近紅外光譜在醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面的最新進展

吳敏，胡高峰，姚文坡，干振華，徐達軍，黃亞萍，汪長嶺

1.南京軍區(qū)南京總醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，江蘇 南京 210002；2.南京醫(yī)科大學(xué)康達學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)工程系，江蘇 南京210029

近紅外光譜在醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面的最新進展

吳敏1，胡高峰2，姚文坡1，干振華1，徐達軍1，黃亞萍1，汪長嶺1

1.南京軍區(qū)南京總醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，江蘇 南京 210002；2.南京醫(yī)科大學(xué)康達學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)工程系，江蘇 南京210029

近紅外光譜（Near Infrared Spectrum Instrument，NIRS）是一種介于可見光和中紅外光之間的電磁輻射波。使用NIRS技術(shù)進行檢測，具有方便、快捷、高效、準確的特點，因此它在多個領(lǐng)域尤其是在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域扮演著重要角色。本文首先對NIRS技術(shù)的基本概念和發(fā)展歷史做了簡單介紹；其次，論述了NIRS技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用，以及近年來該技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展狀況。探討了NIRS技術(shù)在離體檢測、臨床醫(yī)學(xué)、麻醉深度監(jiān)測以及新生兒腦組織氧檢測等方面的應(yīng)用。文章的最后，對NIRS技術(shù)的未來應(yīng)用方向進行了簡單討論。

近紅外光譜；離體檢測；局部腦氧飽和度；腦功能成像；認知神經(jīng)科學(xué)

引言

1800年，Herschel在進行太陽光譜可見區(qū)紅外部分能量測量時，發(fā)現(xiàn)了近紅外光譜（Near Infrared Spectrum Instrument，NIRS），上世紀30年代，紅外光譜分析技術(shù)作為一種有用的分析手段開始得到認可。隨著紅外儀器技術(shù)的發(fā)展，近紅外光譜區(qū)作為一段單獨的，且具有獨特信息特點的譜區(qū)得到了人們的重視，并有了新的發(fā)展。

上世紀60年代，NIRS技術(shù)發(fā)展創(chuàng)始人Norris帶領(lǐng)的課題組進行了大量光譜學(xué)方法的論證，這為后來NIRS分析儀器的發(fā)展提供了基礎(chǔ)。Jobsis最先利用NIRS技術(shù)獲得了腦組織的血氧參數(shù)信息，但是該方法的空間分辨率不夠高，后來，Rostrup和Masak通過點陣排列近紅外光纖探頭，并結(jié)合磁共振等技術(shù)，實施圖像匹配，提高了NIRS技術(shù)的分辨率。Kawalski和他的研究生們最先將偏最小二乘回歸技術(shù)應(yīng)用到光譜學(xué)技術(shù)中，但直到最近幾年，偏最小二乘回歸技術(shù)才在近紅外分析技術(shù)中得以應(yīng)用和推廣。NIRS分析技術(shù)歷經(jīng)半個世紀的發(fā)展，已經(jīng)成為新世紀最有應(yīng)用前途的分析技術(shù)之一[1]。

1 NIRS的離體檢測

1.1 NIRS在中藥學(xué)方面的應(yīng)用

近紅外光的光譜信息來源于分子內(nèi)部振動的倍頻與合頻，主要反映的是分子中C-H、N-H與O-H基團的倍頻與合頻振動吸收，因此近紅外光常被用來測定含有這些基團的有機物。該檢測技術(shù)具有分析速度快、效率高、成本低等特點，由于在檢測過程中不需要對樣品進行預(yù)處理，所以NIRS技術(shù)能夠做到對樣品的無損檢測，有利于實現(xiàn)在線分析。近年來，NIRS技術(shù)在中藥材的鑒定（品種分類、中藥真?zhèn)舞b別、藥材產(chǎn)地分析）、中藥成分摻假檢測、生產(chǎn)過程分析以及中藥制劑的快速檢測方面有著廣泛應(yīng)用[2]，NIRS分析技術(shù)的推廣對中藥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有很大的影響。但是，由于NIRS分析技術(shù)并不是一種直接分析技術(shù)，其準確性依賴于分析過程中所建立的定性識別模型和定量分析模型，而基于少量樣品建立的模型在實際應(yīng)用中難以推廣，因此需要投入大量的人力、物力、財力建立一個比較準確的模型。

