近红外空间分辨光谱技术及其对新生猪脑缺氧缺血的检测

近红外光谱(NIRS)技术作为一种无创的组织氧检测手段,近年来在脑缺氧缺血的检测方面日益受到重视。文章介绍了自行研制的NIRS仪器(TSAH-100近红外组织血氧无损监测仪)的基本原理及用于新生猪脑氧检测时如何实现传感器与待测脑组织的最佳耦合。检测了28例新生猪在不同氧合状态下的脑组织氧饱和度(regional cerebral oxygen saturation, rSO₂),在缺氧结束后进行了有创的动脉氧饱和度及生理参数的检测。结果表明,NIRS无创测得的脑rSO₂与血气分析有创测得的动脉血氧饱和度(SaO₂)有很好的相关性(p<0.001),并且脑rSO₂与缺氧程度及缺氧后生理参数的变化一致。因此NIRS无创测得的脑rSO₂能直接判断脑氧合状态,可在一定情况下替代有创血气分析,帮助临床无创、简便地诊断脑缺氧缺血。     

驾驶员疲劳态下脑氧饱和度的近红外光谱法检测及其分析

应用近红外光谱法,研究分析汽车驾驶员疲劳态下的脑氧饱和度,探讨疲劳机理,为驾驶疲劳及时预警提供新的监测思路。参试人员20名,分为两组(各10名),一组为实验组,一组为对照组。实验组执行汽车模拟驾驶作业3 h,对照组坐姿下正常休息3 h。应用近红外光谱法监测试验人员作业前后脑氧饱和度。经方差分析发现,实验组人员模拟驾驶后脑氧饱和度(rSO₂)显著性下降(p<0.01),反应时间明显延长;对照组rSO₂水平下降不显著(p>0.05)。脑氧饱和度水平(rSO₂)与驾驶疲劳存在密切相关性。近红外光谱法监测脑氧具有连续、实时、无创的特点,受外界干扰小。近红外光谱法监测驾驶员脑氧信息是预测驾驶疲劳的一种可行的方法。     

频域近红外光谱方法定量测量组织氧饱和度

通过精确测量光子密度波的相位延迟和幅度衰减,借助于一个光学参数已知的校准模型,可以定量检测组织的光学吸收参数和约化散射系数.通过测量多个波长下组织的吸收系数,就可以进一步求解出人体局部组织的血氧饱和度.血液－酵母溶液仿真模型和前臂动脉阻断实验的结果都表明该三波长的频域近红外光谱系统可以实时定量地检测组织氧饱和度的动态变化情况.     

基于NIRS-ICG的脑血流量无创测量

临床上脑血流量(cerebral blood flow, CBF)等脑血管血流动力学参数是脑血氧水平及脑血管储备功能诊断依据,现有检测手段存在技术复杂及相应试剂或设备不适用于所有诊断人群等缺点。为解决以上问题,利用近红外光谱技术(NIRS)结合吲哚青绿(indocyanine green, ICG)脉搏色素浓度法,研究了一种无创、快速、可重复测量的脑血流量床旁检测方法NIRS-ICG。该方法根据静脉注射ICG后脑组织及脑动脉血流中三种主要吸光色团氧合血红蛋白(oxygenated hemoglobin, HbO₂)、还原血红蛋白(reduced hemoglobin, HbR)及ICG的浓度变化情况,建立脑组织及脑动脉血流中ICG积累量及引入量模型,以获得脑血氧及CBF等脑血流动力学参数。为验证该方法的可行性,将NIRS-ICG应用于血碳酸正常及高碳酸血症病理模型的实验猪的脑血流情况检测。具体方法是：分别对四组实验猪用按0%,3%,6%,9%比例调制的CO₂和空气混合气体施行机械通气,静脉快速推注ICG后,利用NIRS-ICG方法测量CBF、脑动脉血氧饱和度(cerebral arterial oxygen saturation, SaO₂)及脑血管管床平均循环时间(mean transit time, MTT)。实验结果表明,NIRS-ICG测得的CBF随CO₂比率升高而升高,SaO₂随着CO₂比例的升高而降低,MTT并无显著变化,与生理变化一致。因此,该方法可为脑血氧及脑血管储备功能诊断提供可靠依据。     

