近紅外光譜技術臨床應用研究進展

李黎欣，馬麗萍

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近紅外光譜技術臨床應用研究進展

李黎欣，馬麗萍

摘要：介紹了近紅外光譜技術(NIRS)臨床應用研究進展，從基本原理、NIRS在神經外科中的應用、NIRS在心外科中的應用、NIRS在新生兒科中的應用、NIRS應用研究的影響因素和局限性、NIRS應用研究的未來發展方向與展望方面進行了闡述。

關鍵詞：近紅外光譜技術；腦組織血氧飽和度；監測

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

大腦是人體能量代謝最活躍、需氧及耗氧量最大而氧儲備量最小的器官。大腦血液供應豐富，即使在靜息狀態下，腦的耗氧量也占人體耗氧量的四分之一，且大腦對缺血、缺氧高度敏感，長時間缺氧可造成不可逆的神經損傷[1]。腦損傷致死人群中的缺氧發生率高達90%[2]。在臨床工作中，迫切需要實時準確監測腦組織血氧和血流動力學變化。近紅外光譜技術是一種新型的血氧飽和度監測方法，它可以無創、實時監測局部腦組織血氧飽和度(regional oxygen saturation,rSO2)，評估腦組織氧代謝平衡狀況，可早期發現腦組織的血流異常和血氧供需失衡情況。近年來，該技術在神經外科、心外科、新生兒科等領域發展迅速，現就其監測原理及臨床研究進展與未來發展方向進行綜述。

1基本原理

近紅外光譜技術(near infrared spectroscopy,NIRS)于1977年首先由Jobsis提出，是一種實時、連續的光學診斷方法?；谠摷夹g的rSO2監測儀是使用一個雙波長近紅外光源，發光峰值波長為760 nm和850 nm，對人體組織(頭皮、顱骨等)具有良好的穿透性而較少被散射。當檢測成人腦血氧飽和度時，光源和兩個檢測器的距離分別為30 mm和40 mm；檢測嬰兒和較小兒童的腦血氧飽和度時，光源和兩個檢測器的距離分別為20 mm和30 mm。近紅外光在顱內的主要吸收體是氧合血紅蛋白(HbO2)和還原血紅蛋白(Hb)，二者具有不同的吸收譜。因此，可以用光學方法將二者加以區分。當近紅外光經過人體組織時，組織中的兩種血紅蛋白便會分別對其產生吸收作用，通過測定入射光和反射光強度之差，便可計算得到rSO2[3]。腦組織中存在大量的微細血管，其中動脈血量約占20%，毛細血管血量約占5%，其余約75%皆為靜脈血量。因此，rSO2其實是局部腦組織中動脈、靜脈血氧飽和度的加權平均值，更接近于靜脈血氧飽和度，可反映腦氧供給與消耗的動態平衡狀況。由于該檢測技術不依賴于動脈的搏動，所以，即使在深低溫、低血壓、脈搏微弱的特殊情況下，也可以正常測量腦氧參數，評價組織的氧合狀況。

2NIRS臨床應用研究

2.1NIRS在神經外科中的應用

2.1.1顱腦損傷治療中NIRS腦血氧監測的應用顱腦損傷后繼發性腦缺血、缺氧是病人病情加重或死亡的重要原因，也是影響預后的重要因素之一[2]。及時發現和處理缺血、缺氧狀態可將繼發性腦損傷發生率降低到最小。目前，臨床上普遍應用的動脈血氧飽和度(arterial oxygen saturation,SaO2)、脈搏血氧飽和度(pulse oxygen saturation,SpO2)正常并不能表明病人rSO2亦正常，這些指標皆不能及時、準確地反映腦組織中真正的供氧情況，再加上SaO2監測為有創操作，目前在國內接受度較低。通過NIRS開展的rSO2監測研究發現，rSO2和頸靜脈血氧飽和度(jugular vein oxygen s/Saturation,SjvO2)、腦組織血氧分壓(brain tissue oxygen partial pressure,PbtO2)顯著正相關,且比SjvO2和PbtO2更安全、準確，連續監測rSO2的動態變化可以全面反映腦血氧代謝狀況[4-5]。