1.2 NIRS在人體體液分析中的應(yīng)用

NIRS檢測具有無創(chuàng)的特點，因此可以用于人體體液成分的分析。賴昭勝等[3]通過偏最小二乘回歸技術(shù)結(jié)合一階導(dǎo)數(shù)激光譜法，利用NIRS測試分析了尿液中葡萄糖的濃度。研究表明，測定結(jié)果線性關(guān)系顯著，預(yù)測的結(jié)果較為理想，NIRS技術(shù)能夠為尿糖檢測提供一種快速分析的手段。劉騫[4]通過NIRS，結(jié)合MATLAB軟件，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進行建模，進行適當(dāng)?shù)臉颖緮?shù)據(jù)訓(xùn)練后，最終預(yù)測了人體血液酒精含量，這一結(jié)果對于利用近紅外動態(tài)光譜法進行人體酒精含量檢測具有一定的積極意義。

2 NIRS在臨床醫(yī)學(xué)的應(yīng)用

2.1 NIRS在血液成分無創(chuàng)檢測中的應(yīng)用

血液成分無創(chuàng)檢測具有安全、快速、低成本和無污染等特點，它對改進現(xiàn)代檢驗醫(yī)學(xué)和提高人民生活質(zhì)量均有著重要意義。但到目前為止，僅有血氧、血紅蛋白兩項指標在臨床上實現(xiàn)了無創(chuàng)檢測[5]，其余血液參數(shù)尚沒有通過FDA認證的可用于臨床無創(chuàng)檢測的方法和設(shè)備，血液成分無創(chuàng)檢測依舊是世界醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域的熱點課題之一。近紅外光對組織和體液具有良好的穿透性[6]，通過檢測攜帶血液信息的NIRS，可以間接的分析出血液中多種成分的含量信息，進而實現(xiàn)無創(chuàng)檢測。

20世紀70年代，Kaiser[7]開始嘗試用光學(xué)方法測量人體成分，但直到1987年，使用NIRS測量人體血糖的方法首次被提出，無創(chuàng)傷血糖測量法才開始被研究人員所關(guān)注[8]。該測量方法的原理如下：葡萄糖是血液中主要的糖類，醫(yī)學(xué)上稱為血糖，它包含多個羥基和甲基，這些羥基和甲基能在近紅外光下產(chǎn)生吸收近紅外光的含氫官能團，使用NIRS分析技術(shù)和化學(xué)計量學(xué)方法處理這些光信息，建立預(yù)測模型，從而計算血糖濃度[9]。

天津大學(xué)徐可欣教授課題組在NIRS無創(chuàng)檢測領(lǐng)域做了大量的基礎(chǔ)性研究，提出浮動基準法無創(chuàng)血液成分檢測理論，并以手指指腹為測量位置，針對血糖和血紅蛋白濃度進行了多次臨床采集，提高了無創(chuàng)檢測精度。王慧泉等[10]基于動態(tài)光譜理論，提出了使用有效波長數(shù)作為數(shù)據(jù)質(zhì)量評價標準，并通過臨床實驗結(jié)果對評價標準的有效性進行驗證。臨床實驗結(jié)果表明，采用有效波長數(shù)質(zhì)量評價標準后，血紅蛋白、血糖和總膽固醇濃度的預(yù)測誤差分別從5.4%、15.8%和13.8%降低到2.1%、6.5%和6.5%，驗證了在臨床上采用該質(zhì)量評價標準，對提高血液成分無創(chuàng)檢測精度的有效性。目前，近紅外反射光譜技術(shù)主要集中應(yīng)用于組織液內(nèi)成分含量的檢測，通過一個成分傳遞延遲模型，可以大致推測出血液內(nèi)成分的含量。郭嘉[11]設(shè)計的可編程多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，大大提高了血液無創(chuàng)檢測數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)乃俣取?/p>

2.2 功能NIRS在麻醉深度監(jiān)測中的應(yīng)用

在臨床手術(shù)中，監(jiān)測麻醉深度是保證麻醉質(zhì)量和手術(shù)安全的重要方法。功能NIRS分析技術(shù)作為NIRS分析技術(shù)的延伸，具有非侵入式的特點，能夠用于手術(shù)中麻醉深度的監(jiān)測。

