近紅外光譜成像在腦血管病診療中的應用價值

王詩瑤，許雅雯，張炳蔚

腦血管病的發生機制為腦組織缺血、缺氧或出血導致神經功能缺損，實時監測腦組織氧合和顱內出血情況，及時發現病情變化對腦血管疾病的診治及改善患者預后有重要意義[1]。長期以來，腦血管病的評估主要依靠臨床表現和大型影像設備成像，缺乏腦血氧代謝和顱內血腫的床旁直接探查手段。近紅外光譜成像（near infrared spectroscopy，NIRS）是一種新興的無創監測腦組織血氧供應情況的光學成像技術，具有價格低廉、操作便捷、可床旁監測等特點。NIRS可通過檢測腦組織血紅蛋白等參數，指導臨床對患者進行干預，近年來逐步應用于腦梗死、腦出血、蛛網膜下腔出血（subarachnoid hemorrhage，SAH）等腦血管疾病中。本文介紹NIRS的基本原理及其在腦血管疾病中的應用進展，評價其優勢和不足并提出展望。

1 近紅外光譜成像的原理

1977年，J?bsis[2]最先運用NIRS技術非侵入性地探測到人腦血紅蛋白濃度的變化，此后NIRS技術開始被用于監測腦組織氧合狀態，以及記錄認知、運動等任務誘發的腦皮層激活狀態[3]。近紅外光在人體組織中發生兩種反應，一是被發光基團吸收，二是被組織散射。腦組織在近紅外譜段內（650～1000 nm）對光具有低吸收、高散射的特點[4]。腦組織對近紅外光的散射導致其衰減的量被認為是恒定的，因此，測量到的近紅外光衰減被認為是發光基團吸收所致。人體內的發光基團主要指微循環小血管（直徑＜1 mm）中的氧合血紅蛋白（oxygenated hemoglobin，HbO2）和脫氧血紅蛋白（deoxyhemoglobin，HbD），且不同發光基團具有不同的吸收光譜[4]。NIRS正是基于上述原理實現對HbO2和HbD濃度變化的監測。根據修正Beer-Lambert定律，測得血紅蛋白濃度后可得到局部腦組織血氧飽和度（regional cerebral oxygen saturation，rSO2），該指標是局部腦組織動、靜脈血氧飽和度的加權平均，為NIRS技術中最常用的指標[5]。

2 近紅外光譜成像在腦血管病中的應用

2.1 近紅外光譜成像在腦梗死中的應用 NIRS在急性腦梗死的早期識別中具有很好的應用前景。Moreau等[6]最早對5例平均發病時間為3.5 h的急性腦梗死患者進行了NIRS記錄。該研究采用了頻域NIRS分析法，測量腦組織氧合的百分比，從而量化腦組織氧合水平的絕對值。該研究將腦組織氧合水平與頭顱CT檢查結果結合分析，發現腦梗死患者存在一個或多個腦梗死區的rSO2降低，其rSO2絕對值顯著低于健康對照。2018年，有研究采用204通道可穿戴NIRS裝置，對9例接受靜脈溶栓或血管內治療的腦梗死患者在發病12 h內進行了實時床旁rSO2監測[7]。該研究通過與CTP和MRI灌注成像相比較，評價NIRS在大腦中動脈閉塞腦梗死早期識別中的應用價值。研究結果顯示，所有入組患者的NIRS成像均表現為雙側大腦半球rSO2不對稱，rSO2的減低與腦組織低灌注呈正相關。該研究表明，NIRS可能是通過反映雙側額顳葉rSO2水平的差異，在不使用放射線或造影劑的情況下幫助早期識別腦梗死的。Flint等[8]的一項前瞻性研究通過NIRS監測19例前循環大動脈閉塞腦梗死患者梗死側與健側腦組織的rSO2，結果顯示，NIRS聯合NIHSS評分檢測大動脈閉塞腦梗死患者的靈敏度為84%，特異度為90%，提示NIRS可能有助于確定急性腦梗死患者是否存在前循環大動脈閉塞，與NIHSS評分結合應用，其診斷的特異性更高。

