近紅外光譜成像在腦血管病診療中的應(yīng)用價(jià)值

王詩(shī)瑤，許雅雯，張炳蔚

腦血管病的發(fā)生機(jī)制為腦組織缺血、缺氧或出血導(dǎo)致神經(jīng)功能缺損，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)腦組織氧合和顱內(nèi)出血情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)病情變化對(duì)腦血管疾病的診治及改善患者預(yù)后有重要意義[1]。長(zhǎng)期以來(lái)，腦血管病的評(píng)估主要依靠臨床表現(xiàn)和大型影像設(shè)備成像，缺乏腦血氧代謝和顱內(nèi)血腫的床旁直接探查手段。近紅外光譜成像（near infrared spectroscopy，NIRS）是一種新興的無(wú)創(chuàng)監(jiān)測(cè)腦組織血氧供應(yīng)情況的光學(xué)成像技術(shù)，具有價(jià)格低廉、操作便捷、可床旁監(jiān)測(cè)等特點(diǎn)。NIRS可通過(guò)檢測(cè)腦組織血紅蛋白等參數(shù)，指導(dǎo)臨床對(duì)患者進(jìn)行干預(yù)，近年來(lái)逐步應(yīng)用于腦梗死、腦出血、蛛網(wǎng)膜下腔出血（subarachnoid hemorrhage，SAH）等腦血管疾病中。本文介紹NIRS的基本原理及其在腦血管疾病中的應(yīng)用進(jìn)展，評(píng)價(jià)其優(yōu)勢(shì)和不足并提出展望。

1 近紅外光譜成像的原理

1977年，J?bsis[2]最先運(yùn)用NIRS技術(shù)非侵入性地探測(cè)到人腦血紅蛋白濃度的變化，此后NIRS技術(shù)開(kāi)始被用于監(jiān)測(cè)腦組織氧合狀態(tài)，以及記錄認(rèn)知、運(yùn)動(dòng)等任務(wù)誘發(fā)的腦皮層激活狀態(tài)[3]。近紅外光在人體組織中發(fā)生兩種反應(yīng)，一是被發(fā)光基團(tuán)吸收，二是被組織散射。腦組織在近紅外譜段內(nèi)（650～1000 nm）對(duì)光具有低吸收、高散射的特點(diǎn)[4]。腦組織對(duì)近紅外光的散射導(dǎo)致其衰減的量被認(rèn)為是恒定的，因此，測(cè)量到的近紅外光衰減被認(rèn)為是發(fā)光基團(tuán)吸收所致。人體內(nèi)的發(fā)光基團(tuán)主要指微循環(huán)小血管（直徑＜1 mm）中的氧合血紅蛋白（oxygenated hemoglobin，HbO2）和脫氧血紅蛋白（deoxyhemoglobin，HbD），且不同發(fā)光基團(tuán)具有不同的吸收光譜[4]。NIRS正是基于上述原理實(shí)現(xiàn)對(duì)HbO2和HbD濃度變化的監(jiān)測(cè)。根據(jù)修正Beer-Lambert定律，測(cè)得血紅蛋白濃度后可得到局部腦組織血氧飽和度（regional cerebral oxygen saturation，rSO2），該指標(biāo)是局部腦組織動(dòng)、靜脈血氧飽和度的加權(quán)平均，為NIRS技術(shù)中最常用的指標(biāo)[5]。

2 近紅外光譜成像在腦血管病中的應(yīng)用

2.1 近紅外光譜成像在腦梗死中的應(yīng)用 NIRS在急性腦梗死的早期識(shí)別中具有很好的應(yīng)用前景。Moreau等[6]最早對(duì)5例平均發(fā)病時(shí)間為3.5 h的急性腦梗死患者進(jìn)行了NIRS記錄。該研究采用了頻域NIRS分析法，測(cè)量腦組織氧合的百分比，從而量化腦組織氧合水平的絕對(duì)值。該研究將腦組織氧合水平與頭顱CT檢查結(jié)果結(jié)合分析，發(fā)現(xiàn)腦梗死患者存在一個(gè)或多個(gè)腦梗死區(qū)的rSO2降低，其rSO2絕對(duì)值顯著低于健康對(duì)照。2018年，有研究采用204通道可穿戴NIRS裝置，對(duì)9例接受靜脈溶栓或血管內(nèi)治療的腦梗死患者在發(fā)病12 h內(nèi)進(jìn)行了實(shí)時(shí)床旁rSO2監(jiān)測(cè)[7]。該研究通過(guò)與CTP和MRI灌注成像相比較，評(píng)價(jià)NIRS在大腦中動(dòng)脈閉塞腦梗死早期識(shí)別中的應(yīng)用價(jià)值。研究結(jié)果顯示，所有入組患者的NIRS成像均表現(xiàn)為雙側(cè)大腦半球rSO2不對(duì)稱，rSO2的減低與腦組織低灌注呈正相關(guān)。該研究表明，NIRS可能是通過(guò)反映雙側(cè)額顳葉rSO2水平的差異，在不使用放射線或造影劑的情況下幫助早期識(shí)別腦梗死的。Flint等[8]的一項(xiàng)前瞻性研究通過(guò)NIRS監(jiān)測(cè)19例前循環(huán)大動(dòng)脈閉塞腦梗死患者梗死側(cè)與健側(cè)腦組織的rSO2，結(jié)果顯示，NIRS聯(lián)合NIHSS評(píng)分檢測(cè)大動(dòng)脈閉塞腦梗死患者的靈敏度為84%，特異度為90%，提示NIRS可能有助于確定急性腦梗死患者是否存在前循環(huán)大動(dòng)脈閉塞，與NIHSS評(píng)分結(jié)合應(yīng)用，其診斷的特異性更高。