通過時域或時間分辨系統(tǒng)、頻域或相位解析系統(tǒng)、連續(xù)光系統(tǒng)或恒穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)3種已經(jīng)比較成熟的技術(shù)手段，目前已經(jīng)實現(xiàn)對腦部功能的檢測。功能NIRS分析技術(shù)是否可以準確的反應(yīng)腦部神經(jīng)的功能性活動，以及該技術(shù)所提供的腦部神經(jīng)活動的信息是否可以用來表示手術(shù)麻醉深度狀態(tài)，是利用功能NIRS分析技術(shù)實現(xiàn)麻醉深度檢測需要解決的兩個主要問題[12]。

Niederhauser等[13]證明了，當(dāng)外周神經(jīng)受到刺激時，可以通過功能性NIRS分析技術(shù)的局部皮層電信號和腦部血氧濃度變化信號來感應(yīng)腦部軀體皮層的活動狀態(tài)，從而進行實時監(jiān)測，然而試驗條件下獲得的血液動力學(xué)變化反應(yīng)，并不能夠應(yīng)用于臨床診斷。Leff等[14]通過系統(tǒng)的整理，并分析近些年來的相關(guān)實驗得出，雖然實驗采用的運動刺激方式、功能NIRS分析儀器和實驗設(shè)計等不盡相同，但均得出了類似的試驗結(jié)果，這證明了功能性NIRS分析技術(shù)能夠有效監(jiān)測腦皮質(zhì)層的運動反射神經(jīng)活動，且監(jiān)測信號具有特異性。

臨床手術(shù)中使用的麻醉藥物與手段有很多種，因此需要對功能性NIRS分析技術(shù)的信號與麻醉藥物的相關(guān)性進行驗證。Jinnouchi等[15]證明了，在實際臨床手術(shù)復(fù)合式麻醉條件下，NIRS的HbO2信號與麻醉狀態(tài)有關(guān)。Naguib等[16]通過對病患進行意識水平測試，證明了功能性NIRS分析技術(shù)信號變化與腦電雙頻指數(shù)變化有關(guān)。

目前，功能NIRS分析技術(shù)用于麻醉深度監(jiān)測的可能途徑，是利用功能NIRS技術(shù)監(jiān)測麻醉深度和現(xiàn)有麻醉深度監(jiān)測技術(shù)的信息融合方法[17]，對功能NIRS分析技術(shù)進行獨立的開創(chuàng)性麻醉深度監(jiān)測研究。現(xiàn)階段，在臨床手術(shù)中，腦電檢測的相關(guān)技術(shù)在麻醉深度檢測中仍占主導(dǎo)地位，在今后的發(fā)展中，功能性NIRS分析技術(shù)與現(xiàn)有麻醉深度監(jiān)測技術(shù)信息融合將為術(shù)中麻醉深度監(jiān)測提供更為有益的條件。

2.3 NIRS技術(shù)在新生兒腦組織氧檢測中的應(yīng)用

1977年，NIRS技術(shù)在新生兒腦組織氧檢測方面得到應(yīng)用。J?bsis首先使用NIRS技術(shù)對腦組織氧代謝進行監(jiān)測，隨后，該技術(shù)被應(yīng)用到危重新生兒的監(jiān)測，并與心率、呼吸監(jiān)測同步進行，觀察新生兒驚厥發(fā)作、呼吸暫停等病理狀態(tài)下腦組織氧的變化。除此之外，該技術(shù)還被用來對新生兒特殊治療時腦組織氧代謝變化進行監(jiān)測，如使用消炎痛、氨茶堿治療時腦組織氧的變化。也有部分學(xué)者使用NIRS對早產(chǎn)兒腦血流變化進行研究，目前該技術(shù)在多個國家的新生兒臨床監(jiān)測中得以運用，并且主要是運用在NICU中。

為了進一步探討NIRS在新生兒臨床應(yīng)用中的價值，1994年，北京大學(xué)第一醫(yī)院兒科新生兒專業(yè)與清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系合作，在動物實驗以及其他學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，進行了新生兒腦組織氧檢測的應(yīng)用與實驗研究[18-19]。通過新生動物實驗，驗證了NIRS測定儀對腦組織氧檢測的敏感性。

2007年，北京大學(xué)第一醫(yī)院兒科牽頭進行了全國9家醫(yī)院多中心研究，通過對480例健康足月兒的檢測，獲得腦組織氧飽和度（Regional Oxygen Saturation，rSO2）參考范圍為（62±2）%，以低于兩個標準差（即58%）作為腦組織缺氧標準。腦rSO2與SpO2及SaO2呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r分別為0.72和0.74。腦組織氧的變化受到多種機制的調(diào)節(jié)與影響，分析檢測資料可見，呼吸系統(tǒng)疾病時，腦氧合正常；循環(huán)系統(tǒng)疾病時，腦rSO2與心率變化相關(guān)聯(lián)，大腦前動脈平均血流速度開始代償性增高，腦損傷開始出現(xiàn)。

