基于功能性近红外光谱血氧测量系统研究进展_刘洪.pdf

2 0 2 3年5月重庆师范大学学报(自然科学版)M a y2 0 2 3第4 0卷 第3期J o u r n a l o fC h o n g q i n gN o r m a lU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c e)V o l.4 0 N o.3 D O I:1 0.1 1 7 2 1/c q n u j 2 0 2 3 0 3 0 4基于功能性近红外光谱血氧测量系统研究进展*刘 洪1,李妍妍2,罗海军2,3,范鑫燕2(1.重庆师范大学 学生心理健康教育与咨询中心;2.重庆师范大学 物理与电子工程学院,重庆4 0 1 3 3 1;3.重庆国家应用数学中心,重庆4 0 1 3 3 1)摘要:【目的】对功能性近红外光谱(f u n c t i o n a l n e a r-i n f r a r e ds p e c t r o s c o p y,f N I R S)技术检测组织血氧饱和度的基本原理及主要检测血氧技术研究进展进行综述,为未来该技术在医学领域的发展提供参考。【方法】通过查阅文献资料,从检测原理、检测技术分类及优缺点方面对f N I R S技术在血氧检测方面的应用进行归纳总结。【结果】在阐明f N I R S技术检测血氧的基本原理基础上,探讨了连续波光谱、频域光谱、时域分辨光谱等3种f N I R S检测血氧技术的原理和特点,并对它们的优缺点进行了比较。【结论】f N I R S技术具有便携性好、无创伤性、时间分辨率和空间分辨率较高、对被试动作的容忍度高等优点,今后可结合蒙特卡罗方法分析光子在组织中的传播与分布规律,从而进一步加深人们对生物医学光子学领域的理解并推进f N I R S技术在医学中的应用。关键词:血氧测量;功能性近红外光谱;连续波光谱;频域光谱;时域分辨光谱中图分类号:T P 3 9 1文献标志码:A 文章编号:1 6 7 2-6 6 9 3(2 0 2 3)0 3-0 1 5 5-0 9功能性近红外光谱(f u n c t i o n a ln e a r-i n f r a r e ds p e c t r o s c o p y,f N I R S)技术是一种新兴的非侵入式、非电离的脑血流动力学功能检测和成像方法,可以用于研究人类脑功能和各种病理1。1 9 3 7年M i l l i k a n开发了一种双波长肌肉血氧计2被认为是利用近红外光谱(n e a r-i n f r a r e ds p e c t r o s c o p y,N I R S)技术研究组织特性的起源。在1 9 4 2年,M i l l i k a n又进行了耳部血氧测量实验,首次将N I R S用于医疗领域3。N I R S正式进入临床应用则始于1 9 7 7年,J o b s i s4使用近红外光探测动物脑血氧,首次发现利用近红外透射法可以观察到体内血红蛋白光谱吸收,并在S c i e n c e 上最先发表了有关近红外光在脑组织中散射的论文。2 0 2 0年,N a t u r e 刊登了有关对大脑的微观成像揭示介导神经血管耦合机制的论文,论文作者通过基于N I R S技术的双光子显微镜对对胡须刺激下的清醒小鼠的桶状皮层的神经活动和血管动力学进行成像,得到了不同于传统观点的结论,进一步深化了学界对相关领域的认识5。目前,作为采集血流信息重要手段之一的f N I R S技术已得到广泛应用。f N I R S技术能够有效地对多类脑功能受损患者进行大脑功能定位和脑功能康复及评估,例如:通过总结近红外脑成像技术在脑卒中领域的研究,发现该技术在脑卒中患者的大脑功能区域与肢体恢复关系、康复评估、诊断以及基于补偿模式的针对性运动功能改善的研究上均有很大的潜力6。同时,因为f N I R S技术具有便携性好、无创伤性、时间分辨率和空间分辨率较高、对被试动作的容忍度高等优点,因而也被应用于探索视觉、情绪、注意、记忆、执行功能等的神经机制的心理学研究中7,成为了言语成像领域的优势技术。