近红外光谱技术（NIRS）的起源

NIRS始于Frans Jöbsis在《科学》杂志（1977年）上发表的一篇论文。Jöbsis报告称，生物组织对近红外（700-1300纳米）区域的光具有相对透明性。因此，有可能通过器官传输足够的光子以进行原位监测。在这一近红外区域，血红蛋白——包括其两种主要变体氧合血红蛋白（O2Hb）和脱氧血红蛋白（HHb）——表现出与氧气相关的吸收特性。血红蛋白被认为是生物组织中吸收该近红外区域光线的主要发色团。

科学原理

如果已知吸收情况，可以使用比尔-朗伯定律（Beer-Lambert law）计算发色团的吸收。比尔-朗伯定律的公式为：ODλ = Log (I0/I) = ελ * c * L

ODλ是一个无量纲因子，称为介质的光密度；I0是入射光；I是透射光；ελ是发色团的消光系数（单位：µM-1•cm-1）；c是发色团的浓度（单位：µM）；L是光进入点和射出点之间的距离（单位：cm）；λ是所使用的波长（单位：nm）。

比尔-朗伯定律旨在用于透明、无散射的介质。当它应用于散射介质（例如生物组织）时，必须加入一个无量纲的光程校正因子。这个因子有时被称为微分光程因子（DPF），它解释了由于组织中散射导致的光程增加。用于散射介质的改进型比尔-朗伯定律公式为：Δc = ΔODλ / (ελ * L * DPF)

其中，ODλ表示由于组织中的散射和吸收而产生的与氧气无关的光学损耗。假设在NIRS测量过程中ODλ保持不变，我们可以将光密度的变化转化为浓度的变化。

该方程适用于含有一种发色团的介质。如果涉及更多发色团，我们需要测量的波长数量至少要与存在的发色团数量相等。这会产生一组线性方程。求解这组方程即可得到大多数NIRS系统所使用的算法。散射介质使得使用彼此平行的近红外光源和检测器来测量吸收成为可能。这为使用NIRS设备测量较大组织（如肌肉和大脑）的氧合状态提供了机会。

NIRS算法

定义NIRS所使用的算法需要各种发色团的光谱消光系数。这是两种主要发色团O2Hb和HHb的光谱。

O2Hb和HHb之和是组织中总血容量（tHb）的量度。肌肉组织还包含另外两种发色团：氧合肌红蛋白和脱氧肌红蛋白（O2Mb和HMb）。为了区分肌肉组织中的血红蛋白和肌红蛋白，光谱需要有足够的差异。遗憾的是，在光谱的近红外区域并非如此。这意味着，NIRS无法区分所测得的氧浓度是由血红蛋白还是肌红蛋白携带的。能够区分Hb和Mb的波长无法穿透足够深的组织。