Correlative studies in optical reflectance measurements of cerebral blood oxygenation

A numerical study is made of correlation development for measuring cerebral blood oxygen saturation (StO) noninvasively using optical reflectance ratio of dual wavelengths. The Monte Carlo (MC) method was used for simulating reflectance measurements in a model neck tissue, where the cerebral blood oxygenation was monitored through the blood flows in the common carotid artery (CCA) and jugular vein. Reflectance ratios between two wavelengths at 633 and 800 nm were obtained under different blood vessel conditions. The results revealed a quantifiable correlation between the reflectance ratio and the cerebral StO level. Correlations for each of the blood vessel parameters such as the location, size, and hemoglobin concentration of the CCA or jugular vein (JV) were developed.     

无损检测组织氧饱和度的近红外光学传感器的优化设计研究

基于空间分辨的近红外光谱(NIRS)技术可实现人体组织氧饱和度(rSO₂)的无损、实时检测。已研制出基于该原理的NIRS仪器,为推广其临床应用,必须保证并尽可能提高其测得rSO₂的准确度。文章主要研究传感器上多个检测器的间距以及光源发光波长离散性对rSO₂准确度的影响,结果指出：(1)为准确得到rSO₂,应当使用两个检测器,其间距应在5～20 mm,并且与光源的距离均应当不小于20 mm; (2)双波长光源的发光波长,特别是短波波长的离散性可导致测得的rSO₂出现明显误差(＞10%),为避免这一误差,必须准确测出实际的发光波长,并使用该波长对应的消光系数。上述结论可指导传感器的优化设计,所研制成的NIRS仪器实现了这一点。     

近红外光谱监测体外循环手术中脑组织氧合状况的研究

体外循环手术中,为防止因脑氧供需失衡导致脑缺氧,就要实时监测患者局部脑组织的氧合状况,以根据其变化调整生理参数或采取应急手段。用该研究小组自行研制的近红外仪器(使用一个双波长的近红外光源和两个近红外检测器)监测心脏手术中患者的脑氧,可以求出局部脑组织血红蛋白浓度的变化,并根据稳态空间分辨光谱(SRS)算法求出局部脑组织的氧饱和度(rSO₂)。体外循环中用监护仪监测患者的混合静脉血氧饱和度(SvO₂)等生理参数。测得的血红蛋白浓度变化容易受到干扰,而rSO₂的抗干扰性能较好。rSO₂在整个手术过程中都可以监测到,而SvO₂只能在体外循环过程中监测到。多数患者rSO₂和SvO₂存在正向相关性,但二者的相关系数并不很高。这是因为SvO₂是大静脉的血氧饱和度,而测得的rSO₂反映局部脑组织的氧合状况,二者的生理意义不同。实验结果表明,体外循环手术中rSO₂可以反映患者脑组织氧合状况的变化,而仅仅监测SvO₂是不够的。     

Measurement of the hemoglobin oxygen saturation level with spectroscopic spectral-domain optical coherence tomography

We report the measurement of the hemoglobin (Hb) oxygen saturation level in human blood with a spectroscopic spectral-domain optical coherence tomography (SSD-OCT) system based on the crossover behavior of Hb and oxyhemoglobin (HbO(2)) absorption coefficients around 800 nm. By calculating the ratio of the exponential decay constant of A-mode scan signal in the long-wavelength range (>800 nm) over that in the short-wavelength range (<800 nm), the relative oxygen saturation level of Hb can be calibrated. Such a relative level can be used for practical diagnosis application after a golden standard is built by comparing the variation of the OCT result with that of a conventional method, such as the use of a blood gas analyzer. In our experiment, the variation curve based on the SSD-OCT measurement, which has the advantages of noninvasive, real-time, and high-resolution measurements, is coincident with that of using a commercial blood gas analyzer.     

