近红外光谱分析在医学上的应用

谱技术对血液、组织氧、呼吸状况、局部缺血性损 结合， 将为人们的健康护理领域带来更大的进步，
伤等组织生理状况进行检测。肌红蛋白对肌肉组织 也必然为人们生活质量的提高做出贡献 （ 参考文献
中的氧代谢十分重要， 包含一群类似血红蛋白的血 略） 。 （Ｎｏ．７）
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由于分析对象复杂多样， 分析物含量低以及水 的强烈吸收等影响， 近红外在医学检验方面的应用 相对较迟。原则上， 近红外光谱能提供蛋白质、多
肽、核酸、碳水化合物、脂类及其他生物分子的信 息， 可以作为医学诊断工具。因此， 医学应用现已 成为近红外光谱分析的热点研究领域。研究的焦点 主要集中在无创生化检测方法的研究上， 如对脉管 血液含氧量的测定。由于光谱吸收强度随心跳引起 的动脉血流量节律变化而变化， 据此可测量动脉中 去氧血红蛋白和含氧血红蛋白的浓度。另一项无创 检测技术是利用近红外光透射到几厘米深的组织内 部， 监测脑血液动力学以及细胞色素氧化还原水平 的变化。血糖的无创检测更是重中之重， 因为这是 世界上数千万糖尿病患者所盼望的。据报道， 全世 界有近百个科研小组在从事此项研究， 但距临床应
速改变而改变。专一性是最关心的特性之一， 因为 原状态以及血液动力学也很有意义。
许多其他的与葡萄糖无必然联系的作用可能会影响
无损监测人大脑氧的代谢是一个重要的应用领
信号。最近在缓慢变化条件下进一步进行了实验， 域。无论氧合态还是还原态的内源血红蛋白都是研
实验是以健康人和糖尿病人为对象， 同时记录每个 究的主要成分， 对细胞色素 Ｃ 氧化酶也进行了研
５ 用于医学监视的短波近红外光谱
试剂和能自动连续监测而受到重视。鉴于人体组织 的复杂性， 要用光谱方法代替传统的经典分析方法 还有许多工作要做。配合光纤探头， 近红外作为无 损和非破坏性诊断工具， 特别是用于皮肤组织的分 析， 包括血液和微循环的动态监测已是指日可待。
最近十几年， 近红外作为无损检测组织， 特别
１引 言
近红外光谱分析以其分析速度快， 不破坏样 品， 可以多组分同时分析等特点而得到广泛应用。 早在 ２０ 世纪 ８０ 年代， 国外就已经有几种食品近红 外分析标准方法被有关政府部门采用， 如谷物中的 蛋白质和水分分析； 肉类、水产品的脂肪和蛋白质 的测定； 啤酒等饮料的质量测定等。农产品和食品 分析是近红外光谱应用最早且最成功的领域。
６结 语
目前， 世界各地的科技工作者在医学诊断方面 正从事多学科交叉研究， 以寻找更新、更有效的分 析方法和技术。近红外光谱方法由于可以无创、无
根据已有的研究报道， 目前无损伤血糖近红外 分析的可靠性尚未达到临床要求的水平。此外， 在 定标模型的长期稳定性以及对于不同病人的通用性 方面还需要做进一步的发展。
４ 血糖的无创检测
可以用几个波长建立定标模型， 测定的标准误差
利用近红外光谱进行血液分析是医学诊断的一
可＜０．３５ ｇ／ｄＬ。
个重要里程碑。通常， 血液取样和分析是比较繁杂
用近红外方法可以检测人血液保存时的变化， 的， 有时还需要规律且连续地对一些参数进行监测。
透过塑料储血袋， 记录不同血液样品的光谱， 便可 糖尿病人也需要对血糖进行日常自我监测， 以便通
测会给病人带来许多痛苦和不便， 致使许多糖尿病 人忽视血糖监测， 这是非常危险的， 最后病人可能 因血糖浓度过高而导致肾衰竭、中风或失明等。
利用近红外光谱技术进行无创血糖分析， 在全 世界有很多科学家采用不同策略从事开发研究。由 于组织中存在许多干扰物质以及血管、组织间液和 细胞内血糖含量各不相同， 增加了测量的复杂性。 因此有许多因素必须考虑， 如组织结构、血液量、 血流量和皮肤的生理变异。一般认为， 毛细血管血 糖测量对进行胰岛素治疗是较好的参考标准。
目前， 近红外光谱在临床上的成功应用主要是
唇和前臂都可以利用。
测量血管血量的脉搏测氧仪， 可以测定动脉血红蛋
目前， 无损伤血糖分析使用的光谱范围从短波 白的氧饱和度。特别是用于麻醉病人时， 测量精度
近红外到长波近红外。研究人员通过一组人群的血 已经达到了一般护理标准。
浆样品实验证实了血糖吸收在特殊光谱区间的选择 性。其他重要条件是信噪比要高， 能够检测糖尿病 人低血糖时组织中血糖的浓度。临床血糖水平的下 限可以低到 ３０ ｍｇ／ｄＬ， 然而， 被研究组织中的平均 血糖浓度随着血容量不同可以更低。
血红蛋白是临床的重要参数之一， 可用近红外 透射或反射光谱来测量其含量。由于血红蛋白的含 量相对较高， 无创血红蛋白的检测比较方便。不同 的血红蛋白， 包括含氧血红蛋白、去氧血红蛋白、 羧基血红蛋白和高铁血红蛋白的光谱数据各不相同，
曾有研究人员将中红外 ＡＴＲ 光纤测量结果同用石英 光纤探头漫反射光谱测量结果进行了比较， 记录了 一 组 志 愿 受 试 者 的 正 常 皮 肤 和 痣 在 １０ ０００￣ ４ ０００ ｃｍ－１ 的近红外光谱。对所有的近红外光谱 数据 进行中心平均、二阶导数处理和 ＰＬＳ 判别分析。以 几天之内记录的数据特征进行了直接评估并按权威 标准打分： 例如角化过度程度 （ 角化过度导致角质 层增厚） 、色素量、黑素细胞和其他细胞的大小等。 利用文献上的光学参数建立了分析， 皮肤和痣的光 谱差异很小。
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近红外光谱分析在医学上的应用
曹璞
（ 暨南大学 光电工程研究所， 广州 ５１０６３２）
