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近红外光谱技术已经应用在脑部研究,创始神经科学领域新篇章
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时间:2014-04-29 15:26:36

         近红外光谱技术以生物组织光学特性为基础,结合光在组织中的传播规律,研究光在组织中历经一系列吸收、散射后出射光携带的与组织光学特性相关的生化信息。目的在于研究组织中吸收色团浓度的定量测量方法,为临床和研究提供方便可靠的检测指标。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。

        本文从脑氧饱和度、脑血流量、细胞色素氧化酶三个大脑参数来了解下近红外光谱技术的应用。

        脑氧饱和度

        脑组织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可以无损地连续监测组织中的氧合血红蛋白和还原血红蛋白的浓度,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。

        脑血流量

        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。

        同大多数脑血流测试方法一样,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。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,利用近红外光谱技术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。

        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。结果表明利用近红外光谱技术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

        细胞色素氧化酶是组织呼吸链的终端环节,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: 两种含铁血红素以及两种铜原子中心。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,可以利用近红外光谱技术对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。

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