NIRS還有助于對(duì)腦梗死患者再灌注治療療效進(jìn)行評(píng)估和預(yù)測(cè)。有研究表明，對(duì)于接受血管內(nèi)介入治療的腦梗死患者，可以應(yīng)用NIRS連續(xù)監(jiān)測(cè)rSO2評(píng)估再灌注是否成功，并預(yù)測(cè)預(yù)后[9-10]。Hametner等[9]對(duì)43例接受介入治療的腦梗死患者用雙通道NIRS進(jìn)行同步監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)在介入治療前，90%的患者表現(xiàn)為rSO2明顯降低，在介入治療期間，血管再通的患者表現(xiàn)為患側(cè)rSO2小幅增加，且再通后持續(xù)增高。另外，治療后患者的半球間rSO2差異較低和rSO2變異性大預(yù)示著預(yù)后不良。

Damian等[11]對(duì)24例大腦中動(dòng)脈閉塞所致大面積腦梗死患者采用NIRS測(cè)量雙側(cè)rSO2以監(jiān)測(cè)顱內(nèi)占位效應(yīng)。結(jié)果顯示，梗死側(cè)腦組織與對(duì)側(cè)腦組織rSO2平均差值進(jìn)行性下降、對(duì)側(cè)rSO2升高提示梗死側(cè)腦水腫發(fā)生，成功進(jìn)行去骨瓣減壓術(shù)后或腦水腫得以控制時(shí)，rSO2平均差值顯著升高。該研究提示NIRS用于監(jiān)測(cè)大面積腦梗死患者腦血氧飽和度時(shí)，可能預(yù)測(cè)惡性腦水腫的發(fā)生，為去骨瓣減壓手術(shù)時(shí)機(jī)選擇提供臨床證據(jù)。

目前腦梗死的院前識(shí)別主要依靠病史和臨床癥狀，缺乏客觀檢測(cè)指標(biāo)。急診再灌注治療的神經(jīng)血管評(píng)估則需要反復(fù)搬動(dòng)患者進(jìn)行檢查。因此，快速、便攜、無(wú)創(chuàng)的腦氧合檢測(cè)技術(shù)有重要的臨床應(yīng)用價(jià)值。NIRS可監(jiān)測(cè)急性腦梗死患者梗死側(cè)rSO2的降低，鑒于其具有快速、便攜的優(yōu)點(diǎn)，將此診斷技術(shù)應(yīng)用到院前卒中急救，有望提高臨床診療效率，改善卒中患者的功能預(yù)后[12]。此外，NIRS在腦梗死患者再灌注的療效評(píng)估及大面積腦梗死后惡性腦水腫的預(yù)測(cè)方面，也顯示出了良好的臨床應(yīng)用前景。不過(guò)，目前在上述領(lǐng)域，還缺乏大樣本的研究，相關(guān)結(jié)論也需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

2.2 近紅外光譜成像在腦出血中的應(yīng)用 腦出血后，急性期血腫內(nèi)的血紅蛋白濃度高于正常腦組織，使得血腫對(duì)應(yīng)腦區(qū)的近紅外光吸收率較其他部位更高，因此可以用NIRS早期識(shí)別顱內(nèi)血腫[13]。研究發(fā)現(xiàn)，在距離腦表面＜2.5 cm、出血量＞3.5 mL時(shí)，用NIRS檢測(cè)腦出血的敏感性和特異性分別是93%和87%[14]。2012年，Salonia等[15]將NIRS應(yīng)用于檢測(cè)兒童（0～14歲）腦出血。研究者在患兒的雙側(cè)半球設(shè)置8個(gè)探測(cè)位置，將任意兩個(gè)位置的光密度差值＞0.2定義為異常，并將所得結(jié)果與頭顱CT的檢查結(jié)果相比較，發(fā)現(xiàn)NIRS檢測(cè)腦出血的敏感度及特異度分別是100%及80%。該結(jié)果提示NIRS對(duì)診斷腦出血有一定的應(yīng)用前景，尤其適用于嬰幼兒等不適合反復(fù)進(jìn)行放射線檢查的患者群體。

