近红外光谱成像在脑血管病诊疗中的应用价值

王诗瑶，许雅雯，张炳蔚

脑血管病的发生机制为脑组织缺血、缺氧或出血导致神经功能缺损，实时监测脑组织氧合和颅内出血情况，及时发现病情变化对脑血管疾病的诊治及改善患者预后有重要意义[1]。长期以来，脑血管病的评估主要依靠临床表现和大型影像设备成像，缺乏脑血氧代谢和颅内血肿的床旁直接探查手段。近红外光谱成像（near infrared spectroscopy，NIRS）是一种新兴的无创监测脑组织血氧供应情况的光学成像技术，具有价格低廉、操作便捷、可床旁监测等特点。NIRS可通过检测脑组织血红蛋白等参数，指导临床对患者进行干预，近年来逐步应用于脑梗死、脑出血、蛛网膜下腔出血（subarachnoid hemorrhage，SAH）等脑血管疾病中。本文介绍NIRS的基本原理及其在脑血管疾病中的应用进展，评价其优势和不足并提出展望。

1 近红外光谱成像的原理

1977年，Jöbsis[2]最先运用NIRS技术非侵入性地探测到人脑血红蛋白浓度的变化，此后NIRS技术开始被用于监测脑组织氧合状态，以及记录认知、运动等任务诱发的脑皮层激活状态[3]。近红外光在人体组织中发生两种反应，一是被发光基团吸收，二是被组织散射。脑组织在近红外谱段内（650～1000 nm）对光具有低吸收、高散射的特点[4]。脑组织对近红外光的散射导致其衰减的量被认为是恒定的，因此，测量到的近红外光衰减被认为是发光基团吸收所致。人体内的发光基团主要指微循环小血管（直径＜1 mm）中的氧合血红蛋白（oxygenated hemoglobin，HbO2）和脱氧血红蛋白（deoxyhemoglobin，HbD），且不同发光基团具有不同的吸收光谱[4]。NIRS正是基于上述原理实现对HbO2和HbD浓度变化的监测。根据修正Beer-Lambert定律，测得血红蛋白浓度后可得到局部脑组织血氧饱和度（regional cerebral oxygen saturation，rSO2），该指标是局部脑组织动、静脉血氧饱和度的加权平均，为NIRS技术中最常用的指标[5]。

2 近红外光谱成像在脑血管病中的应用

2.1 近红外光谱成像在脑梗死中的应用 NIRS在急性脑梗死的早期识别中具有很好的应用前景。Moreau等[6]最早对5例平均发病时间为3.5 h的急性脑梗死患者进行了NIRS记录。该研究采用了频域NIRS分析法，测量脑组织氧合的百分比，从而量化脑组织氧合水平的绝对值。该研究将脑组织氧合水平与头颅CT检查结果结合分析，发现脑梗死患者存在一个或多个脑梗死区的rSO2降低，其rSO2绝对值显著低于健康对照。2018年，有研究采用204通道可穿戴NIRS装置，对9例接受静脉溶栓或血管内治疗的脑梗死患者在发病12 h内进行了实时床旁rSO2监测[7]。该研究通过与CTP和MRI灌注成像相比较，评价NIRS在大脑中动脉闭塞脑梗死早期识别中的应用价值。研究结果显示，所有入组患者的NIRS成像均表现为双侧大脑半球rSO2不对称，rSO2的减低与脑组织低灌注呈正相关。该研究表明，NIRS可能是通过反映双侧额颞叶rSO2水平的差异，在不使用放射线或造影剂的情况下帮助早期识别脑梗死的。Flint等[8]的一项前瞻性研究通过NIRS监测19例前循环大动脉闭塞脑梗死患者梗死侧与健侧脑组织的rSO2，结果显示，NIRS联合NIHSS评分检测大动脉闭塞脑梗死患者的灵敏度为84%，特异度为90%，提示NIRS可能有助于确定急性脑梗死患者是否存在前循环大动脉闭塞，与NIHSS评分结合应用，其诊断的特异性更高。