2.1.2腦血管疾病治療中NIRS腦血氧監測的應用頸動脈內膜剝脫術(carotid endarterectomy,CEA)中應用NIRS監測rSO2可及時、有效地預防頸動脈內膜手術中急性腦缺血的發生。與其他腦血氧監測手段比較，NIRS擁有更簡便、無創傷、連續測量的優點，能有效地預防CEA相關的圍術期腦血管意外甚至死亡，是CEA術中預測腦缺血、缺氧的有效手段[6]。Nielsen[7]通過評估CEA病人圍術期rSO2、認知功能及體感誘發電位變化，比較rSO2與體感誘發電位在CEA術中的監測意義。結果發現，隨著大腦血流灌注再通，相對于體感誘發電位變化，rSO2升高幅度更明顯，表明NIRS非常有利于臨床圍術期觀察和判斷腦組織血供再通狀況，是CEA圍術期簡單有效的腦血氧監測手段。一般認為，rSO2下降相對值>12%提示腦缺血，提示臨床醫師做出相應的藥理和生理干預[8]。另外，術中rSO2受多種因素的影響，比如動靜脈畸形破裂、突發動脈瘤破裂、腦血管痙攣、平均動脈壓的降低、大腦動脈的臨時性夾閉等諸多原因皆可導致術中rSO2下降，如果rSO2值低于正常(55%～75%)，則表明大腦發生缺血缺氧的幾率較大，提示醫師及早做出相應的對癥處理和搶救措施[9]。Taussky等[10]通過對1 000多例病人(包括蛛網膜下隙出血、缺血性腦卒中、腦出血)同時采用NIRS和CT灌注成像技術分別監測rSO2和局部腦血流量(regional cerebral blood flow,rCBF)，發現二者具有良好相關性，表明NIRS可作為一種有效的、無創的、重癥監護病房床邊實時監測的腦血氧監護手段。

2.1.3腦腫瘤治療中NIRS的應用目前，臨床治療膠質瘤、腦膜瘤等大多數顱內腫瘤公認的最有效治療方式仍然為手術聯合放化療方式，顱內腫瘤手術中腦功能區的識別是手術成敗的關鍵。由于腦功能區激活時氧合血紅蛋白濃度快速升高，同時，脫氧血紅蛋白濃度緩慢下降，只要監測氧合血紅蛋白濃度和脫氧血紅蛋白濃度變化即可定位腦功能活動區域，該原理即為血氧水平依賴法。與核磁共振功能成像技術一樣，目前，NIRS同樣可以利用該原理實現無創實時的腦功能區監測[11]。Fujiwara等[12]使用NIRS和功能核磁技術同時監測腦腫瘤病人瘤周皮層時發現，由于受腫瘤病灶影響，瘤周腦功能區激活時血紅蛋白濃度變化模式異常，單用功能核磁技術不能準確發現腦功能區，造成假陰性錯誤。但與功能核磁技術相比，NIRS可同時監測脫氧血紅蛋白和氧合血紅蛋白濃度變化，且具有更高的時間分辨率，更低廉的應用成本，更少的病人活動限制，更自由的應用環境，若聯合應用NIRS與功能核磁技術，可大大降低功能核磁監測的假陰性錯誤發生率[13]。此外，NIRS還可通過監測腫瘤血氧飽和度特征，直接輔助識別腫瘤部位。其主要機制在于腫瘤結構本身的異質性，即瘤體血管動靜脈比例與正常組織存在差異，造成了瘤體局部組織血氧飽和度異常[14]。

2.1.4血流動力學監測中NIRS的應用穩定的腦灌注壓是腦血流量恒定的決定因素，而腦血流量恒定則是維持正常腦功能的基礎。NIRS檢測腦血流動力學是腦功能監測領域的最新進展，它可以由氧合血紅蛋白變化量(△CHbO2)和脫氧血紅蛋白變化量(△CHb)計算出△CHbD(△CHbD=△CHbO2―△CHb)，而△CHbD能間接反映腦血流量的變化量。Cooper等[15]在7只新生小豬實施頸動脈夾閉實驗過程中，利用NIRS監測△CHbD，并同時監測腦血流量(CBF)，發現二者變化趨勢基本一致，存在顯著相關(R2=0.907)。目前，超聲多普勒技術是國內外臨床公認的反映大腦血流動力學和血管自主調節功能的“金標準”，Budohoski等[16]在實時監測病人平均動脈壓的動態變化下，聯合利用NIRS和經顱多普勒(TCD)技術監測CBF變化，可更加準確和有效地防治蛛網膜下隙出血病人遲發性腦缺血的發生。當然，NIRS應用于血流動力學研究依然處于探索中[17-18]，仍期待更廣泛的臨床應用和更多的臨床研究驗證。

