第一章　近红外光谱技术的应用与发展历史

第一节　基本原理

一、人体组织的血氧参数

近红外光谱（near infrared spectroscopy，NIRS）技术是一项在20世纪后期兴起并在21世纪迅速发展的生物医学检测技术，既是生物医学光子学的重要分支，也是光电子学、信号处理等工程原理与生命医学交叉的重要领域。进入21世纪以来，NIRS的医学应用领域越来越广泛，也日益受到临床医生和相关领域研究人员的关注。在生物医学检测中，近红外光（near infrared，NIR）通常指波长在700～900nm的“光谱窗（spectral window）”，其对人体组织有良好的穿透性，穿透深度可达数厘米。在这一波段，人体组织对光的吸收主要源于血液中的脱氧血红蛋白（deoxygenated hemoglobin，Hb）和氧合血红蛋白（oxyhemoglobin，HbO₂），且两者的吸收谱存在显著差异（图1-1-1）。如将不少于2个波长的近红外光入射到人体组织并检测出射光的信息，通过求解近红外光与人体组织相互作用的物理模型，有望实时、连续测得人体组织氧合水平等重要生理参数。由于近红外光对人体组织无电离辐射效应，且NIRS技术使用的近红外光源功率一般在毫瓦（mW）量级，对人体无创伤，这是其显著优点。

人体组织中密布着大量的微血管，包括微动脉、微静脉和毛细血管（图1-1-2），氧与微血管血液中脱氧血红蛋白结合生成氧合血红蛋白的程度，即可反映人体组织的氧合水平。人体组织的血氧参数即为各种微血管中血液血氧参数的加权平均效应，由于微静脉血的流速比微动脉血慢，因此微静脉血的血氧参数在组织血氧参数中占主要地位，例如人体脑组织中微静脉血的权重约占60%～80%，微动脉血约占15%～20%。

人体组织的血氧参数主要包括：

1.人体组织中的血红蛋白浓度

包括人体待测组织［也常称作“局部组织”（regional tissue）］中 Hb、HbO₂的浓度及两者的总浓度，分别记作 C_Hb、及C_tHb，，单位均为 μmol/L。其中C_Hb和主要反映人体组织的含氧状况，C_tHb主要反映人体组织中血液充盈的情况，与单位体积人体组织中的全血容积（blood volume，BV）成正比：

BV也是单位体积人体组织中微血管的容积，其量级一般在2%～5%，且不同组织、不同个体间差异大，［HbT］是全血中的血红蛋白浓度。因此人体组织中的血红蛋白浓度通常远小于血液中的血红蛋白浓度。以人体脑组织（大脑皮层）为例，文献给出16例早产儿的脑组织C_tHb约在60～150μmol/L，23例正常足月新生儿的脑组织C_tHb平均为39.7μmol/L，均远小于人体血液中的［HbT］（150g/L左右，约合2 300μmol/L）。

在此基础上可定义和C_tHb相对于各自测量初始值的变化量，记作 ΔC_Hb、和 ΔC_tHb。

2.人体组织的氧饱和度（regional tissue oxygen saturation, rSO₂）

为人体组织中占C_tHb的百分比，也即：

有些场合也将 rSO₂称作组织氧合指数（tissue oxygenation index，TOI）。rSO₂是人体组织中微动脉血、微静脉血和毛细血管血液各自血氧饱和度的加权平均效应，并且微静脉血的血氧饱和度占主要地位。以脑组织（大脑皮层）为例，脑组织中静脉血的氧饱和度可较好地反映脑组织的rSO₂，有文献给出新生猪脑组织rSO₂与上矢状窦中静脉血氧饱和度一致性很好，新生猪缺氧和恢复供氧过程中脑组织rSO₂同颈静脉血氧饱和度相关性好（R ≥ 0.9，P < 0.001）。

二、近红外光与人体组织的相互作用简介

近红外光与人体组织的相互作用主要包括吸收（absorption）和散射（scattering）两方面，且散射远大于吸收，即人体组织在近红外波段是强散射介质。此时单个光子在组织中的传播路径是随机的，但大量光子仍有概率意义上的平均迁移路径（图1-1-3），由于这一路径是弯曲的，如使用反射式传感器，即将近红外光源与光电检测器以一定距离r置于人体待测组织表面，就有望测得经人体组织吸收、散射后的近红外光，此时大量光子的平均穿透深度约为检测距离r的1/3～1/2。基于这一理论框架，可形成NIRS无创、实时、连续检测人体组织血氧参数的四种具体方法。