深圳學(xué)者利用NIRS，對出生后的宮內(nèi)窘迫新生兒隨即進行腦組織氧檢測，發(fā)現(xiàn)最終發(fā)展為缺氧缺血性腦病的患兒，產(chǎn)程中胎頭顯露時及出生后5 min兩個時間點腦組織rSO2分別為（36.6±5.0）%和（52.0±4.2）%，而僅存在宮內(nèi)窘迫、未發(fā)展為缺氧缺血性的新生兒同時間點腦組織rSO2分別為（44.1±3.1）%和（57.6±3.5）%，且腦組織rSO2與臍動脈血氣pH值、SaO2間呈良好正相關(guān)關(guān)系[20]。

NIRS技術(shù)在窒息新生兒腦氧檢測方面也有著一定應(yīng)用，其應(yīng)用對及早發(fā)現(xiàn)腦損傷，指導(dǎo)臨床早期干預(yù)，改善窒息新生兒的預(yù)后起著一定的積極作用。羅佩施等[21]將108例足月窒息新生兒分為NIRS組（n=54）和對照組（n=54），并對所有患兒進行窒息復(fù)蘇后的常規(guī)護理。對NIRS組進行出生后6、12、24、72 h的腦組織氧飽和度檢測，對對照組在上述時間進行脈搏氧飽和度檢測。將兩組患者腦氧檢測情況進行比較，并且與72 h CT檢測結(jié)果進行比較。通過比較分析發(fā)現(xiàn)，所有患兒監(jiān)護過程中均沒有明顯腦干癥狀出現(xiàn)。通過對相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析總結(jié)，得出NIRS檢測的敏感度、特異度和準確度均高于SpO2檢測。

2.4 NIRS技術(shù)在神經(jīng)外科患者腦氧監(jiān)測方面的應(yīng)用

繼發(fā)性腦缺氧是顱腦創(chuàng)傷后病情加重甚至死亡的主要原因，也是影響患者預(yù)后的重要因素之一。Kampfl等[22]依據(jù)顱內(nèi)壓（Intracranial Pressure，ICP）<25 mmHg和>25 mmHg的標準，將65例重型顱腦外傷患者分為A、B兩組，結(jié)果發(fā)現(xiàn)B組的rSO2顯著低于A組，而且在給予一段時間的高流量氧吸入后，A組rSO2有顯著增高，B組則未觀察到該變化，提示ICP與rSO2之間呈顯著負相關(guān)關(guān)系。一般認為，顱腦外傷后腦灌注壓應(yīng)維持在60～70 mmHg以上，否則腦的灌注將受到明顯影響。Dunham等[23]對4例重型顱腦創(chuàng)傷患者進行了持續(xù)6 d的腦氧飽和度和腦灌注壓監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)腦氧飽和度和腦灌注壓顯著相關(guān)，當(dāng)腦氧飽和度下降至55%以下時，68.2%的時間腦灌注壓<70 mmHg，這表示腦灌注不足，以上結(jié)果表明即使腦灌注壓>70 mmHg，仍有可能存在腦缺氧（rSO2﹤55%）。然而，當(dāng)腦灌注壓>70 mmHg時，96.4%的時間rSO2值>75%，這表示當(dāng)大腦氧飽和度值>75%時，醫(yī)務(wù)人員可推測腦灌注壓在正常范圍內(nèi)，無須再進行有創(chuàng)的灌注壓監(jiān)測。這一研究表明，NIRS可以在神經(jīng)外科患者腦氧監(jiān)測中成為替代顱內(nèi)壓監(jiān)測的無創(chuàng)監(jiān)測方法。

