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近红外光谱技术在脑部研究中的应用
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时间:2012-10-09 15:21:03

  研究表明,人体在700~900nm 这段近红外区域内,存在一个“光谱窗”(Spectral Window) 。这个光谱窗内生物组织对光线的吸收作用大大降低,同时,氧合血红蛋白和还原血红蛋白的吸收光谱的差异仍然可以分辨。由于近红外线对人体组织具有较好的穿透性(可深入皮下数厘米) ,足以到达大脑皮层,这使得近红外光谱(NIRS)在大脑研究方面具有良好的应用前景。本文就利用近红外光谱技术对大脑几个生理参数进行测量的研究工作作一些介绍。

 

  脑氧饱和度

  是人体最娇嫩的器官。其组织代谢的最大特点是消耗能量多。代谢率极高。而脑组织几乎没有能量储存。脑部葡萄糖的代谢几乎全是需氧过程,要维持脑组织的正常功能,就必须连续地供应氧和葡萄糖。在许多临床情况下(特别是一些心血管手术中)需要对大脑的供氧情况进行连续监护,而目前还缺少可靠的监护手段。由于近红外光谱技术(NIRS)可以无损地连续监测组织中的氧合血红蛋白(HbO2)和还原血红蛋白(Hb)的浓度,该技术出现之后最早就应用于新生儿脑氧监测与脑氧检测相关的研究在NIRS 研究中占了相当大的比重NIRS 脑氧监测仪的商业化产品也已经通过FDA 批准。目前,研究者关注的问题在于如何消除个体之间的测量差异并进一步做到定量化测量。

  NIRS 测量原理是基于改进的Lambert-Beer 定律。测量过程中假设光路径长度和散射系数保持不变,而通常情况下这两个条件并不能严格成立。另外,还需要假设颅脑外层组织对测量结果的影响可以忽略不计,这个假设条件可适用于婴儿,对于成人则会引入较大的误差。因此,目前大多数NIRS 组织氧监测仪只能做到半定量测量(即测量一个相对于基线的时间变化量) 。由于不能进行定量测量,NIRS 在临床上的应用受到一定限制。

  近年来发展起来的NIRS 时域(或频域)测量技术给绝对定量化测量带来了希望。这两种技术的基本原理相同,都是通过对光子扩散方程的近似求解直接得到组织的吸收系数μa ,约化散射系数μs’ ,进一步计算出氧合血红蛋白浓度(HbO2)和还原血红蛋白浓度(Hb)以及脑氧饱和度rSO2 等临床生理参数。从理论上来说,时域(或频域)测量技术是可以做到定量化检测。在绝对定量化测量的基础上,还可以进一步发展光学成像技术,这也是近红外光谱技术研究中的一大热点。

  时域和频域测量技术的主要区别在于探测光源和检测手段的不同。前者利用一个皮秒级的超短脉冲光源,测量光线在通过人体之后的时间延迟。后者利用一个数百兆赫兹的高频调制光源,测量对象是正弦调制光通过人体之后的相位延迟。从技术实现角度上讲,由于频域技术良好的便携性和较低的造价,使其更具临床发展前景。而时域技术则较多地用于实验室中的研究工作。

  NIRS 组织氧检测技术中的一个问题是其检测到的血氧饱和度是被测区域动脉、静脉、毛细血管中血液的混合值,而且这些血管对测量结果的贡献率也不一样。大脑的解剖学研究表明大脑中的血液大部分存在于静脉中,静脉血管容积占总血管容积的2/3~4/5,而利用一个固定的动静脉贡献比率进行简单的加权处理显然是不合适的。由于目前还没有其他的标准方法来测量这种混合的饱和度,通常的作法是利用一个血液参数可调节的大脑仿真模型来验证NIRS 的测量结果。

 

  脑血流量(CBF)

  正常情况下,由于大脑的脑血流自动调节功能,脑血流(CBF)可以保持相对的恒定。如果某些病理因素导致CBF 调节破坏,其结果都会影响脑血液循环,从而引起该脑区机能的紊乱。研究表明,脑损伤与脑血流循环破坏程度紧密相关。另外,局部脑血流的检测在脑功能研究中也很有意义。