2.2NIRS在心外科中的應用隨著現代醫學技術的飛速發展，體外循環(cardiopulmonary bypass,CPB)下開展心臟外科手術切實有效地提高了心血管疾病病人的存活率，改善了病人的生活質量。雖然該技術已日益完善，并發癥也減少，但是依然存在著一定的風險和并發癥。目前，腦卒中、神經認知功能障礙等術后神經系統損傷仍然為體外循環的常見并發癥[19-21]。平均動脈壓(mean arterial pressure,MAP)低于50 mmHg(1 mmHg=0.133 kPa)時，大腦血流量減少；二氧化碳分壓過低可導致腦血管收縮，腦血管阻力增加，抑制腦靜脈血液回流發生腦水腫等原因皆可導致術后發生腦損傷。其中，低灌注量和腦栓塞是造成腦缺血缺氧最終導致神經系統損傷的關鍵原因[22-24]

因此，在體外循環術中進行腦血氧代謝的監測日益受到關注。徐曉濤[23]通過觀察體外循環中淺、深低溫兩組病人的動脈血氧含量、頸內動-靜脈血氧含量差和腦血氧攝取率變化，發現淺、深低溫條件下，兩組皆可保證在CPB過程中腦血氧供需平衡，但在CPB結束后，由于大腦氧供不足導致組織無氧代謝增加，乳酸出現繼續升高的現象，此現象是否對腦血氧代謝有影響還有待更深入的研究。術后譫妄亦是心臟外科術后發病率較高的認知功能障礙，其發病率高達11.5%～33.6%[24,25]。據劉威等[26]報道，麻醉誘導階段，對照組病人rSO2趨于穩定，而實驗組病人rSO2呈下降趨勢，當體外循環進入低溫階段后，實驗組rSO2下降趨勢更為明顯，伴隨著體外循環停機，病人的rSO2逐漸回升，總體上，術中實驗組病人出現腦血氧失衡的情況更為嚴重，表明體外循環時NIRS可以動態監測腦血氧合狀況的改變，圍體外循環期實施rSO2監測進行腦保護非常必要，以此可以提示手術醫師及時采取相應措施保證病人足夠腦血氧供應，最大限度地降低術后譫妄等認知功能障礙發病率。

2.3NIRS在新生兒科中的應用隨著現代圍生醫學的迅猛發展，早產兒存活率大幅度提高，但早產兒存活后的腦損傷問題卻亦愈顯突出。臨床如何盡早、客觀、準確地評價早產兒的神經發育情況，以便早發現、早處理并最大限度減少后遺癥的發病率成為國內外研究的熱點。早產兒嚴重缺氧窒息后，rSO2呈下降趨勢[27]，采用NIRS早期監測早產兒出生后rSO2和腦血流自主調節功能狀態，可早期預防腦損傷發生和評估神經系統預后[28]。同時，NIRS還可應用于新生兒腦反應性的研究領域[29-30]，早產兒的胎齡和腦損傷程度兩大因素皆可影響腦反應性，早期腦反應性與神經發育密切相關。NIRS為新生兒臨床治療和護理工作提供了一種直接可靠并安全的腦血氧檢測方法。

3NIRS應用研究的影響因素和局限性

隨著國內外學者對NIRS各領域應用的深入研究，其在臨床診斷和治療中的地位已逐漸提高。然而，作為一項新型監測技術，NIRS依然存在著一些影響因素和不足之處，有待進一步改進。據報道，病人的血紅蛋白濃度、年齡可能會影響rSO2的監測結果[31]。另外，體位對腦血氧代謝的影響亦尚未闡明。研究發現，手術過程中病人采取何種體位可能會對rSO2產生影響，不同疾病狀態、不同體位下NIRS檢測結果判斷臨床研究不足[32]。有研究報道，體位抬高30°有利于腦外傷病人降低顱內壓，而對灌注壓和腦氧合沒有不利影響[33]。但也有人提出不一樣觀點，Palazon[34]將10例術中麻醉和機械通氣狀態下的腦出血病人頭位依次從0°升高到30°和45°，發現顱內壓(ICP)、腦灌注壓(CPP)、腦血氧飽和度均降低。國外最新的觀點認為，嚴重腦部受損病人腦血流自主調節能力下降，體位對嚴重腦部受損病人腦血氧飽和度的影響較健康者顯著，而不同體位對不同疾病病人腦血氧飽和度的影響還有待進一步研究論證。因此，在獲得充分的循證醫學證據并形成新的診療指南前，應針對不同病情病人實施個性化監測相關研究[35]。