【摘要】阐述了近红外光谱技术在医学领域的研究应用情况， 并简要介绍了这一技术在临床化学中的应用， 对皮肤的分析以及对血糖、血红蛋白等生理因子的检测。 关 键 词： 近红外光谱技术； 临床化学； 皮肤； 血糖； 血红蛋白 中图分类号： Ｏ６５７．３３
５２ 光机电信息
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最近开发了由数个不同红外和短波近红外波长 细胞， 其中最主要的一个发色团是在细胞线粒体膜
的 ＬＥＤ 和探测器构成的便携式仪器。在几个葡萄糖 上的细胞色素 Ｃ 氧化酶， 因为它是呼吸链的末端化
阻断实验中， 组织葡萄糖浓度随着血液葡萄糖的快 合物。对获得有关新生儿脑细胞内细胞色素氧化还
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｎｅａｒ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｉｎ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ
ＣＡＯ Ｐｕ （ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｊｉｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０６３２， Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｎｅａｒ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｉｎ ｍｅｄｉｃｉｎｅ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ， ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｃｌｉｎｉｃａｌ ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ， ｓｋｉｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｂｌｏｏｄ ｓｕｇａｒ ａｎｄ ｈｅｍｏｇｌｏｂｉｎ ． Ｋｅｙｗｏｒ ｄｓ： ｎｅａｒ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ； ｃｌｉｎｉｃａｌ ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ； ｓｋｉｎ； ｂｌｏｏｄ ｓｕｇａｒ； ｈｅｍｏｇｌｏｂｉｎ
人的光谱曲线。然而， 由于残差漂移和假象， １ ／４ 究。例如， 利用特殊的仪器， 可以监测新生儿大脑
实验表明， 组织散射特点和血糖浓度无相关性。
的其他参数， 如血流量、氧运输情况和血液量等，
近红外透射或漫反射光谱测量都可以用于血糖 这些仪器以一些脉冲激光二极管为基础。
的无创检测。人体的不同部位如指端、耳垂、舌、
以确定血液的保存时间。
过注射胰岛素来控制血糖水平。而有损伤的血糖检
３ 皮肤的近红外光源自文库分析
皮肤是人体的重要组织， 对人体具有十分重要 的生理作用。皮肤为人体提供了机械和化学保护， 它的分层结构及其化学组成很好地实现了这些作用。 皮肤的另一功能是通过排汗和改变血流量来调节体 温。
近红外漫反射光谱能提供无创皮肤诊断的有用 信息， 特别有用之处是分辨色素损伤、黑素瘤和痣。 恶性黑色素瘤是皮肤癌的最危险形式， 但往往难以
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用还有一定距离。
诊断， 因为它与痣相似，所以还需要进行切片活检。
２ 临床化学中的应用
生物分子的近红外光谱通常是由许多谱带叠加 的 结 果 ， 主 要 与 含 氢 的 Ｃ—Ｈ，Ｏ—Ｈ， Ｎ—Ｈ 等 基 团 的倍频和合频吸收叠加而成。一般来说， 蛋白质、 脂肪、碳水化合物及其他生化组分都可以利用吸收 光谱来测定。通常采用透射光谱和漫反射光谱技术 对样品进行测量。漫反射光谱技术可以测定生物组 织、干血样品及其他光散射样品。与透射光谱测量 技术相比， 漫反射光谱几乎不需要进行样品制备。 光线透过样品后， 经过漫反射， 一部分被样品吸收， 另一部分返回到样品表面。在这里可利用不同的光 学检测器进行检测。利用近红外光谱技术对几种血 液成分如总蛋白、血清白蛋白、甘油三脂、胆固醇 和尿素等含量的检测， 均取得了较满意的结果。
波长 ６００￣１ ３００ ｎｍ 的近红外光被称为“治疗窗 是 脑组 织 供 氧 状 况 的 仪 器 ， 在 医 学 上 已 经 很 普 遍 。
口”， 因为有良好的吸收和散射特性， 可以对身体组 由于受头皮和头盖骨对信号的影响， 绝对定量还很
织进行厘米级深度测量。有可能利用短波近红外光 困难。毫无疑问， 近红外光谱学与生物医学实践相
研究人员还进行了色素病变的研究， 使用的波 长范围是 ３２０￣１ １００ ｎｍ， 对各种皮肤样品的漫反射 光谱进行建模； 对损伤切下部分进行了组织结构评 价 ； 对 一 些 多 层 皮 肤 建 立 理 论 模 型 ； 采 用 Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ 散射介质中光辐射传输模拟方法， 对正常皮肤 和痣的反射光谱进行计算。以组织结构分析为基础， 对黑色瘤的光学特征进行修饰， 以改进模拟结果和 实验光谱之间的吻合度。