近红外光谱方法在颌面外科皮瓣移植术后监测中的应用

近红外光谱技术作为一种无创组织氧监测手段,近年来在整形外科手术术后监测方面得到了越来越多的重视。文章利用一套近红外无损组织氧检测系统对6例手术成功病例的移植皮瓣侧和对照侧正常组织内的氧饱和度进行了长时间对比监测,发现两侧的组织氧饱和度之间存在显著性差异。还对一例血管吻合失败的病例下颌部的多个位置进行了检测,发现坏死部位的氧饱和度和正常组织相比处于很低的水平。实验结果表明,近红外光谱检测技术对于皮瓣内的血氧浓度动态变化具有很好的灵敏度,在移植皮瓣的术后监测方面具有良好的应用前景。     

利用近红外光谱监测皮肤血氧输运

利用近红外光谱无创监测移植手术的皮瓣成活状况，是近红外组织氧检测技术的最新应用之一，本文介绍子我们设计的利用光纤传导的近外皮肤血氧监测系统。该系统可以灵活调整光谱－探测器间距以适应皮层检测。利用该系统进行的前臂皮皮肤阻断试验中，静脉阻断时皮肤内有显著的血液充盈现现象，全阻断时氧含量明显下降，实验表明，利用近红外光谱法监测瓣血氧输运情况是非常有效的，特别是可以比较好地监测脉回流情况。     

基于动态光谱法的多波长脉搏血氧饱和度测量

目前临床上血氧饱和度的无创检测主要基于双波长的脉搏血氧饱和度测量原理,但其检测精度仍然需要进一步的探究和完善。近年来,国内外的很多研究者采用三波长甚至八波长的方法测量血氧饱和度,从某种程度上减小了误差。动态光谱法作为一种新型血液成分无创检测方法,能消除受试者个体差异和测量环境等的影响,在血红蛋白浓度的无创检测研究中取得了很好的效果。基于动态光谱法对多波长下脉搏血氧饱和度检测进行了研究：对60名重症监护患者进行动态光谱采集以及动脉抽血分析血氧饱和度值;采用高灵敏度光纤光谱仪,采集受试者指端透射多波长下的光谱信息;以单拍提取法提取波长范围为606.44~987.55 nm的动态光谱;以动脉血气分析中血氧饱和度值为参考真值,建立血氧饱和度与多波长动态光谱数据的组合间隔偏最小二乘校正模型;得到预测集的相对误差为±0.017 6,而两波长测量装置监护仪上得到的数据相对误差为±0.116 4。结果表明：利用高灵敏度光纤光谱仪采集多波长光谱信息,用动态光谱法进行数据预处理,进行多波长血氧饱和度检测,有效降低了血氧饱和度的测量误差。     

田间行走式测定的红外光谱数据与土壤质地之间的相关性研究

近红外光谱是利用漫反射来分析物质的某些化学性质,已在农业及其他许多领域得到广泛应用。尽管在实验室条件下,研究证明可以应用近红外光谱分析技术来快速、方便地测定土壤参数,但在田间大范围内应用红外光谱快速测定来分析土壤性质,仍然缺乏研究;该研究以田间行走式设备获取的红外光谱数据为基础,分析和比较了不同数据处理技术下红外光谱信息与土壤质地之间的相关性,发现应用基于算术运算的波段组合技术可以明显地提高红外光谱信息与土壤质地之间的相关性,为田间光谱数据的分析处理与应用提供了依据。     

