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。     

用光谱方法检测肌氧饱和度实现不同人群运动功能的评估

基于组织光学原理研发了组织氧饱和度无损检测仪。利用该仪器检测了101名受试者(其中健康锻炼者42人,健康不锻炼者34人,脾虚证患者25人)在进行递增负荷功率自行车运动实验时,股四头肌外侧头的肌氧变化过程。测得的血红蛋白浓度(c_tHb)受脂肪等外层组织影响较大,而肌氧饱和度(rSO₂)受影响较小。实验结果显示, 在运动过程中,随着运动负荷的逐渐增加,骨骼肌中的总血红蛋白浓度逐渐上升,肌氧饱和度逐渐降低;当运动停止后,总血红蛋白浓度和肌氧饱和度都出现快速上升。运动中肌氧饱和度的变化幅度与受试者运动能力有密切关系。利用局部组织氧饱和度这一指标来评价肌肉组织中氧的输送与消耗的平衡点,进而实现了对肌肉组织有氧代谢能力的定量评估。     

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。     

用近红外脑组织血氧仪评定保健食品抗疲劳效果

疲劳综合症目前已经越来越多地影响着人们的正常生活和工作。可以通过组织血氧饱和度、心率等参数来评价疲劳程度,并采用某种抗疲劳胶囊和咖啡作为调节疲劳程度的一种手段。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。针对长时间在办公室工作的脑力劳动者人群,设计了两组静态实验来分别评价服用与未服用抗疲劳胶囊或咖啡的疲劳程度。通过对实验组和对照组受试者分别进行脑组织氧饱和度、心率等参数进行了测试,并侧重分析了受试者的脑组织氧饱和度的变化情况。结果表明,实验组的受试者其脑组织氧饱和度在服用抗疲劳胶囊和咖啡后都有明显的上升趋势,从而表明抗疲劳胶囊在一定程度上有缓解疲劳的作用。     

血液可见吸收光谱与血氧参数神经网络估算法

总血红蛋白浓度和血氧饱和度是两个基本的血氧参数。文章提出了利用内置双光纤微创探头在位测量大鼠脑组织血氧参数的新方法。首先,利用悬乳液(Intralipid)和全血配置不同总血红蛋白浓度的混合溶液,模拟生物组织模型,用光纤光谱仪测试系统测量组织模型在加氧和去氧时的实时吸收光谱,同时用血氧分析仪(OXI meter)对血氧参数定标,建立测试光谱和定标数据样本集。然后,利用人工神经网络建立血液吸收光谱与血氧参数的神经网络模型,训练后的网络模型能根据吸收光谱输出生物组织的血氧参数值,总血红蛋白浓度和血氧饱和度的平均输出误差分别为±4μmol·L-1和±5%。最后,利用神经网络模型对大鼠脑组织血氧参数进行了在位测试实验,测得脑灰质的血氧饱和度为0.60~0.70,脑白质血氧饱和度为0.45~0.55;总血红蛋白浓度在脑皮层(深度1mm)附近最高,平均110μmol·L-1,其余深度脑组织的总血红蛋白浓度为70~90μmol·L-1。这种方法对脑外科微创手术中实时在位测试脑组织血氧参数具有重要的参考意义。     

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。     

利用近红外光谱检测多层组织血氧饱和度的研究

利用近红外光谱无创检测生物组织血氧饱和状态,是一种极富研究和应用前景的检测技术,在临床检测中被广泛应用.但常规临床检测应用于指端仅反映局部血氧饱和度信息,在使用中具有局限性,信号的可信度也存在质疑.该文提出了一种采用反射式脉搏血氧饱和度检测技术检测生物多层组织氧合状况的新方法,该方法通过调节入射光强以适应解剖学中生物组织多层结构的检测.应用该方法针对手指结构的实验结果表明,随着入射光强的改变,反映血氧饱和状态的光电脉搏波信号有显著变化.结合手指解剖学分析表明,光电脉搏波信号的变化与手指的多层面组织结构相对应,反映不同层面血氧饱和状态.这一特点表明,通过此法可以针对生物组织的多层结构进行测量.     

