近红外空间分辨光谱技术及其在脑氧无损检测中的应用

论文摘要

近红外光谱（NIRS）技术可以无损、实时、连续、定量监测人体脑组织的氧合状况,因此在临床脑保护领域具有重要意义。本文的主要工作是用空间分辨的NIRS技术无损、定量测得局部组织的氧饱和度（rSO2）等血氧参数,并将其用于体外循环手术中的脑氧监测。本文第一部分（第2-4章）是空间分辨NIRS技术的基本原理、关键问题及可信度评定。本文首先在组织光学理论的框架下,阐明了用这项技术解算组织rSO2的基本原理及技术方案。然后围绕检测中的技术关键,从理论与实际相结合的角度,着重分析并解决了如下问题:（1）使用空间分辨NIRS技术时,确定多个检测器间距的基本原则。（2）根据人体头部的几何结构和光学特性,合理确定光源和检测器的距离,以实现传感器与被测脑组织的最佳耦合,消除外层组织的影响。（3）光源发光波长的离散性对检测准确度的影响及校正方法。为评定这项技术的可信度,我们对其测得的rSO2进行校准。我们设计了光学特性接近人体组织的液体模型,并通过充氧或添加还原剂改变其氧饱和度。我们发现,使用连二亚硫酸钠（Na2S2O4）为还原剂,可使模型的氧饱和度实现“阶梯”状下降,这有利于提高校准精度。校准结果表明,该技术解算rSO2的算法受背景吸收的影响很小,这与我们的理论分析结果吻合;并且只要实现了传感器与被测组织的最佳耦合,该算法也可较好地消除外层组织的影响。本文第二部分（第5章）是将这项技术用于体外循环手术中的脑保护。我们实时无损监测了15例患者术中的脑氧。结果表明,体外循环过程中,脑组织的rSO2同体温反向相关,同循环流量正向相关,因此它反映了脑组织氧供应与氧消耗的动态平衡。从而医生可通过合理调节体温和循环流量等参数维持正常的脑氧水平,以防止脑缺氧、实现脑保护。结果还表明,同脉搏氧饱和度及混合静脉血氧饱和度相比,该技术无损测得的rSO2能更好反映脑组织的氧合状况。本文第三部分（第6章）介绍了这项技术转化为具有本小组独立自主知识产权的产品及其推广应用,以及此过程中笔者所做的工作。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 临床脑保护的重要意义
• 1.2 氧在人体内的存在方式与输运
• 1.3 脑组织氧合状况的现有评定方法
• 1.4 组织氧合状况的近红外无损检测概述
• 1.5 本文的任务和主要内容
• 第2章 人体组织的血氧参数与光学参数
• 2.1 人体组织的血氧参数
• 2.2 人体组织的光学参数
• 2.3 组织血氧参数与光学参数的关系，修正的Lambert-Beer 定律
• 2.4 本章小结
• 第3章 空间分辨NIRS 技术检测组织血氧参数的基本原理
• 3.1 光在生物组织中的输运理论
• 3.2 漫射方程及其求解
• 2'>3.3 空间分辨方法检测组织氧饱和度rSO₂
• 3.4 本章小结
• 第4章 空间分辨NIRS 的技术关键与可信度评定
• 4.1 本小组研制的NIRS 仪器简介
• 4.2 空间分辨NIRS 的技术关键及其解决
• 4.3 空间分辨NIRS 的可信度评定——液体模型校准实验
• 4.4 评定空间分辨NIRS 技术可信度的其它方法及结果简介
• 4.5 本章小结
• 第5章 空间分辨NIRS 用于体外循环手术中的脑氧监测
• 5.1 体外循环概述
• 5.2 实验方案
• 5.3 实验结果（一）——脑组织的血氧参数同有关生理参数的关系
• 5.4 实验结果（二）——空间分辨NIRS 与其它监测方法的比较
• 5.5 本章小结
• 第6章 空间分辨NIRS 技术的产品化与推广应用简介
• 6.1 NIRS 仪器（TSNIR-3）的鉴定
• 6.2 空间分辨NIRS 技术的产品化
• 6.3 产品的推广应用简介
• 第7章 论文结论
• 7.1 论文的主要内容总结
• 7.2 主要的创新点
• 7.3 未来工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 漫射近似的推导
• 附录B 漫射方程的推导
• 附录C 液体模型校准实验中缓冲液的配制
• 附录D 本小组TSAH-100 仪器的《医疗器械注册证》
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果