  同大多数脑血流测试方法一样,NIRS 测量CBF 也是基于Fick 原理。即,首先在脑组织中选择某种物质作示踪物,然后检测该示踪物在脑组织和血管中的浓度变化,根据变化值推算出CBF。与这些测量方法的不同之处在于,NIRS 方法利用人体自的氧合血红蛋白HbO2 作为示踪物,避免了注射某些辐射性示踪物的不良影响,而且可以进行连续的动态监测。

  测量过程中短暂改变受试者吸入气体的氧分压,使得受试者的动脉血氧饱和度(SaO2)出现一个持续数秒钟的突然上升过程,相应地,大脑中的氧合血红白(HbO2)也有一个增加量。如果将HbO2 作为示踪物则,CBF 可以由下式求得.其中,K 为一个常数,[tHb]是组织中血红蛋白浓度的总量。测量过程中,利用NIRS 检测仪测定脑组织中氧合血红蛋白浓度的变化量D[HbO2] ,同时利用脉搏血氧计来监测动脉血氧饱和度的变化量DSaO2。

  CBF 测量中假设DHbO2 都是由动脉血的流入所引起,的忽略了静脉流出的影响。为了满足这一假设条件,需要在一个很短的时间内完成测量,这个时间要小于血液流经大脑所需的时间。

  在测量过程中,还要求脑血流量(CBF)、脑血容量(CBV)保持相对,恒定脑摄氧量相对不变。动物研究和人体实验发现,当动脉血的氧分压的变动范围在6kPa~13kPa 之间时,可以改变脑动脉氧饱和度SaO2 的同时,使得脑血流量(CBF)和脑摄氧量基本保持不变。

  许多学者利用同位素133Xeon ,PET 等经典脑血流测量手段对NIRS 脑血流测量的结果进行了验证。结果表明利用NIRS 监测仪在不干扰正常治疗的情况下可迅速准确地获取可重复的测量结果。

 

  细胞色素氧化酶(Cytochrome Oxidase)

  在缺氧缺血性脑损伤诸多损伤因素中,脑细胞能量衰竭被认为是首先发生的重要环节。由于能量代谢过程产生障碍,致使细胞正常生理活动不能维持,各种损伤机制相继“瀑布”般发生,最终导致神经细胞不可逆性损伤。因此,揭示缺氧对能量合成的影响环节,并予以有针对性的治疗,对减轻脑损伤具有重要意义。

  细胞色素氧化酶(CtOx)是组织呼吸链(Respiratory Chain)的终端环节,位于线粒体内膜为组织供氧的受体,在细胞TP 生成中扮演重要角色。这些氧化酶可分四种: 两种含铁血红素(细胞色素a 和细胞色素a3)以及两种铜原子(CuA 和CuB)中心。这些金属离子中心在酶的氧化还原反应中会通过接受和释放电子从而改变它们的状态,其中,含有两个铜原子的CuA 中心对近红外光具有较强的吸收特性,可以利用NIRS 对CuA 的氧化还原状态进行检测,从而间接得到线粒体呼吸链的活动的相关信息。有学者认为,细胞色素氧化酶指标较之氧合血红蛋白更能准确地反应组织缺氧的程度。

  但是,这种色团的浓度不到血红蛋白浓度的10%,其测量结果非常容易受到血红蛋白的干扰,这使得对这种色团的检测十分困难。由于检测手段的限制和对细胞色素氧化酶CuA 生化作用机理缺乏了解,目前对影响细胞色素氧化还原状态的各项生理因素之间的关系还存在很多争议。但是由于它可以反映细胞分子的能量代谢情况,已逐渐成为NIRS 研究中一个新热点。

 

  结语

  近红外光谱技术是一种无创监测技术,可提供颅内血液动力学、组织氧化及细胞代谢等方面持续性资料。这些特点使神经科学领域成为NIRS 研究发展最为迅速的一个方面,相关临床应用报告大量涌现。目前NIRS 已广泛应用于新生儿的脑部研究,在成人大脑监测及脑功能成像方面也有很大的进展。可以预见,随着NIRS 在临床应用研究中的推广,新的应用领域将不断被发掘出来。

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