1.稳态NIRS

又称连续波（continuous wave，CW）NIRS。此时入射光是恒定强度的近红外光，通过检测出射光相对于入射光的幅度衰减，可解算人体组织中血红蛋白浓度相对于各自测量初始值的变化量ΔC_Hb、、ΔC_tHb，也可解算人体组织的氧饱和度rSO₂。稳态NIRS原理简单、信号稳定、仪器便携性好且成本低，临床医学应用最为广泛，其局限性在于难以准确得到人体组织中的 C_Hb、、C_tHb（绝对量）。

2.频域（frequency domain, FD）NIRS

又称高频调制NIRS。此时入射光被调制为100～200MHz的高频正弦波，在人体组织中既有幅度衰减又有相位延迟（后者即反映光在人体组织中的传播时间）。通过检测出射光相对于入射光的幅度衰减和相位延迟，可解算人体组织的光学吸收与散射特性，进而得到人体组织的氧饱和度rSO₂及人体组织中的血红蛋白浓度C_Hb、C_tHb。该方法可比稳态NIRS得到更多的信息，现已有公司推出了基于这一技术的科研用仪器。但频域NIRS需要大量的高频器件，成本较高，抗干扰性能不如稳态NIRS。

3.时间分辨光谱（time-resolved spectroscopy, TRS）NIRS

此时入射光是脉宽皮秒（ps）量级的超短脉冲（1ps=10^-12s），由于近红外光子在人体组织中传播的随机性，光电检测器接收到大量光子在人体组织中的传播路径长度（也即传播时间）就呈现一定的概率分布，从而在光源发光后的一段时间（通常数百ps）内可测得出射光强随时间的分布，称作时间点扩散函数（temporal point spread function，TPSF）。通过分析TPSF的形态，就可以得到组织的光学参数，进而得到组织的rSO₂及C_Hb、、C_tHb等血氧参数。该方法需要大量超高速光学器件，仪器实现较困难，成本高，目前主要用于实验室研究。

4.全光谱（full-spectrum spectroscopy, FSS）NIRS

前述三种方法均使用少数几个发光波长（通常2～4个），而FSS是在较宽的波段内（如650～1 000nm）每隔数纳米（nm）连续采样，此时发光波长可达几十甚至上百个，对每一个波长则可列出一个光学参数方程，并基于矩阵分析和最优化等数值计算方法，得到组织的rSO₂及C_Hb、C_tHb等血氧参数。该方法需要使用光栅光谱仪等装置，硬件实现相对复杂，目前主要用于实验室研究。

综上所述，上述四种方法中，稳态NIRS在临床医学中应用最为广泛，本书的主要内容也围绕稳态NIRS展开。

三、稳态NIRS无创检测人体组织血氧参数的基本原理

（一）基于修正的Lambert-Beer定律，检测人体组织的ΔC_Hb、、ΔC_tHb

Lambert-Beer定律即光学吸收定律。假设厚度为L的透明容器中均匀分布浓度为C的某种吸收体（图1-1-4A），出射光强I是入射光强I₀的指数衰减，对准直入射的情形有：

这里OD是光密度（即光衰减，optical density，OD），ε称作摩尔消光系数，是只与吸收体种类和波长有关的常数，由公示1-3可求出吸收体的浓度C。如果该透明容器中有Hb和HbO₂两种吸收体（图1-1-4B），使用两个发光波长即可求出两者在该容器中的浓度 C_Hb［Hb］和［HbO₂］，这里上标 λ₁、λ₂为两个波长：

为将Lambert-Beer定律应用于人体组织血氧参数的检测，必须充分考虑近红外波段人体组织的光学特性，对上述基本原理进行如下三方面修正。

1.散射

人体组织是强散射介质，除Hb和HbO₂的光学吸收外，必须考虑散射导致的光衰减，与此同时，近红外光在人体组织中的平均迁移路径是弯曲的，其长度（pathlength，PL）显著大于光源与光电检测器的间距r。

2.背景吸收

除Hb和HbO₂外，人体组织中的水、黑色素、组织基质等其他物质也会吸收近红外光，一般称作背景吸收（background absorption）。

3.差分路径因子

待测人体组织通常被外层组织覆盖，例如检测脑组织血氧参数时，头皮、颅骨是外层组织；检测骨骼肌血氧参数时，皮肤、脂肪是外层组织；此时光子在待测组织中的平均路径长度（也称作部分路径长度，partial pathlength，PPL）小于 PL，此时一般有 PPL=r·DPF，DPF 称作差分路径因子（differential pathlength factor，DPF），它与待测组织的光学特性和外层组织的几何结构有关，文献通过仿真计算给出了成年人前臂和腿部肌肉，以及成年人、新生儿脑组织DPF的典型值。