4NIRS應用研究的未來發展方向與展望

通過NIRS實時監測病人rSO2，臨床醫護人員可直觀地判斷腦血流變化情況和腦血氧供需平衡情況。目前，NIRS正處于從科學研究轉向臨床應用階段，某些臨床領域(如心胸外科術中腦血氧監測等)在歐美等國家已率先開始廣泛應用，相信將來該技術的發展方向將會越來越多：①增加血氧信號的采集部位數量，通過對各個部位間的血氧信號進行相關性分析，研究不同區域腦組織血氧信號變化頻率、幅度、相位等的關聯性，探索不同腦組織區間的功能連接信息。②大幅度增加血氧信號的采樣頻率，通過后期數據處理分析(如小波變換等)得到血氧信號能量的頻譜分布情況，尤其適合于檢測腦血管病變引起的組織氧合異常。③心臟外科手術病人在體外循環期間雖然外周血氧正常，但是否存在腦血氧供不足，探討在體外循環期間如何通過臨床干預手段維持正常的rSO2，以達到降低術后譫妄的發生率等；④深入研究rSO2與其他腦功能監測指標，如顱ICP、CPP、SjvO2、PbtO2之間的相關性，進一步明確發生繼發性腦損傷的rSO2閾值。⑤ICP、CPP、SjvO2、PbtO2聯合經顱多普勒超聲以及誘發電位等技術對病人進行多模式神經監護，全面反映和評估不同疾病病人腦血氧代謝水平和血流動力學實時變化規律，可實現對腦灌注及腦血氧代謝等狀況的綜合評估[36]，為危重癥病人的救助提供更準確的診斷和良好的治療方案提供依據。

采用NIRS實現大腦rSO2的無創、連續監測是一項新興技術，具有使用簡單、靈敏、快捷、實時、連續、無創、可床邊操作等特點，已經受到臨床醫師的廣泛重視。NIRS目前已成為國內外醫學范圍內的研究熱點，將作為臨床醫學上極具發展潛力的研究手段廣泛應用于臨床各領域。

參考文獻:

[1]張鏡如.生理學 [M].第4版.北京:人民衛生出版牡,1996:387.

[2]Kiening KL,H?rtl 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]史潔,陳國強,耿同超.中央區腦膜瘤患者的功能性近紅外光學成像分析及文獻回顧[J].中華臨床醫師雜志,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]淦興.心臟外科指南[M].北京：世界圖書出版公司,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]徐曉濤.低溫體外循環對成人腦氧代謝的影響[D].長春：吉林大學,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]劉威,齊娟,于榮國,等.體外循環術中局部腦氧飽和度與術后譫妄的關系[J].福建醫科大學學報,2011,45(2):143-145.

[27]侯新琳,周叢樂,李志光,等.疾病狀態下新生兒腦組織氧飽和度的測定[J].臨床兒科雜志,2007,24(11):884-886.

[28]劉登禮，邵肖梅，程國強.近紅外光譜儀早期監測腦血流自主調節功能預測早產兒腦損傷[J].臨床兒科雜志,2006，24(3)：173-175.

[29]侯新琳,楊慧霞,周叢樂,等.新生兒出生時腦氧合及血流改變的近紅外光譜研究[J].中國醫刊,2007,42(3):26-29.

[30]候新琳，周叢樂，黃嵐，等.早產兒腦反應性及其神經發育的近紅外光譜評價研究[J].中華兒科雜志,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.

(本文編輯張建華)

(收稿日期：2015-07-16；修回日期：2016-01-15)

中圖分類號：R472

文獻標識碼：A

doi:10.3969/j.issn.1009-6493.2016.11.006

文章編號：1009-6493(2016)04B-1298-04

作者簡介李黎欣，護師，本科，單位：400037，中國人民解放軍第三軍醫大學第二附屬醫院；馬麗萍(通訊作者)單位：400037,中國人民解放軍第三軍醫大學第二附屬醫院。