近年來(lái)，便攜式NIRS裝置用于腦出血的早期檢測(cè)受到研究者關(guān)注。Semenova等[16]應(yīng)用手持NIRS檢測(cè)了93例兒童腦損傷患者的顱內(nèi)血腫情況，并對(duì)43例患兒進(jìn)行了頭顱CT檢查，其中39例患者NIRS的監(jiān)測(cè)結(jié)果與CT結(jié)果一致，NIRS診斷腦內(nèi)血腫的敏感度為100%，特異度為91%。

另有多項(xiàng)研究也證實(shí)了NIRS對(duì)監(jiān)測(cè)腦出血具有較高的敏感性和特異性[17-19]。限于NIRS的探測(cè)深度，目前NIRS對(duì)深部腦出血的診斷和監(jiān)測(cè)能力還有所不足，主要是作為近皮層腦出血的監(jiān)測(cè)工具，可對(duì)疑似腦出血或血腫擴(kuò)大的患者進(jìn)行早期預(yù)測(cè)，以提示臨床對(duì)患者及時(shí)復(fù)查頭顱CT或進(jìn)行手術(shù)干預(yù)。

2.3 近紅外光譜成像在蛛網(wǎng)膜下腔出血中的應(yīng)用 SAH常見(jiàn)且嚴(yán)重的神經(jīng)系統(tǒng)并發(fā)癥是遲發(fā)性腦缺血（delayed cerebral ischemia，DCI），早期發(fā)現(xiàn)和及時(shí)處理DCI是爭(zhēng)取良好臨床預(yù)后的關(guān)鍵。腦血管痙攣是DCI的重要病因，也是SAH急性期治療的主要關(guān)注點(diǎn)[20]。臨床上TCD是檢測(cè)SAH后血管痙攣的主要工具，但其敏感性不高，且對(duì)操作者技術(shù)的依賴性強(qiáng)、解剖定位困難[21-23]。因此，對(duì)于SAH患者，需要一種簡(jiǎn)單無(wú)創(chuàng)、可連續(xù)床邊監(jiān)測(cè)的方法來(lái)評(píng)估腦缺血狀態(tài)。

多項(xiàng)研究表明，NIRS在檢測(cè)SAH后血管痙攣方面有一定的優(yōu)勢(shì)[21-22，24]。Park等[23，25]連續(xù)14 d測(cè)定52例SAH患者的腦組織rSO2，根據(jù)是否發(fā)生DCI分析rSO2的差異，利用AUC比較NIRS和TCD檢測(cè)腦血管痙攣的準(zhǔn)確性。研究結(jié)果顯示，以SO2下降率＞12.7%為標(biāo)準(zhǔn)，NIRS診斷DCI的敏感度為94.44%，而TCD的敏感度為75.0%，表明NIRS觀察到的rSO2可用于DCI的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并在敏感度上優(yōu)于TCD。此外，NIRS還可能用于評(píng)估SAH患者腦血管痙攣后使用擴(kuò)血管藥物的治療效果。Meng等[26]通過(guò)NIRS對(duì)21例接受維拉帕米治療腦血管痙攣的開(kāi)顱術(shù)后患者進(jìn)行rSO2監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)動(dòng)脈注射維拉帕米可導(dǎo)致rSO2的變化，提示NIRS測(cè)定rSO2可能作為維拉帕米等干預(yù)措施在實(shí)施過(guò)程中腦循環(huán)變化的監(jiān)測(cè)手段。因此，未來(lái)NIRS有望用來(lái)評(píng)估SAH誘發(fā)的腦血管痙攣用藥后的腦血管反應(yīng)性。

2018年的一項(xiàng)研究通過(guò)NIRS監(jiān)測(cè)SAH患者rSO2和平均動(dòng)脈壓（mean arterial pressure，MAP）之間的相關(guān)性，探討腦自動(dòng)調(diào)節(jié)功能與DCI的關(guān)系，結(jié)果顯示，SAH分級(jí)越差，腦自動(dòng)調(diào)節(jié)功能損害越明顯，越易發(fā)生DCI[27]。Silverman等[28]用NIRS對(duì)31例SAH患者進(jìn)行rSO2監(jiān)測(cè)，并與有創(chuàng)顱內(nèi)壓監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，證明有創(chuàng)顱內(nèi)壓監(jiān)測(cè)和NIRS無(wú)創(chuàng)監(jiān)測(cè)確定最佳MAP都是可行的，且一致性較好。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，超過(guò)個(gè)體化腦自動(dòng)調(diào)節(jié)極限的患者預(yù)后較差。因此，NIRS可用于評(píng)估不適合進(jìn)行有創(chuàng)顱內(nèi)壓監(jiān)測(cè)SAH患者的最佳血壓參數(shù)，在血壓優(yōu)化和以血流動(dòng)力學(xué)為目標(biāo)的神經(jīng)保護(hù)方面具有應(yīng)用價(jià)值。