NIRS还有助于对脑梗死患者再灌注治疗疗效进行评估和预测。有研究表明，对于接受血管内介入治疗的脑梗死患者，可以应用NIRS连续监测rSO2评估再灌注是否成功，并预测预后[9-10]。Hametner等[9]对43例接受介入治疗的脑梗死患者用双通道NIRS进行同步监测，发现在介入治疗前，90%的患者表现为rSO2明显降低，在介入治疗期间，血管再通的患者表现为患侧rSO2小幅增加，且再通后持续增高。另外，治疗后患者的半球间rSO2差异较低和rSO2变异性大预示着预后不良。

Damian等[11]对24例大脑中动脉闭塞所致大面积脑梗死患者采用NIRS测量双侧rSO2以监测颅内占位效应。结果显示，梗死侧脑组织与对侧脑组织rSO2平均差值进行性下降、对侧rSO2升高提示梗死侧脑水肿发生，成功进行去骨瓣减压术后或脑水肿得以控制时，rSO2平均差值显著升高。该研究提示NIRS用于监测大面积脑梗死患者脑血氧饱和度时，可能预测恶性脑水肿的发生，为去骨瓣减压手术时机选择提供临床证据。

目前脑梗死的院前识别主要依靠病史和临床症状，缺乏客观检测指标。急诊再灌注治疗的神经血管评估则需要反复搬动患者进行检查。因此，快速、便携、无创的脑氧合检测技术有重要的临床应用价值。NIRS可监测急性脑梗死患者梗死侧rSO2的降低，鉴于其具有快速、便携的优点，将此诊断技术应用到院前卒中急救，有望提高临床诊疗效率，改善卒中患者的功能预后[12]。此外，NIRS在脑梗死患者再灌注的疗效评估及大面积脑梗死后恶性脑水肿的预测方面，也显示出了良好的临床应用前景。不过，目前在上述领域，还缺乏大样本的研究，相关结论也需要进一步验证。

2.2 近红外光谱成像在脑出血中的应用 脑出血后，急性期血肿内的血红蛋白浓度高于正常脑组织，使得血肿对应脑区的近红外光吸收率较其他部位更高，因此可以用NIRS早期识别颅内血肿[13]。研究发现，在距离脑表面＜2.5 cm、出血量＞3.5 mL时，用NIRS检测脑出血的敏感性和特异性分别是93%和87%[14]。2012年，Salonia等[15]将NIRS应用于检测儿童（0～14岁）脑出血。研究者在患儿的双侧半球设置8个探测位置，将任意两个位置的光密度差值＞0.2定义为异常，并将所得结果与头颅CT的检查结果相比较，发现NIRS检测脑出血的敏感度及特异度分别是100%及80%。该结果提示NIRS对诊断脑出血有一定的应用前景，尤其适用于婴幼儿等不适合反复进行放射线检查的患者群体。

近年来，便携式NIRS装置用于脑出血的早期检测受到研究者关注。Semenova等[16]应用手持NIRS检测了93例儿童脑损伤患者的颅内血肿情况，并对43例患儿进行了头颅CT检查，其中39例患者NIRS的监测结果与CT结果一致，NIRS诊断脑内血肿的敏感度为100%，特异度为91%。

另有多项研究也证实了NIRS对监测脑出血具有较高的敏感性和特异性[17-19]。限于NIRS的探测深度，目前NIRS对深部脑出血的诊断和监测能力还有所不足，主要是作为近皮层脑出血的监测工具，可对疑似脑出血或血肿扩大的患者进行早期预测，以提示临床对患者及时复查头颅CT或进行手术干预。

2.3 近红外光谱成像在蛛网膜下腔出血中的应用 SAH常见且严重的神经系统并发症是迟发性脑缺血（delayed cerebral ischemia，DCI），早期发现和及时处理DCI是争取良好临床预后的关键。脑血管痉挛是DCI的重要病因，也是SAH急性期治疗的主要关注点[20]。临床上TCD是检测SAH后血管痉挛的主要工具，但其敏感性不高，且对操作者技术的依赖性强、解剖定位困难[21-23]。因此，对于SAH患者，需要一种简单无创、可连续床边监测的方法来评估脑缺血状态。