在腦血管疾病治療中，NIRS對腦氧監(jiān)測更具靈敏性。Zweifel等[24]發(fā)現(xiàn)rSO2升高與血管痙攣緩解、臨床癥狀改善相一致，通過動脈成像觀察到動脈痙攣與同側(cè)的rSO2下降顯著相關(guān)，而且痙攣程度增加（尤其是血管直徑減少75%以上時），則同側(cè)rSO2大幅降低，表明NIRS可以同步檢測到繼發(fā)于血管痙攣的腦氧降低，且具有很高的靈敏性；McCormick等[25]讓7名自愿受試者吸入低氧濃度混合氣體（FiO2=7%），造成短暫性缺氧，同時嚴密監(jiān)測EEG、SaO2、SpO2、rSO2各項指標變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，腦血氧飽和度的下降與吸入氧濃度的改變幾乎同時發(fā)生，甚至與EEG產(chǎn)生變化時間相比，rSO2下降提早了約2 min，這證明NIRS監(jiān)測技術(shù)更具靈敏性，它能在其它監(jiān)測參數(shù)尚在正常范圍時便能更早地檢測出腦缺氧。Taussky等[26]對1287例患者（包括蛛網(wǎng)膜下腔出血、缺血性腦卒中、腦出血）同時使用NIRS和CT灌注成像技術(shù)，分別檢測患者腦氧飽和度和局部腦血流量，發(fā)現(xiàn)兩者之間具有良好相關(guān)性，表明NIRS可作為一種有效的、非侵入的、可在重癥監(jiān)護病房床旁實時監(jiān)測的腦氧監(jiān)測手段。

對于腫瘤的臨床治療來說，早發(fā)現(xiàn)意味著臨床醫(yī)生將有更多的時間挽救患者生命。目前除了核磁共振功能成像技術(shù)之外，NIRS一樣能夠通過血氧水平依賴法實現(xiàn)無創(chuàng)實時腦功能區(qū)監(jiān)測。Fujiwara等[27]使用NIRS及功能核磁技術(shù)同時監(jiān)測腦腫瘤患者瘤周皮層時發(fā)現(xiàn)，受腫瘤病灶影響，瘤周腦功能區(qū)激活時血紅蛋白濃度變化模式異常，單用功能核磁技術(shù)不能準確定位腦功能區(qū)，容易造成假陰性錯誤。與功能核磁技術(shù)相比，NIRS技術(shù)具有更高的時間分辨率、更自由的應(yīng)用環(huán)境、更少的患者活動限制以及更低廉的應(yīng)用成本。更重要的是，相較于功能核磁技術(shù)僅僅監(jiān)測脫氧血紅蛋白濃度的局限性，NIRS可同時監(jiān)測脫氧血紅蛋白和氧合血紅蛋白，如果將NIRS技術(shù)和功能核磁技術(shù)進行聯(lián)合應(yīng)用，則可大大降低功能核磁監(jiān)測的假陰性錯誤發(fā)生率[28]。此外，NIRS技術(shù)不僅可對腦功能區(qū)進行定位，同時可通過監(jiān)測腫瘤血氧飽和度特征直接進行腫瘤輔助識別[29]。

2.5 NIRS技術(shù)在高級認知神經(jīng)科學(xué)研究中的應(yīng)用

NIRS技術(shù)在工作記憶研究、自然情境下認知過程研究、發(fā)展性閱讀障礙研究中都有著一定的應(yīng)用[30]。如華中科技大學(xué)生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)教育部重點實驗室，采用言語性n-back作業(yè)范式，監(jiān)測被試在執(zhí)行言語性n-back任務(wù)時前額葉皮層的激活情況，并分析被試的行為表現(xiàn)及腦激活數(shù)據(jù)。通過結(jié)合自主研制的3波長近紅外腦功能光學(xué)成像系統(tǒng)，考察被試行為表現(xiàn)及前額葉的工作記憶負荷效應(yīng)，進而研究較高記憶任務(wù)條件下，被試前額葉腦區(qū)激活情況對其行為表現(xiàn)的影響，研究結(jié)果表明，被試前額葉的工作記憶負荷效應(yīng)顯著[31]。

與其他腦成像技術(shù)相比，NIRS技術(shù)腦成像受動作影響不明顯，且具有便攜性，因此適用于研究自然情況下認知過程的神經(jīng)機制。近年來，便攜式和非損傷性NIRS技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)逐漸成熟，這為研究自然環(huán)境下的腦認知活動提供了有效的途徑[32]。隨著NIRS技術(shù)的普遍應(yīng)用，日常生活狀態(tài)下人們認知過程的神經(jīng)機制，將逐漸能被腦功能成像的結(jié)果所解釋[33]。對于發(fā)展性閱讀障礙，研究者通過功能性NIRS分析技術(shù)設(shè)計恰當(dāng)?shù)膶嶒灧妒?，其實驗結(jié)果為閱讀障礙的神經(jīng)生理學(xué)研究提供了可靠證據(jù)。