在一項(xiàng)關(guān)于SAH預(yù)后評(píng)估的分析中，有研究采用NIRS監(jiān)測(cè)了163例動(dòng)脈瘤破裂后5～10 d的SAH患者，以rSO2作為監(jiān)測(cè)指標(biāo)，mRS評(píng)分4～6分作為不良結(jié)局指標(biāo)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)30 min內(nèi)腦組織rSO2下降50%與3個(gè)月功能不良獨(dú)立相關(guān)[29]。在另一項(xiàng)針對(duì)38例SAH患者的小型研究中，研究者評(píng)估了腦組織rSO2＜60%的時(shí)間與患者短期結(jié)局（GCS評(píng)分）的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)結(jié)局不良的患者比結(jié)局良好的患者rSO2下降的時(shí)間更長(zhǎng)[30]。還有研究也同樣證明腦組織rSO2下降發(fā)作持續(xù)超過(guò)2 h的患者短期結(jié)局不良的風(fēng)險(xiǎn)顯著高于rSO2無(wú)降低的患者[31]。

綜上，NIRS未來(lái)可能實(shí)現(xiàn)對(duì)SAH患者腦組織rSO2的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，在術(shù)后DCI的發(fā)生及功能結(jié)局的預(yù)測(cè)方面有巨大的應(yīng)用潛力。

3 近紅外光譜成像的優(yōu)勢(shì)與不足

由于NIRS的信號(hào)檢測(cè)原理天然契合腦血管病的病理生理機(jī)制，該領(lǐng)域研究正在興起。一方面，NIRS可以實(shí)現(xiàn)床旁實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，適用于危重癥等不易移動(dòng)或不適合移動(dòng)的患者，且檢查過(guò)程中不需嚴(yán)格限制被試動(dòng)作，對(duì)運(yùn)動(dòng)偽跡不敏感，尤其適用于嬰幼兒、老年人、有溝通或認(rèn)知障礙等特殊群體。此外，NIRS電磁兼容性好、抗干擾能力強(qiáng)，可與腦電、經(jīng)顱磁刺激等配合使用，能同時(shí)、連續(xù)檢測(cè)多種血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)等特點(diǎn)也是其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[4，32]。

另一方面，NIRS目前仍存在技術(shù)上的不足。首先，NIRS缺乏解剖學(xué)特異性，定位能力受限，且信號(hào)不能覆蓋全腦，相較于MRI等檢查，其空間分辨率略低，缺乏腦血管疾病的診斷閾值[33]。加之近紅外光探測(cè)深度有限，只能穿透皮膚表面3 cm以內(nèi)的組織。此外，顱外因素、皮膚的灌注度、硬腦膜的血供或鄰近靜脈竇的異常靜脈引流等也會(huì)影響NIRS的測(cè)量結(jié)果[34]。

4 展望

NIRS近年來(lái)在腦血管病領(lǐng)域逐漸從科學(xué)研究轉(zhuǎn)向臨床應(yīng)用。鑒于其技術(shù)的局限性，目前還不能替代其他影像學(xué)檢查及有創(chuàng)監(jiān)測(cè)。其應(yīng)用場(chǎng)景、光信號(hào)分析技術(shù)、測(cè)量指標(biāo)的選取還需進(jìn)一步完善。未來(lái)可與其他技術(shù)聯(lián)合進(jìn)行多模態(tài)監(jiān)測(cè)，作為影像學(xué)檢查的重要補(bǔ)充，提高解剖定位精度，確定各種腦血管疾病的rSO2診斷閾值。此外，應(yīng)加強(qiáng)NIRS設(shè)備研發(fā)，使其進(jìn)一步微型化、可穿戴化，結(jié)合人工智能分析等技術(shù)手段，開(kāi)發(fā)適合NIRS的卒中應(yīng)用場(chǎng)景（如120急救系統(tǒng)、基層社區(qū)醫(yī)療機(jī)構(gòu)、卒中專科急救單元等）和適宜裝備，使腦血管病院前、院內(nèi)的精準(zhǔn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)評(píng)估成為可能。

【點(diǎn)睛】近紅外光譜成像可通過(guò)直接探查腦血管病患者的腦血氧供應(yīng)和顱內(nèi)血腫情況，實(shí)現(xiàn)疾病的床旁早期診斷及病情評(píng)估。