NIRS還有助于對腦梗死患者再灌注治療療效進行評估和預測。有研究表明，對于接受血管內介入治療的腦梗死患者，可以應用NIRS連續監測rSO2評估再灌注是否成功，并預測預后[9-10]。Hametner等[9]對43例接受介入治療的腦梗死患者用雙通道NIRS進行同步監測，發現在介入治療前，90%的患者表現為rSO2明顯降低，在介入治療期間，血管再通的患者表現為患側rSO2小幅增加，且再通后持續增高。另外，治療后患者的半球間rSO2差異較低和rSO2變異性大預示著預后不良。

Damian等[11]對24例大腦中動脈閉塞所致大面積腦梗死患者采用NIRS測量雙側rSO2以監測顱內占位效應。結果顯示，梗死側腦組織與對側腦組織rSO2平均差值進行性下降、對側rSO2升高提示梗死側腦水腫發生，成功進行去骨瓣減壓術后或腦水腫得以控制時，rSO2平均差值顯著升高。該研究提示NIRS用于監測大面積腦梗死患者腦血氧飽和度時，可能預測惡性腦水腫的發生，為去骨瓣減壓手術時機選擇提供臨床證據。

目前腦梗死的院前識別主要依靠病史和臨床癥狀，缺乏客觀檢測指標。急診再灌注治療的神經血管評估則需要反復搬動患者進行檢查。因此，快速、便攜、無創的腦氧合檢測技術有重要的臨床應用價值。NIRS可監測急性腦梗死患者梗死側rSO2的降低，鑒于其具有快速、便攜的優點，將此診斷技術應用到院前卒中急救，有望提高臨床診療效率，改善卒中患者的功能預后[12]。此外，NIRS在腦梗死患者再灌注的療效評估及大面積腦梗死后惡性腦水腫的預測方面，也顯示出了良好的臨床應用前景。不過，目前在上述領域，還缺乏大樣本的研究，相關結論也需要進一步驗證。

2.2 近紅外光譜成像在腦出血中的應用 腦出血后，急性期血腫內的血紅蛋白濃度高于正常腦組織，使得血腫對應腦區的近紅外光吸收率較其他部位更高，因此可以用NIRS早期識別顱內血腫[13]。研究發現，在距離腦表面＜2.5 cm、出血量＞3.5 mL時，用NIRS檢測腦出血的敏感性和特異性分別是93%和87%[14]。2012年，Salonia等[15]將NIRS應用于檢測兒童（0～14歲）腦出血。研究者在患兒的雙側半球設置8個探測位置，將任意兩個位置的光密度差值＞0.2定義為異常，并將所得結果與頭顱CT的檢查結果相比較，發現NIRS檢測腦出血的敏感度及特異度分別是100%及80%。該結果提示NIRS對診斷腦出血有一定的應用前景，尤其適用于嬰幼兒等不適合反復進行放射線檢查的患者群體。

近年來，便攜式NIRS裝置用于腦出血的早期檢測受到研究者關注。Semenova等[16]應用手持NIRS檢測了93例兒童腦損傷患者的顱內血腫情況，并對43例患兒進行了頭顱CT檢查，其中39例患者NIRS的監測結果與CT結果一致，NIRS診斷腦內血腫的敏感度為100%，特異度為91%。

另有多項研究也證實了NIRS對監測腦出血具有較高的敏感性和特異性[17-19]。限于NIRS的探測深度，目前NIRS對深部腦出血的診斷和監測能力還有所不足，主要是作為近皮層腦出血的監測工具，可對疑似腦出血或血腫擴大的患者進行早期預測，以提示臨床對患者及時復查頭顱CT或進行手術干預。

2.3 近紅外光譜成像在蛛網膜下腔出血中的應用 SAH常見且嚴重的神經系統并發癥是遲發性腦缺血（delayed cerebral ischemia，DCI），早期發現和及時處理DCI是爭取良好臨床預后的關鍵。腦血管痙攣是DCI的重要病因，也是SAH急性期治療的主要關注點[20]。臨床上TCD是檢測SAH后血管痙攣的主要工具，但其敏感性不高，且對操作者技術的依賴性強、解剖定位困難[21-23]。因此，對于SAH患者，需要一種簡單無創、可連續床邊監測的方法來評估腦缺血狀態。

