脑组织过度灌注、蛛网膜下腔出血患者预防迟发性脑缺血）；对创伤性脑损伤患者脑灌注动态评估等，从而对ICU患者进行多方位的保护（图1-2-3）。

（三）组织移植

临床工作中，当人体组织部分缺损时，往往通过移植自体其他组织以弥补缺损部位，如颌骨重建、乳房再造等。皮瓣移植是整形外科常见的手术，通过移植可达到修复缺损、重建功能、改善外形等。但移植组织常发生血供障碍、血肿、感染、撕脱等并发症而最终无法成活，其原因可能包括血管痉挛、血管代偿性扩张较慢、吻合支开放不足等。因此，对移植组织进行严密观察和护理十分重要，能否挽救吻合血管危象的关键在于发现要早，探查要果断、及时。

目前，移植组织血液循环检测大多还是依靠临床医生主观判断，如观察皮色、皮温、水肿程度或通过毛细血管充盈实验等，缺乏较客观的手段。有医生采用激光多普勒技术探查皮瓣血液循环状况，但该技术只适合观察动脉血管栓塞，而难以观测到静脉血管栓塞，而且对操作者的经验要求较高。NIRS技术可无损、连续、实时监测移植皮瓣的氧合水平和灌注状况，为临床医生的判断提供客观依据。清华大学丁海曙教授课题组与北京大学口腔医院蔡志刚教授合作，从动物实验开始，在颌面外科腓骨瓣移植术后血液循环监测（图1-2-4）领域开展了大量研究，发现手术后24小时内患者移植侧的平均rSO₂显著低于对照侧，且手术后移植侧的rSO₂先逐渐下降，至手术后8～12小时达到最低点，然后逐渐回升。可见手术后24小时内，移植侧的血液循环普遍差于对照侧，特别是手术后8～12小时移植侧的血液循环最差，应特别关注。丁海曙教授课题组与天津医科大学肿瘤医院尹健教授在乳房再造术后皮瓣监测领域合作，也发现了类似结果，并将NIRS技术用于术中腹直肌皮瓣的取舍。

（四）运动医学

1992年，美国宾夕法尼亚大学Britton Chance教授首次将NIRS技术用于观察划艇运动员股四头肌恢复过程中的血红蛋白浓度变化。清华大学丁海曙教授课题组与北京体育大学合作，在该领域开展了大量研究，发现在递增负荷运动过程中，随着运动负荷的增加，受试者肌肉组织的明显下降，恢复过程中明显升高，且专业运动员的下降和升高幅度明显超过普通人（图1-2-5）。2009年，课题组与北京协和医院齐贺彬教授合作，发现运动中股四头肌氧饱和度rSO₂的变化幅度与受试者运动能力有密切关系，可利用rSO₂评价肌肉组织中氧输送与消耗的平衡点，进而定量评估肌肉组织的有氧代谢能力。江汉大学徐国栋教授研究了肌氧与血乳酸、最大摄氧量等指标间的相互关系等。

（李　岳）

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