考虑到以上三方面因素，强散射人体组织中修正的双波长Lambert-Beer定律可表示为：

这里G表示散射和背景吸收引入的光衰减（且以散射引入的衰减为主），其数值未知且与波长有关，因此难以直接求解人体组织中的血红蛋白浓度C_Hb、。但人体组织氧合状态变化时G一般不变，将组织氧合状态变化前后的（公式1-5）式相减，即可消去G。

通过测得两个波长下光密度相对其测量初始值的变化量ΔOD，即可由公式1-6得到待测人体组织的ΔC_Hb、，以及。这种方法的检测原理及仪器实现都较简单，测得的ΔC_Hb、、ΔC_tHb可在一定程度上反映人体组织氧合状况的变化，其应用广泛且比较成熟。但ΔC_Hb、、ΔC_tHb作为变化量（相对量），无法由此直接得到人体组织氧合状况的绝对水平，这是其明显的局限性。

（二）基于稳态空间分辨光谱方法，检测人体组织的rSO₂

人体组织的氧饱和度rSO₂作为绝对量，可反映人体组织氧合状况的绝对水平，更受临床医生关注。由于rSO₂无法由ΔC_Hb、、ΔC_tHb直接得到，为解算rSO₂，需进一步探讨近红外光与人体组织相互作用的物理原理。鉴于近红外波段人体组织中Hb和HbO₂是两种主要的吸收体，待测组织的光学吸收系数μ_a可表示为：

ln10是根据消光系数ε的定义引入的常数因子，这样人体组织的rSO₂可表示为：

可见解算人体组织的rSO₂归结为求解两个波长下待测组织的吸收系数之比。对均匀半无限大的待测组织（图1-1-5），求解稳态入射光与人体组织相互作用的漫射方程可得：

这里是人体组织的约化散射系数，近红外波段的通常与波长无关，进而可得到2个波长下待测组织吸收系数之比：

联立（公式1-8）和（公式1-10）两式可见，解算待测组织的氧饱和度rSO₂归结为得到两个波长下光密度随检测距离的微分，这需要引入“空间分辨”的概念，即检测多个不同距离处的出射光强（图1-1-5），这就是稳态空间分辨光谱（steadystate spatially-resolved spectroscopy，SSRS 或SRS）算法。

对光子在人体组织中的传输模型及漫射方程等物理原理感兴趣的读者，可查阅相关参考文献。

（三）稳态NIRS传感器设计

稳态NIRS检测人体组织的血氧参数时，需使用至少2个发光波长。图1-1-1指出，Hb和HbO₂在800nm附近的摩尔消光系数相同（称作“等吸收点”），此时2个发光波长应位于800nm的两侧，其中一个波长通常选在760nm附近，对应Hb的吸收峰，另一个波长通常选在850nm附近。如使用3个或更多个波长，可将其中一个波长选在800nm附近。

传感器上的近红外光源和光电检测器一般共线排列。根据检测原理公式1-6和公式1-10两式，检测人体组织的ΔC_Hb、、ΔC_tHb时使用1个光电检测器即可，而检测人体组织的rSO₂时，为得到需使用多个光电检测器（通常位于光源的同一侧，图1-1-5）。文献通过仿真计算指出，如果光源与各检测器的距离均不小于20mm，并且两个检测器间距在5～20mm时，可用OD对r的差分代替微分，也即使用两个检测器即可，这里σOD是两个检测器测得的光密度OD之差。

需要强调的是，由于待测人体组织通常被外层组织覆盖，必须合理选择光源与光电检测器的距离r，实现传感器与待测组织的最佳耦合（图1-1-6）。如果r太小，则近红外光的平均穿透深度较小，大量光子只在外层组织中迁移，难以携带待测组织的氧合信息；如果r太大，则光子的迁移路径较长，组织对光的衰减较大，出射光信号较弱、信噪比低。文献针对存在外层组织的情形，采用仿真计算研究了最佳的检测距离，结果表明，检测新生儿脑组织血氧参数时，光源与2个检测器的最佳距离为20mm和30mm；检测成年人脑组织血氧参数或前臂、大腿、小腿等部位骨骼肌的血氧参数时，最佳距离为30mm和40mm。此外，SRS算法（公式1-10）理论上要求均匀半无限的边界条件，尽管外层组织的存在导致待测人体组织并不完全满足这一条件，但只要实现传感器与待测人体组织的最佳耦合，SRS算法仍可较准确地得到rSO₂。

（腾轶超）

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