多項研究表明，NIRS在檢測SAH后血管痙攣方面有一定的優勢[21-22，24]。Park等[23，25]連續14 d測定52例SAH患者的腦組織rSO2，根據是否發生DCI分析rSO2的差異，利用AUC比較NIRS和TCD檢測腦血管痙攣的準確性。研究結果顯示，以SO2下降率＞12.7%為標準，NIRS診斷DCI的敏感度為94.44%，而TCD的敏感度為75.0%，表明NIRS觀察到的rSO2可用于DCI的實時監測并在敏感度上優于TCD。此外，NIRS還可能用于評估SAH患者腦血管痙攣后使用擴血管藥物的治療效果。Meng等[26]通過NIRS對21例接受維拉帕米治療腦血管痙攣的開顱術后患者進行rSO2監測，發現動脈注射維拉帕米可導致rSO2的變化，提示NIRS測定rSO2可能作為維拉帕米等干預措施在實施過程中腦循環變化的監測手段。因此，未來NIRS有望用來評估SAH誘發的腦血管痙攣用藥后的腦血管反應性。

2018年的一項研究通過NIRS監測SAH患者rSO2和平均動脈壓（mean arterial pressure，MAP）之間的相關性，探討腦自動調節功能與DCI的關系，結果顯示，SAH分級越差，腦自動調節功能損害越明顯，越易發生DCI[27]。Silverman等[28]用NIRS對31例SAH患者進行rSO2監測，并與有創顱內壓監測結果進行對比，證明有創顱內壓監測和NIRS無創監測確定最佳MAP都是可行的，且一致性較好。此外，研究還發現，超過個體化腦自動調節極限的患者預后較差。因此，NIRS可用于評估不適合進行有創顱內壓監測SAH患者的最佳血壓參數，在血壓優化和以血流動力學為目標的神經保護方面具有應用價值。

在一項關于SAH預后評估的分析中，有研究采用NIRS監測了163例動脈瘤破裂后5～10 d的SAH患者，以rSO2作為監測指標，mRS評分4～6分作為不良結局指標，結果發現30 min內腦組織rSO2下降50%與3個月功能不良獨立相關[29]。在另一項針對38例SAH患者的小型研究中，研究者評估了腦組織rSO2＜60%的時間與患者短期結局（GCS評分）的關系，結果發現結局不良的患者比結局良好的患者rSO2下降的時間更長[30]。還有研究也同樣證明腦組織rSO2下降發作持續超過2 h的患者短期結局不良的風險顯著高于rSO2無降低的患者[31]。

綜上，NIRS未來可能實現對SAH患者腦組織rSO2的動態監測，在術后DCI的發生及功能結局的預測方面有巨大的應用潛力。

3 近紅外光譜成像的優勢與不足

由于NIRS的信號檢測原理天然契合腦血管病的病理生理機制，該領域研究正在興起。一方面，NIRS可以實現床旁實時動態監測，適用于危重癥等不易移動或不適合移動的患者，且檢查過程中不需嚴格限制被試動作，對運動偽跡不敏感，尤其適用于嬰幼兒、老年人、有溝通或認知障礙等特殊群體。此外，NIRS電磁兼容性好、抗干擾能力強，可與腦電、經顱磁刺激等配合使用，能同時、連續檢測多種血流動力學參數等特點也是其獨特優勢[4，32]。

另一方面，NIRS目前仍存在技術上的不足。首先，NIRS缺乏解剖學特異性，定位能力受限，且信號不能覆蓋全腦，相較于MRI等檢查，其空間分辨率略低，缺乏腦血管疾病的診斷閾值[33]。加之近紅外光探測深度有限，只能穿透皮膚表面3 cm以內的組織。此外，顱外因素、皮膚的灌注度、硬腦膜的血供或鄰近靜脈竇的異常靜脈引流等也會影響NIRS的測量結果[34]。

4 展望

NIRS近年來在腦血管病領域逐漸從科學研究轉向臨床應用。鑒于其技術的局限性，目前還不能替代其他影像學檢查及有創監測。其應用場景、光信號分析技術、測量指標的選取還需進一步完善。未來可與其他技術聯合進行多模態監測，作為影像學檢查的重要補充，提高解剖定位精度，確定各種腦血管疾病的rSO2診斷閾值。此外，應加強NIRS設備研發，使其進一步微型化、可穿戴化，結合人工智能分析等技術手段，開發適合NIRS的卒中應用場景（如120急救系統、基層社區醫療機構、卒中專科急救單元等）和適宜裝備，使腦血管病院前、院內的精準動態實時評估成為可能。

【點睛】近紅外光譜成像可通過直接探查腦血管病患者的腦血氧供應和顱內血腫情況，實現疾病的床旁早期診斷及病情評估。