为了帮助患者得到更加及时有效的治疗,基于f N I R S的有关技术已得到深入开发。美国食品药品监管局(F D A)批准了首个手持式颅内血肿检测器是,由美国费城I N F R A S C AN公司生产8。该设备采用连续波系统进行检测,第一代检测设备I n f r a s c a n n e r1 0 0 0的检测与结果显示功能是在不同的设备上实现的,检测数据通过蓝牙在设备 间 实 现 传 输。该 设 备 在2 0 1 0年 获 得 美 国 食 品 药 品 监 督 管 理 局(F D A)的 许 可。改 进 后 的I n f r a s c a n n e r2 0 0 0在便携性与稳定性方面做了优化,实现检测与数据显示一体化,并在2 0 1 2年获得F D A二类医疗器械的许可9-1 1,如图1 a、b所示。另一种手持近红外设备C r a i n s c a ne q n i p m e n t由B Y T e c hI n c公司开*收稿日期:2 0 2 2-0 7-2 0 修回日期:2 0 2 3-0 5-0 7 网络出版时间:2 0 2 3-0 6-1 6 T 1 2:4 6资助项目:国家自然科学基金(N o.5 1 5 0 7 0 2 3);重庆市科学技术委员会基础和前沿研究项目(N o.C S T C 2 0 2 0 j c y j-m s x mX 0 7 2 6);重庆市教育委员会科学技术研究项目(N o.K J Z D-K 2 0 2 1 0 0 5 0 6)第一作者简介:刘洪,女,研究方向为应用心理学,近红外脑功能成像,E-m a i l:6 7 5 2 2 9 6 8 7q q.c o m;通信作者:罗海军,男,教授,博士,E-m a i l:l u o h a i j u n c q n u.e d u.c n网络出版地址:h t t p s:/k n s.c n k i.n e t/k c m s 2/d e t a i l/5 0.1 1 6 5.N.2 0 2 3 0 6 1 5.1 8 0 9.0 1 2.h t m l发,也在欧洲上市。该设备与I n f r a s c a n n e r2 0 0 0工作原理相同,但探测方法略有不同1 2,如图1 c所示。在中国,也有很多研究团队就f N I R S在脑部探测及成像方面的应用进行了深入研究。其中较早进行相关研究的是天津大学赵会娟教授引领的团队1 3-1 4,他们在生物医学光子学领域上提供了很多高质量的研究成果,这些为近红外脑功能成像提供了可靠的数据支撑。北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室功能近红外成像朱朝喆团队研究了近红外神经技术间接调节深部脑区海马激活及相关认知功能1 5-1 6,宋艳课题组利用f N I R S技术在对注意过程中神经血氧耦合机制进行了探究1 7-1 8。华中科技大学骆清铭教授课题组在组织血氧饱和度检测、近红外脑成像技术等领域进行了系统全面的研究工作。清华大学以丁海曙教授为代表的团队研制了基于近红外的组织血氧检测仪,并对新生儿脑部的光学参数进行了无损检测1 9;以白净教授为代表的课题组在近红外脑功能成像和荧光断层成像方面都取得了很多成果2 0。中国农业大学的胡文雁等人2 1、天津工业大学的王金海等人2 2分别利用频域N I R S法与多通道差分吸光度法研究了对组织内异物的快速检测。此外据笔者了解,还有来自烟台大学、山东大学、首都师范大学等高校的研究团队对近红外光在生物组织中的传播进行深入研究,北京航空航天大学汪待华团队开发的近红外脑功能成像系统已在商业化过程中。f N I R S的测量技术是该技术操作方式选取、成本控制以及能否连续性测量的关键。