除此之外，可利用NIRS進行腦功能連接評估。近些年研究發(fā)現(xiàn)，不論是成年人還是新生兒，在靜息狀態(tài)下，利用NIRS技術(shù)均己經(jīng)發(fā)現(xiàn)了較強的腦功能連接特性。NIRS技術(shù)具有高時間分辨率的特點，能夠通過分析不同腦區(qū)信號的相位一致性關(guān)系，來揭示兩組信號在不同腦區(qū)的時間關(guān)系。在多通道NIRS技術(shù)和相應(yīng)設(shè)備的普及與發(fā)展下，該項技術(shù)已不僅僅局限于測量局部腦組織中氧合血紅蛋白濃度的變化，而是將多通道檢測裝置同時使用，測量不同區(qū)域的腦組織信號實時變化情況，并分析多個區(qū)域之間的相互作用關(guān)系，由此提出了基于NIRS技術(shù)檢測腦功能連接[34]。

2.6 NIRS技術(shù)在脊椎外科手術(shù)導(dǎo)航路徑參數(shù)研究中的應(yīng)用

NIRS技術(shù)可用于外科手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)。脊柱外科手術(shù)中椎弓根螺釘?shù)臏蚀_植入是脊柱手術(shù)成功的關(guān)鍵，但在椎弓根周圍分布著許多重要血管和神經(jīng)，在手術(shù)過程中的進釘路徑如果出現(xiàn)偏差，將導(dǎo)致螺釘?shù)恼`植或植入位置不佳，極易產(chǎn)生神經(jīng)、血管或臟器損傷等并發(fā)癥椎，因此椎弓根螺釘植入手術(shù)需要在椎體上確定最佳植入路徑?？煽康男g(shù)中實時監(jiān)測技術(shù)有助于椎弓根螺釘?shù)臏蚀_植入，南京航空航天大學(xué)的錢志余課題組，以豬椎骨為實驗對象，將NIRS技術(shù)引入脊椎外科手術(shù)椎弓根螺釘植入的監(jiān)測過程，利用近紅外光對生物組織結(jié)構(gòu)與功能信息的敏感性，有效識別骨膜、骨髓、肌肉、骨組織等不同生物組織，這為脊椎外科手術(shù)導(dǎo)航過程提供了重要的參考依據(jù)[35]。

3 NIRS技術(shù)的未來應(yīng)用

由于NIRS技術(shù)具有快速、無損、無試劑分析、安全、效率高、成本低等特點，所以它已經(jīng)成為有效和最有前途的分析技術(shù)之一[36]。目前，盡管NIRS分析技術(shù)在已有領(lǐng)域的應(yīng)用還存在不足，但是其未來的發(fā)展將會愈加成熟。NIRS分析技術(shù)在腦功能與認知科學(xué)研究領(lǐng)域的發(fā)展是最快的，如在認知神經(jīng)科學(xué)感知和運動等方面的發(fā)展；在臨床醫(yī)學(xué)方面，NIRS分析技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于癲癇、抑郁、阿爾茨海默氏癥等疾病的研究和臨床治療中。另外，在軍事領(lǐng)域也開始使用NIRS技術(shù)。

根據(jù)NIRS的特點，通過Lambert定律可以實現(xiàn)近紅外體腔出血檢測及其裝備的研制。NIRS作為最有發(fā)展前景的技術(shù)之一，未來也將會大量的應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷、檢查、治療、保健等方面。為了提高NIRS分析技術(shù)的效率，NIRS應(yīng)與現(xiàn)有的檢查分析技術(shù)相融合，以確保檢查結(jié)果的準確性與可靠性。

[1] 陸婉珍,袁洪福,徐廣通.現(xiàn)代近紅外光譜分析技術(shù)[M].北京:中國石化出版社,2007.

[2] 鐘英杰,李亮,龐云露,等.近紅外光譜技術(shù)在中藥研究中的應(yīng)用[J].藥物分析雜志,2015,(10):1697-1703.

[3] 賴昭勝,曾銳,王澤亞,等.尿液中葡萄糖濃度的近紅外光譜檢測研究[J].贛南師范學(xué)院學(xué)報,2013,34(6):29-31.