近红外光谱组织血氧检测结果的定量化方法

近红外光谱组织血氧检测技术可实现生物组织氧代谢的无创、连续、实时监测 ,具有广泛的应用前景。由于光在生物组织中的散射行为 ,近红外光谱组织血氧检测结果的定量问题一直是这一技术能否得到广泛应用的一个关键。文章从近红外光谱组织血氧定量检测技术的理论基础和具体演算方法两方面总结至今所提出的各种算法 ,分析各种算法的特点和相应的局限性 ,并展望今后的研究方向     

用近红外光拓扑图技术短期预测脑梗塞

本研究用近红外光大脑拓扑图技术(near-infrared cerebral topography, NIRS topography),对大鼠大脑中动脉线栓梗塞模型的皮层缺血部位进行定位成象.我们利用氧合血红蛋白和去氧血红蛋白对近红外光的吸收峰值波长分别为850nm和760nm的原理,制作了NIRS拓扑仪.分别用NIRS拓扑仪、磁共振成象和解剖样本染色对10只SD雄性大鼠大脑皮层缺血部位进行成象.结果表明,NIRS拓扑图所显示的皮层缺血面积与磁共振图象及解剖样本所显示的皮层缺血面积的相关系数分别为0.82(p<0.05)和0.89(p<0.01).     

Diffuse reflectance spectroscopy for monitoring diabetic foot ulcer – A pilot study

Foot ulceration due to diabetes mellitus is a major problem affecting 12–25% of diabetic subjects in their lifetime. An untreated ulcer further gets infected which causes necrosis leading to amputation of lower extremities. Early identification of risk factors and treatment for these chronic wounds would reduce health care costs and improve the quality of life for people with diabetes. Recent clinical investigations have shown that a series of factors including reduced oxygen delivery and disturbed metabolism have been observed on patients with foot ulceration due to diabetes. Also, these factors can impair the wound healing process. Optical techniques based on diffuse reflectance spectroscopy provide characteristic spectral finger prints shed light on tissue oxygenation levels and morphological composition of a tissue. This study deals with the application of diffuse reflectance intensity ratios based on oxyhemoglobin bands (R542/R580), ratios of oxy- and deoxy-hemoglobin bands (R580/R555), total hemoglobin concentration and hemoglobin oxygen saturation between normal and diabetic foot ulcer sites. Preliminary results obtained are found to be promising indicating the application of reflectance spectroscopy in the assessment of foot ulcer healing.     

利用频域近红外光谱仪和磁共振谱仪测量骨骼肌能量代谢

利用频域近红外光谱技术(NIRS)可以实现生物组织光学参数的实时定量测量。由于生物组织的吸收系数与组织中的血红蛋白的合氧状态有关,使得频域近红外光谱技术可以用来无损测量肌肉组织中与能量代谢过程密切相关的氧气供应与消耗这个动态平衡过程。磷磁共振谱仪(31P-MRS)是无损检测骨骼肌能量代谢的金标准。为了研究细胞内pH值(pHi)对磷酸肌酸重新合成和氧合血红蛋白恢复过程的影响,作者利用频域NIRS和31P-MRS联合进行了健康成人的踝关节曲展(plantar flexion)实验。通过动脉阻断和长时间全力运动尽量降低肌肉组织细胞内pH值。对照结果表明,细胞环境酸化(pHi=6.42)明显地延长了运动停止后磷酸肌酸的重新合成和氧合血红蛋白的恢复过程。     

Single-wavelength functional photoacoustic microscopy in biological tissue

Recently, we developed a reflection-mode relaxation photoacoustic microscope, based on saturation intensity, to measure picosecond relaxation times using a nanosecond laser. Here, using the different relaxation times of oxygenated and deoxygenated hemoglobin molecules, both possessing extremely low fluorescence quantum yields, the oxygen saturation was quantified in vivo with single-wavelength photoacoustic microscopy. All previous functional photoacoustic microscopy measurements required imaging with multiple-laser-wavelength measurements to quantify oxygen saturation. Eliminating the need for multiwavelength measurements removes the influence of spectral properties on oxygenation calculations and improves the portability and cost-effectiveness of functional or molecular photoacoustic microscopy.     