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。     

脑组织血氧饱和度的微创在位测量

 利用光纤光谱仪和光纤探头建立脑组织血氧饱和度（hemoglobin oxygen saturation, SO2）微创在位测量系统。将悬乳液和全血的混合溶液作为生物组织模型,获取模型在不同SO2下可见光区实时吸收光谱与血氧分析仪所测SO2数据的样本集,将吸收光谱作归一化处理后取得500nm～600nm区间的4个光谱特征参量,通过统计分析建立特征参量与血氧饱和度的经验公式。结果表明：利用该系统获得了30只大鼠脑皮层不同深度的血氧饱和度SO2,其范围为64%～76%。这种方法有助于脑外科微创手术中实时在位测试脑组织血氧饱和度研究。     

Measurement of Cerebral Optical Pathlength as a Function of Oxygenation Using Near-infrared Time-resolved Spectroscopy in a Piglet Model of Hypoxia

Near-infrared spectroscopy (NIRS) has been used for measurement of changes in cerebral hemoglobin concentrations in neonates to study cerebral oxygenation and hemodynamics. In this study, measurements by time-resolved reflectance spectroscopy (TRS) were performed in a piglet model with various degrees of cerebral oxygenation to estimate the differential pathlength factor (DPF). A portable three-wavelength TRS system (TRS-10, Hamamatsu Photonics K.K.) with a probe attached to the head of a piglet was used. Eleven newborn piglets were anesthetized and respired by a ventilator to induce stepwise hypoxia loading. The DPF showed positive linear relationship with arterial hemoglobin (Hb) oxygen saturation and sagittal sinus venous Hb oxygen saturation at 761 and 795 nm. The DPF at 835 nm also showed very slight positive linear relationship with arterial hemoglobin oxygen saturation. The DPF values obtained in this study should contribute to a better understanding of noninvasive measurements by NIRS in neonates.     

In vivo measurement of tissue damage, oxygen saturation changes and blood flow changes after experimental traumatic brain injury in rats using susceptibility weighted imaging

Traumatic brain injury (TBI) is a prevalent disease, and many TBI patients experience disturbed cerebral blood flow (CBF) after injury. Moreover, TBI is difficult to quantify with conventional imaging modalities. In this paper, we utilized susceptibility weighted imaging (SWI) as a means to monitor functional blood oxygenation changes and to quantify CBF changes in animals after trauma. In this study using six rats, brain trauma was induced by a weight drop model and the brain was scanned over four time points: pre trauma, and 4 h, 24 h and 48 h post trauma. Five rats survived and one died after trauma. A blood phase analysis using filtered SWI phase images suggested that three rats recovered after 48 h and two rats deteriorated. SWI also suggested that CBF decreased by up to 26%. The CBF change is in agreement with the results of arterial spin labeling methods conducted in this study and with previously published results. Furthermore, SWI revealed an enlargement of the major venous vasculature in deep brain structures, in accordance with the location of diffuse axonal injury. Compared with the traditional, invasive, clinical monitoring of cerebral vascular damage and reduction in blood flow, this method offers a novel, safe and noninvasive approach to quantify changes in oxygen saturation and CBF and to visualize structural changes in blood vasculature after TBI.     

拉曼光谱在血红蛋白结构及功能研究中的应用进展

血红蛋白发挥多种重要生理功能,但对其结构及功能的认识尚不能满足疾病诊治的需求。拉曼光谱在血红蛋白结构及功能研究中具有很大应用潜力,不但可以检测血红蛋白中血红素及其周围分子结构变化,还可以反映血红蛋白反应动力学具体过程。同时,血红蛋白拉曼光谱在疾病状态下异常血红蛋白检测,血氧饱和度定量测定及血液代用品的高铁血红蛋白含量检测中突显优势。本文综述了拉曼光谱在血红蛋白结构及功能领域中的研究,简述了拉曼光谱在一些病变血红蛋白诊断中的研究进展,分析了影响血红蛋白拉曼光谱检测的因素,以促进拉曼光谱技术在血红蛋白结构和功能研究中的应用。