本文重点对f N I R S检测血氧的组织光学理论原理基础进行了阐述,并对现有的几种f N I R S检测血氧技术的研究进行总结,对它们的测量技术优缺点进行了比较,以期为未来f N I R S技术在医学领域的深入发展提供参考。1 f N I R S检测血氧的原理如图2所示,在波长为7 0 09 0 0n m的“光学窗”内,组织的含氧血红蛋白(H b O2)和脱氧血红蛋白(H b)有着较强的吸收率,而水的吸收率非常小,生物组织相对透明(图2中H b O2与H b吸收曲线的交叉点是等消光点,对应波长为8 0 5n m),所以该波段内近红外光具有较好的穿透性2 3。光谱仪通过测定人体某一位置的入射光强度和出射光强度,从而获得光的衰减信息,进而经过计算得出组织的血氧参数。其中,从头皮射入的光子穿过大部分组织,被组织散射或吸收,相对可预测的光子数量遵循“香蕉路径”回到皮肤表面,这些光子可以使用光电探测器测量,如图3和图4所示。2 f N I R S检测血氧技术的分类f N I R S检测血氧技术根据光源形式不同可分为3类:连续波光谱(c o n t i n u o u sw a v es p e c t r o s c o p y,CWS)、频域光谱(f r e q u e n t l yd o m a i ns p e c t r o s c o p y,F D S)和时域分辨光谱(t i m er e s o l v e ds p e c t r o s c o p y,T R S)。2.1 CW SCWS技术是最简单的近红外技术。它在组织体中的初次使用是由L l o y d-F o x等人2 4和S t e i n b r i n k等人2 5利用该技术观察到来自体感皮层强度测量的光神经元信号,虽然在之后的视觉皮层研究中没有检测到光学神经元信号,但是这个方法开始被更多学者关注和研究。该技术的工作原理是利用近红外光源发出恒定强度的光,一般只测量透过组织后的光强度的变化,进而评估出血氧参数变化2 6(因为散射的存在,该技术不能精确地测得光程长,无法获得发色团的绝对浓度;所以血氧浓度不能够完全确定,只能推测出其中的变化)。CWS原理图如图5 a所示,其中:I0表示入射光信号;I表示透射光信号;d表示组织厚度;a表示组织的吸收系数;s表示组织的散射系数。CWS的测量原理基于朗伯-比尔定律。在早期的研究中,学者将人体组织视为均匀、纯吸收的介质,使用最基本的朗伯-比尔定律来描述组织中H b O2与H b的变化过程2 7,但是根据更加深入的研究,人们发现生物组织具有强散射性,光在近红外区的散射远远大于吸收,这导致简单的朗伯-比尔定律产生很大的失真2 8。因此学者对基本的朗伯-比尔定律进行修正,并且利用动物实验获得光在生物组织中传播的平均光路长,从而获得H b O2与H b的浓度变化量2 7。D e p l y等人2 3利用修正过的朗伯-比尔定律来处理仪器收集到的光信号,转化为所需要的血氧参数,该定律通常用来描述光通过组织后的衰减情况,表达式如下2 9:Do p t i c a l=-l o g1 0(I0/I)=id iCiFD P+G,(1)其中:Do p t i c a l即光密度值(o p t i c a l d e n s i t y),表示光的衰减量;i表示第i层组织的摩尔吸收系数;Ci表示第i层组651重庆师范大学学报(自然科学版)h t t p s:/c q n u j.c q n u.e d u.c n 第4 0卷织内吸光色团的浓度(对于“光学窗”区的波长,生物组织内的吸光色团主要为H b O2与H b);FD P是差分光程因子(d i f f e r e n t i a l p a t h l e n g t hf a c t o r),表示实际光程长与d之间的倍数;G表示因散射引起的损耗。一般情况下,假设散射损耗在测量期间不发生变化,则式(1)可写成以下形式:Do p t i c a l=id iCiFD P,a I n f r a s c a n n e r1 0 0 0b I n f r a s c a n n e r2