单波长光声光谱血氧饱和度检测技术研究

血氧饱和度(SO₂)为临床观察病情变化提供了有意义的指标。传统血氧饱和度检测研究工作多采用双光源和多光源光电容积脉搏波描记法实现无创检测来减少病人痛苦。通过研究生物组织对光的吸收和散射特性,将光谱学和光声技术相结合提出了一种无创式单光源检测血氧饱和度(SO₂)、脱氧血红蛋白浓度[HBR]和氧合血红蛋白浓度[HbO₂]的新方法。该方法基于血液对光信号的吸收和散射理论基础和光声信号呈现吸收线形关系建立单波长光声光谱血氧饱和度检测技术,不仅可以进行指标性参数分析还可以对组织成像。为了验证该技术可行性,在实验中采用单波长激光脉冲光源,以绿色和红色墨水的混合液体作为含有脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白的血液模型注入软管模拟人体血液环境。其中红色墨水的含量类比于血液中含氧血红蛋白含量,从而可通过测量计算出红色和绿色墨水浓度来表征伪血氧饱和度(poseudo-SO₂)。实验结果表明,所测的伪血氧饱和度与实际浓度误差不超过6.97%,采用该方法量化血氧饱和度是可行的;同时利用实验结果,结合光声成像技术完成了对伪血液中单圆管截面成像。该方法替代多波长光谱分析的方法能显著降低激光系统和便携式实现成本。     

亚硝酸钠化高铁血红蛋白的拉曼光谱量化检测研究

对亚硝酸钠化的高铁血红蛋白进行了拉曼光谱特性的研究。实验中将正常血红蛋白用亚硝酸钠氧化为高铁血红蛋白,通过测定不同比例高铁血红蛋白/总血红蛋白的拉曼光谱变化研究高铁血红蛋白的拉曼光谱特异性改变,并对不同比例高铁血红蛋白/总血红蛋白在1 586,1 605和1 637 cm-1处的拉曼强度进行线性拟合,以实现其定量检测。结果显示,亚硝酸钠与血红蛋白的摩尔比为3.5∶1时可以获得完全氧化的高铁血红蛋白,其拉曼特征峰在499,1 340,1 562,1 622 cm-1附近;不同比例高铁血红蛋白/总血红蛋白在1 586,1 605和1 637 cm-1处拉曼强度的线性拟合相关系数R2分别为0.972 84,0.997 97和0.991 26,显示出很好的线性关系。研究表明,与正常血红蛋白相比,亚硝酸钠化高铁血红蛋白的拉曼光谱具有特异性改变,其拉曼特征峰的位置和强度随着高铁血红蛋白/总血红蛋白比例的变化而相应发生改变,且比值与拉曼强度存在着线性相关关系,为临床上高铁血红蛋白血症的拉曼光谱检测与量化研究提供了理论基础。     

猪肉组织色素浓度的近红外无损检测

基于血红蛋白、肌红蛋白等色素在近红外波段的吸收谱,采用近红外光谱(NIRS)技术,通过检测出射光相对入射光的衰减,可解算生物组织中上述色素的浓度。基于稳态空间分辨的NIRS研发了可检测组织中色素浓度的装置,该装置的传感器包括一个可发射3个不同波长的LED光源,以及与LED位于同一直线上且距离分别为30和40 mm的２个检测器。用该装置检测了2块猪肉组织(分别为新鲜的猪背长肌和股直肌)的色素浓度,结果表明,背长肌和股直肌中血红蛋白、肌红蛋白等色素的总浓度分别为(6.42±1.51)μmol·L-1和(15.48±4.54)μmol·L-1,接近于现有报道的经验值。在无损、实时、直接、简便检测猪肉组织的色素浓度方面,上述NIRS方法及装置是可信的。