[4] 劉騫.基于近紅外光譜的人體血液酒精含量無創(chuàng)檢測方法研究[J].新余學(xué)院學(xué)報,2014,19(3):5-8.

[5] 劉光達,周潤東,查雨彤,等.血流動力學(xué)參數(shù)的指示劑光密度檢測方法研究[J].光譜學(xué)與光譜分析,2016,36(3):662-666.

[6] 毛志毅.基因表達數(shù)據(jù)基因篩選與近紅外光譜微量成分模型優(yōu)化方法研究[D].天津:南開大學(xué),2014.

[7] Kaiser N.Method for determining the contents of metabolic products in the blood:U.S.Patent4,169,676[P].1979-10-02.

[8] Mukire JW,Gary WS,Mark A.Evaluation of selectivity and robustness of near-infrared glucose measurements based onshort-scan foruier transform infrared interferograms[J]. Analytica Chemica Acta,2003,490(1):325-340.

[9] Woo HC,Tolosa L,El-Metwally D,et al.Glucose monitoring in neonates: need for accurate and non-invasive methods[J].ArchDis Child Fetal Neonatal Ed,2014,99(2):153-157.

[10] 王慧泉.動態(tài)光譜法血液成分無創(chuàng)檢測若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D].天津:天津大學(xué),2014.

[11] 郭嘉.基于FPGA的無創(chuàng)傷血液成分光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[D].長春:中國科學(xué)院研究生院(長春光學(xué)精密機械與物理研究所),2015.

[12] Du YP,Kasemsumran S,Maruo K,et al.Improvement of the partial least squares model performance for oral glucose intake experiments by inside mean centering and inside multiplicative signal correction[J].Anal Sci,2005,21(8):979-984.

[13] Niederhauser BD,Rosenbaum BP,Gore JC,et al.A functional near-infrared spectroscopy study to detect activation of somatosensory cortex by peripheral nerve stimulation[J].Neurocrit Care,2008,9(1):31-36.

[14] Leff DR,Orihuela-Espina F,Elwell CE,et al.Assessment of the cerebral cortex during motor task behaviours in adults: A systematic review of functional near infrared spectroscopy (fNIRS) studies[J].Neuroimage,2011,54(4):2922-2936.

[15] Jinnouchi Y,Kawahito S,Kitahata H,et al.Anesthetic management of a patient undergoing cardioverter defibrillator implantation: usefulness of transesophageal echocardiography and near infrared spectroscopy[J].J Anesth,2004,18(3):220-223.

[16] Naguib AN,Winch P,Ro PS,et al.Changes in near-infrared spectroscopy and the bispectral index during tilt-table examination[J].Pediatr Cardiol,2011,32(2):234-236.

[17] 洪文學(xué),張仲鵬,宋佳霖,等.功能近紅外光譜用于麻醉深度監(jiān)測的研究進展[J].光譜學(xué)與光譜分析,2012,32(11):2939-2945.

[18] 周叢樂,劉云峰,張家潔,等.新生兒局部腦組織氧檢測的多中心研究[J].中華兒科雜志,2009,47(7):517-522.

[19] 周叢樂.近紅外光譜技術(shù)對新生兒腦組織氧檢測的應(yīng)用與展望[J].中國新生兒科雜志,2012,27(6):361-364．

[20] 葉貞志,謝小強,楊曉光,等.近紅外光譜檢測宮內(nèi)窘迫新生兒缺氧性腦損傷的研究[J].當(dāng)代醫(yī)學(xué),2009,15(36):5-6.

[21] 羅佩施,莊良鵬,李志光.近紅外光譜技術(shù)檢測窒息新生兒腦組織血氧飽和度的臨床應(yīng)用[J].廣東醫(yī)學(xué),2014,35(11):1718-1720.

[22] Kampfl A,Pfausler B,Denchev D,et al.Near infrared spectroscopy (NIRS) in patients with severe brain injury and elevated intracranial pressure[J].Acta Neurochir Suppl,1997,70:112-114.

[23] Dunham CM,Sosnowski C,Porter JM,et a1.Correlation of noninvasive cerebral oximetry with cerebral perfusion in the severe head injured patient: a pilot study[J].J Trauma, 2002,52(1):40-46.

[24] Zweifel C,Castellani G,Czosnyka M,et al.Noninvasive monitoring of cerebrovascular reactivity with near infrared spectroscopy in headinjured patients[J].J Neurotrauma,2010,27(11):1951-1958.

