近紅外光譜技術(shù)在大腦研究中的應(yīng)用.pdf

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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)存在一個光譜窗(SpectralWindow)如圖1所示在這個光譜窗內(nèi)生物組織對光線的吸收作用大大降低同時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)對大腦幾個生理參數(shù)進行測量的研究工作作

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是消耗能量多代謝率極高而腦組織幾乎沒有能量儲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)需要對大腦的供氧情況進行連續(xù)監(jiān)護而目前還缺少可靠的監(jiān)護手段由于近紅外光譜技術(shù)(NIRS)可以無損地連續(xù)監(jiān)測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)測與腦氧檢測相關(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體之間的測量差異并進一步做到定量

3、化測量NIRS測量原理是基于改進的Lambert-Beer定律測量過程中假設(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條件并不能嚴格成立另外還需要假設(shè)顱腦外層組織對測量結(jié)果的影響可以忽略不計這個假設(shè)條件可適用于嬰兒對于成人則會引入較大的誤差因此目前大多數(shù)NIRS組織氧監(jiān)測儀只能做到半定量測量(即測量一個相對于基線的時間變化量)由于不能進行定量測量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時域(或頻域)測量技術(shù)給絕對定量化測量帶來了希望這兩種技術(shù)的基本原理相同都是通過對光子擴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進一步計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)從理論上來說時域(或頻域)測量技術(shù)是可以做到定量化檢測在絕對定量化測量的基礎(chǔ)上還可以進一步發(fā)展光學(xué)成像技術(shù)這也是近紅外光譜技術(shù)研究中的一大熱點時域和頻域測量技術(shù)的主要區(qū)別在于探測光源和檢測手段的不同前者利用一個皮秒級的超短脈沖光源測量光線在通過人體之后的時間延遲后者利用一個數(shù)百兆赫茲的高頻調(diào)制光源測量對象是正弦調(diào)制光通過人體之后的相位延遲從技術(shù)實現(xiàn)角度上講由于頻域技術(shù)良好的便攜性和較低的造價使其更具臨床發(fā)展前景而時域技術(shù)則較多地用于實驗室中的研究工作NIRS組織氧檢測技術(shù)中的一個問題是其檢測到的血氧飽和度是被測區(qū)域動脈靜脈毛細血管中血液

5、的混合值而且這些血管對測量結(jié)果的貢獻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而利用一個固定的動靜脈貢獻比率進行簡單的加權(quán)處理顯然是不合適的由于目前還沒有其他的標(biāo)準(zhǔn)方法來測量這種混合的飽和度通常的作法是利用一個血液參數(shù)可調(diào)節(jié)的大腦仿真模型來驗證NIRS的測量結(jié)果腦血流量(CBF)正常情況下由于大腦的腦血流自動調(diào)節(jié)功能腦血流(CBF)可以保持相對的恒定如果某些病理因素導(dǎo)致CBF調(diào)節(jié)破壞其結(jié)果都會影響腦血液循環(huán)從而引起該腦區(qū)機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在腦功能研究中也很有意義同大多數(shù)腦血流測試方法

6、一樣NIRS測量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行連續(xù)的動態(tài)監(jiān)測如圖3所示測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脈血氧飽和度(SaO2)出現(xiàn)一個持續(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為一個常數(shù)[tHb]是組織中血

7、紅蛋白濃度的總量測量過程中利用NIRS檢測儀測定腦組織中氧合血紅蛋白濃度的變化量D[HbO2]同時利用脈搏血氧計來監(jiān)測動脈血氧飽和度的變化量DSaO2CBF測量中假設(shè)DHbO2都是由動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)條件需要在一個很短的時間內(nèi)完成測量這個時間要小于血液流經(jīng)大腦所需的時間在測量過程中還要求腦血流量(CBF)腦血容量(CBV)保持相對恒定腦攝氧量相對不變動物研究和