近红外光谱技术在大脑研究中的应用.pdf

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1、近红外光谱技术在大脑研究中的应用关键词:近红外光谱脑无损检测赵军丁海曙周丛乐本文作者赵军先生清华大学生物医学工程系博士研究生;丁海曙先生教授博士生导师;周丛乐女士北京大学医学部第一医院儿科教授前言研究表明人体在700~900nm这段近红外区域内存在一个光谱窗(SpectralWindow)如图1所示在这个光谱窗内生物组织对光线的吸收作用大大降低同时氧合血红蛋白和还原血红蛋白的吸收光谱的差异仍然可以分辨由于近红外线对人体组织具有较好的穿透性(可深入皮下数厘米)足以到达大脑皮层这使得近红外光谱(NIRS)在大脑研究方面具有良好的应用前景本文就利用近红外光谱技术对大脑几个生理参数进行测量的研究工作作

2、一些介绍脑氧饱和度脑是人体最娇嫩的器官其组织代谢的最大特点是消耗能量多代谢率极高而脑组织几乎没有能量储存脑部葡萄糖的代谢几乎全是需氧过程要维持脑组织的正常功能就必须连续地供应氧和葡萄糖在许多临床情况下(特别是一些心血管手术中)需要对大脑的供氧情况进行连续监护而目前还缺少可靠的监护手段由于近红外光谱技术(NIRS)可以无损地连续监测组织中的氧合血红蛋白(HbO2)和还原血红蛋白(Hb)的浓度该技术出现之后最早就应用于新生儿脑氧监测与脑氧检测相关的研究在NIRS研究中占了相当大的比重NIRS脑氧监测仪的商业化产品也已经通过FDA批准目前研究者关注的问题在于如何消除个体之间的测量差异并进一步做到定量

3、化测量NIRS测量原理是基于改进的Lambert-Beer定律测量过程中假设光路径长度和散射系数保持不变而通常情况下这两个条件并不能严格成立另外还需要假设颅脑外层组织对测量结果的影响可以忽略不计这个假设条件可适用于婴儿对于成人则会引入较大的误差因此目前大多数NIRS组织氧监测仪只能做到半定量测量(即测量一个相对于基线的时间变化量)由于不能进行定量测量NIRS在临床上的应用受到一定限制近年来发展起来的NIRS时域(或频域)测量技术给绝对定量化测量带来了希望这两种技术的基本原理相同都是通过对光子扩散方程的近似求解直接得到组织的吸收系数µa约化散射系数µs进一步计算出氧合血红蛋白浓度(HbO2)和还

4、原血红蛋白浓度(Hb)以及脑氧饱和度rSO2等临床生理参数从理论上来说时域(或频域)测量技术是可以做到定量化检测在绝对定量化测量的基础上还可以进一步发展光学成像技术这也是近红外光谱技术研究中的一大热点时域和频域测量技术的主要区别在于探测光源和检测手段的不同前者利用一个皮秒级的超短脉冲光源测量光线在通过人体之后的时间延迟后者利用一个数百兆赫兹的高频调制光源测量对象是正弦调制光通过人体之后的相位延迟从技术实现角度上讲由于频域技术良好的便携性和较低的造价使其更具临床发展前景而时域技术则较多地用于实验室中的研究工作NIRS组织氧检测技术中的一个问题是其检测到的血氧饱和度是被测区域动脉静脉毛细血管中血液

5、的混合值而且这些血管对测量结果的贡献率也不一样大脑的解剖学研究表明大脑中的血液大部分存在于静脉中静脉血管容积占总血管容积的2/3~4/5而利用一个固定的动静脉贡献比率进行简单的加权处理显然是不合适的由于目前还没有其他的标准方法来测量这种混合的饱和度通常的作法是利用一个血液参数可调节的大脑仿真模型来验证NIRS的测量结果脑血流量(CBF)正常情况下由于大脑的脑血流自动调节功能脑血流(CBF)可以保持相对的恒定如果某些病理因素导致CBF调节破坏其结果都会影响脑血液循环从而引起该脑区机能的紊乱研究表明脑损伤与脑血流循环破坏程度紧密相关另外局部脑血流的检测在脑功能研究中也很有意义同大多数脑血流测试方法

6、一样NIRS测量CBF也是基于Fick原理即首先在脑组织中选择某种物质作示踪物然后检测该示踪物在脑组织和血管中的浓度变化根据变化值推算出CBF与这些测量方法的不同之处在于NIRS方法利用人体自身的氧合血红蛋白HbO2作为示踪物避免了注射某些辐射性示踪物的不良影响而且可以进行连续的动态监测如图3所示测量过程中短暂改变受试者吸入气体的氧分压使得受试者的动脉血氧饱和度(SaO2)出现一个持续数秒钟的突然上升过程相应地大脑中的氧合血红蛋白(HbO2)也有一个增加量如果将HbO2作为示踪物则CBF可以由下式求得K⋅∆[HbO]2CBF=t[tHb]⋅∆SaOdt∫20其中K为一个常数[tHb]是组织中血

7、红蛋白浓度的总量测量过程中利用NIRS检测仪测定脑组织中氧合血红蛋白浓度的变化量D[HbO2]同时利用脉搏血氧计来监测动脉血氧饱和度的变化量DSaO2CBF测量中假设DHbO2都是由动脉血的流入所引起的忽略了静脉流出的影响为了满足这一假设条件需要在一个很短的时间内完成测量这个时间要小于血液流经大脑所需的时间在测量过程中还要求脑血流量(CBF)脑血容量(CBV)保持相对恒定脑摄氧量相对不变动物研究和