多项研究表明，NIRS在检测SAH后血管痉挛方面有一定的优势[21-22，24]。Park等[23，25]连续14 d测定52例SAH患者的脑组织rSO2，根据是否发生DCI分析rSO2的差异，利用AUC比较NIRS和TCD检测脑血管痉挛的准确性。研究结果显示，以SO2下降率＞12.7%为标准，NIRS诊断DCI的敏感度为94.44%，而TCD的敏感度为75.0%，表明NIRS观察到的rSO2可用于DCI的实时监测并在敏感度上优于TCD。此外，NIRS还可能用于评估SAH患者脑血管痉挛后使用扩血管药物的治疗效果。Meng等[26]通过NIRS对21例接受维拉帕米治疗脑血管痉挛的开颅术后患者进行rSO2监测，发现动脉注射维拉帕米可导致rSO2的变化，提示NIRS测定rSO2可能作为维拉帕米等干预措施在实施过程中脑循环变化的监测手段。因此，未来NIRS有望用来评估SAH诱发的脑血管痉挛用药后的脑血管反应性。

2018年的一项研究通过NIRS监测SAH患者rSO2和平均动脉压（mean arterial pressure，MAP）之间的相关性，探讨脑自动调节功能与DCI的关系，结果显示，SAH分级越差，脑自动调节功能损害越明显，越易发生DCI[27]。Silverman等[28]用NIRS对31例SAH患者进行rSO2监测，并与有创颅内压监测结果进行对比，证明有创颅内压监测和NIRS无创监测确定最佳MAP都是可行的，且一致性较好。此外，研究还发现，超过个体化脑自动调节极限的患者预后较差。因此，NIRS可用于评估不适合进行有创颅内压监测SAH患者的最佳血压参数，在血压优化和以血流动力学为目标的神经保护方面具有应用价值。

在一项关于SAH预后评估的分析中，有研究采用NIRS监测了163例动脉瘤破裂后5～10 d的SAH患者，以rSO2作为监测指标，mRS评分4～6分作为不良结局指标，结果发现30 min内脑组织rSO2下降50%与3个月功能不良独立相关[29]。在另一项针对38例SAH患者的小型研究中，研究者评估了脑组织rSO2＜60%的时间与患者短期结局（GCS评分）的关系，结果发现结局不良的患者比结局良好的患者rSO2下降的时间更长[30]。还有研究也同样证明脑组织rSO2下降发作持续超过2 h的患者短期结局不良的风险显著高于rSO2无降低的患者[31]。

综上，NIRS未来可能实现对SAH患者脑组织rSO2的动态监测，在术后DCI的发生及功能结局的预测方面有巨大的应用潜力。

3 近红外光谱成像的优势与不足

由于NIRS的信号检测原理天然契合脑血管病的病理生理机制，该领域研究正在兴起。一方面，NIRS可以实现床旁实时动态监测，适用于危重症等不易移动或不适合移动的患者，且检查过程中不需严格限制被试动作，对运动伪迹不敏感，尤其适用于婴幼儿、老年人、有沟通或认知障碍等特殊群体。此外，NIRS电磁兼容性好、抗干扰能力强，可与脑电、经颅磁刺激等配合使用，能同时、连续检测多种血流动力学参数等特点也是其独特优势[4，32]。

另一方面，NIRS目前仍存在技术上的不足。首先，NIRS缺乏解剖学特异性，定位能力受限，且信号不能覆盖全脑，相较于MRI等检查，其空间分辨率略低，缺乏脑血管疾病的诊断阈值[33]。加之近红外光探测深度有限，只能穿透皮肤表面3 cm以内的组织。此外，颅外因素、皮肤的灌注度、硬脑膜的血供或邻近静脉窦的异常静脉引流等也会影响NIRS的测量结果[34]。

4 展望

NIRS近年来在脑血管病领域逐渐从科学研究转向临床应用。鉴于其技术的局限性，目前还不能替代其他影像学检查及有创监测。其应用场景、光信号分析技术、测量指标的选取还需进一步完善。未来可与其他技术联合进行多模态监测，作为影像学检查的重要补充，提高解剖定位精度，确定各种脑血管疾病的rSO2诊断阈值。此外，应加强NIRS设备研发，使其进一步微型化、可穿戴化，结合人工智能分析等技术手段，开发适合NIRS的卒中应用场景（如120急救系统、基层社区医疗机构、卒中专科急救单元等）和适宜装备，使脑血管病院前、院内的精准动态实时评估成为可能。

【点睛】近红外光谱成像可通过直接探查脑血管病患者的脑血氧供应和颅内血肿情况，实现疾病的床旁早期诊断及病情评估。