[25] McCormick PW,Stewart M,Goetting MG,et al.Noninvasive cerebral optical spectroscopy for monitoring cerebral oxygen delivery and hemodynamics[J].Crit Care Med,1991,19(1):89-97.

[26] Taussky P,O’Neal B,Daugherty WP,et al.Validation of frontal near-infrared spectroscopy as noninvasive bedside monitoring for regional cerebral blood flow in brain-injured patients[J]. Neurosurg Focus,2012,32(2):E2.

[27] Fujiwara N,Sakatani K,Katayama Y,et al.Evoked-cerebral blood oxygenation changes in false-negative activa27tions in BOLD contrast functional MRI of patients with brain tumors[J].Neuroi mage,2004,21(4):1464-1471.

[28] Wang B,Zhang M,Bu L,et al.Posture-related changes in brain functional connectivity as assessed by wavelet phase coherence of NIRS signals in elderly subjects[J].Behav Brain Res,2016,312:238-245.

[29] Liu H,Yang T,Qian Z,et al.In vivo and real-time monitoring research of rats with glioma in radiofreqency ablation by nearinfrared spectroscopy technology[J].J South Univer,2011,3:10.

[30] Grossmann T.The development of emotion perception in face and voice during infancy[J].Restor Neurol Neurosci, 2010,28(2):219-236.

[31] 謝宏,王光明,姚楠,等.可穿戴式的功能近紅外光譜成像系統(tǒng)的前端設(shè)計[J].微型機與應(yīng)用,2015,34(10):29-31.

[32] Piper SK,Krueger A,Koch SP,et al.A wearable multi -channel fNIRS system for brain imaging in freelymoving subjects[J]. NeuroImage,2014(85):64-71.

[33] 韓慶宇.基于近紅外光譜法的駕駛員腦功能連接及振動響應(yīng)分析[D].濟南:山東大學(xué),2015.

[34] Gao Y,Zhang M,Han Q,et al.Cerebral autoregulation in response to posture change in elderly subjects-assessment by wavelet phase coherence analysis of cerebral tissue oxyhemoglobin concentrations and arterial blood pressure signals[J].Behav Brain Res,2015,278:330-336.

[35] 王鈺妍,錢志余,李韙韜,等.基于近紅外光譜技術(shù)的脊椎外科手術(shù)導(dǎo)航路徑光學(xué)參數(shù)研究[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志,2015,32(3):558-562.

[36] 錢志余,李韙韜.功能近紅外光譜技術(shù)(fNIRs)臨床應(yīng)用綜述[J].生命科學(xué)儀器,2013,11(3):45-52.

本文編輯 劉峰

Latest Development of Near Infrared Spectroscopy in Medical Applications

WU Min1, HU Gao-feng2, YAO Wen-po1, GAN Zhen-hua1, XU Da-jun1, HUANG Ya-ping1, WANG Chang-ling1
1. Department of Medical Engineering, Nanjing General Hospital of Nanjing Military Command, Nanjing Jiangsu 210002, China; 2. Department of Medical Engineering, Kangda College of Nanjing Medical University, Nanjing Jiangsu 210029, China

Near infrared spectroscopy (NIRS) is a kind of electromagnetic radiation wave between the visible and Infrared. NIRS is convenient, quick, efficient and accurate when it was used in medical tests. As a result, NIRS is widely used in multiple fields, especially medicine. NIRS technology was introduced from 3 aspects in this article. Firstly, the basic concepts and development history of NIRS technology were briefly introduced. Secondly, the application and development status at home and abroad of NIRS technology in medicine field was elaborated. NIRS technology could be applied to many aspects of medical tests, such as in vitro test, clinical medicine, depth of anesthesia monitoring, neonatal brain tissue oxygen detection and so on. Finally, the application direction of NIRS technology in the future was simply discussed.

near infrared spectroscopy; in vitro tests; regional cerebral oxygen saturation; functional brain imaging; cognitive neuroscience

R312

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.06.029

1674-1633(2017)06-0109-05

2016-05-26

2016-12-23

國家自然科學(xué)基金項目（81201161）；南京軍區(qū)醫(yī)藥衛(wèi)生科研基金課題（15MS129）。

干振華，副主任醫(yī)師，主要研究方向為醫(yī)療設(shè)備的使用管理及衛(wèi)勤管理。

通訊作者郵箱：janeandbilly@126.com