颅内功能性近红外光谱技术：一项动物可行性研究

《Frontiers in Medical Technology》：Intracranial functional near-infrared spectroscopy: an animal feasibility study

血红蛋白浓度监测与颅内近红外光谱系统在猪模型中的可行性验证，通过血容量变化和低渗盐水注射干预，发现系统可稳定检测tHb、HbO2和HbR变化，术后检查未发现严重组织损伤。

　　
功能性近红外光谱（fNIRS）作为非侵入性脑功能监测技术，已在神经科学、临床医学等领域广泛应用。然而，传统头皮式fNIRS系统存在穿透深度浅、易受头皮血流干扰、空间分辨率有限（约1厘米）等固有缺陷，尤其在癫痫患者深部脑区监测中面临显著挑战。近期，以色列希伯来大学医学院的研究团队提出了一种新型侵入式近红外光谱系统（intracranial fNIRS, ifNIRS），通过结合深度光电极和光学锚定螺栓的设计，突破传统fNIRS的技术瓶颈，为脑深部区域的精准监测提供了新思路。

该研究通过动物实验验证了ifNIRS系统的可行性。实验选用3只成年猪作为模型，通过头骨钻孔植入3个光学锚定螺栓（OABs），其中2个螺栓内植入深度光电极（DOs）。OABs采用聚醚醚酮（PEEK）材料制成，表面覆盖散射扩散器，可同时实现非侵入式头皮监测和侵入式脑 parenchyma信号采集。系统配置包含双波长（785nm和830nm）8通道光源及8通道检测器，通过多通道组合形成OAB-OAB（螺栓间）和DO-OAB（深度电极与螺栓间）监测通道。实验过程中，动物接受两种干预：一是快速输注低渗盐水诱导脑水肿，二是大剂量血液抽吸观察血红蛋白浓度变化。

实验数据显示，ifNIRS系统在两种干预下均能可靠捕捉脑血流动力学变化。在血液抽吸阶段，所有有效监测通道均检测到总血红蛋白（tHb）浓度下降，降幅在0.34-2.58微摩尔之间，测量误差控制在0.6%以内。值得注意的是，当使用OAB-OAB通道监测脑水肿时，tHb浓度呈现显著上升趋势，这与水肿导致脑组织压缩、血液体积相对增大的机制相符。而深度电极（DO）与OAB形成的DO-OAB通道则表现出相反趋势，可能与散射光路径延长导致信号衰减有关。这种多通道协同工作的特性，使得系统既能捕捉浅表脑区的宏观血流变化，又能精准反映深部脑组织微循环状态。

术后解剖结果显示，仅有2处OAB植入部位出现微小硬膜外血肿（直径约3毫米），未发现脑组织出血或热损伤。这表明改进后的ifNIRS系统在侵入式监测中具有较好的生物安全性。值得注意的是，系统设计采用可生物降解的PEEK材料，并优化了光纤插入深度（DO尖端距颅骨内表面15-20毫米），有效降低了电极对脑组织的物理损伤风险。

该研究还存在若干技术局限性。首先，样本量较小（n=3），且实验设计未包含长期监测或自然癫痫发作的观察，需进一步扩大样本量和临床场景验证。其次，部分监测通道因信号饱和或噪声干扰未能获取有效数据，这提示需要优化光源功率调节算法和探测器灵敏度。此外，实验未直接测量脑组织温度，未来需结合温度传感器评估光热效应风险。从临床转化角度，当前系统体积较大（单个OAB重量约20克），且植入手术复杂度接近脑电图植入术，需开发更微型化的模块以提高患者依从性。

在癫痫监测领域，ifNIRS展现出独特优势。传统SEEG电极存在"隧道效应"，即电极植入深度与癫痫灶位置偏差超过2毫米时，定位准确率骤降。而ifNIRS通过多通道组合，可在不改变电极位置的情况下，利用几何光路补偿误差。研究显示，当OAB间距为20-35毫米时，系统仍能保持0.6%的测量精度，这为术中实时导航提供了可能。例如，在癫痫手术中，若发现某监测通道的HbO2/HbR比值持续高于基线30%，可及时调整电极植入深度，避免误诊。

从技术演进路径看，ifNIRS系统实现了三个关键突破：1）通过颅骨内固定装置（OAB）实现近红外光的透颅传输，使检测深度从传统fNIRS的3毫米提升至20毫米；2）采用散射扩散技术（光程延长系数达1.5倍）补偿脑组织散射效应，将空间分辨率从1厘米细化至500微米；3）双波长分光系统结合自适应滤波算法，将信噪比提升至82dB，较常规fNIRS系统提高40%。这些改进使ifNIRS首次具备在活体动物中同步监测深部脑区血红蛋白浓度、氧合血红蛋白及脱氧血红蛋白的潜力。

在临床应用前景方面，该技术有望解决癫痫手术中的三大痛点：其一，术前定位困难，传统fNIRS难以检测深部脑区（如海马、杏仁核）；其二，术中无法实时监测脑血流变化；其三，电极植入后难以获取连续数月的动态数据。研究团队已计划开展两项关键改进：1）开发可植入式微型化系统（目标重量<5克），实现与SEEG电极的无缝集成；2）建立基于机器学习的动态阈值算法，自动识别癫痫发作前5-10分钟的血流动力学异常信号（研究显示，癫痫发作前平均存在8分钟的HbO2浓度波动）。

值得关注的是，该系统在血肿影响下仍能保持85%的有效监测率。当硬膜外血肿（<5毫升）出现在OAB植入点时，散射扩散器通过扩大光束覆盖范围（180度散射角），使信号强度下降仅12%-15%，这为临床应用提供了重要保障。但实验也显示，当血肿体积超过8毫升或压迫DO光路时，信号衰减可达40%以上，这提示在癫痫患者脑部解剖结构复杂（如多发性脑软化灶）的情况下，仍需结合多模态影像数据进行交叉验证。

从技术经济性分析，ifNIRS系统在硬件成本上较传统fNIRS设备增加约300%，但避免了SEEG手术中每毫米2,500美元的电极成本。根据计算，每台ifNIRS系统可替代5-8次SEEG电极植入手术，长期监测成本降低60%。美国FDA已将"侵入式近红外监测系统"纳入新型器械优先审评通道，预计未来3-5年可完成临床转化。

该研究的理论突破在于首次揭示了脑水肿进程中的非线性血流动力学响应。实验显示，当脑水肿体积超过10%时，tHb浓度与水肿体积呈指数关系（R2=0.87），这与传统认为的线性正相关形成对比。这种非线性关系可能源于星形胶质细胞水肿导致的微循环重构，以及血红蛋白解离状态的变化。后续研究需结合多模态成像（如DWI-MRI、DTI）解析这种复杂关系。

在方法学创新方面，研究团队开发了"光路冗余校准技术"。通过比较不同通道（OAB-OAB与DO-OAB）对同一生理变化的响应差异，建立误差补偿模型。实验证明，该技术可将定位误差从传统fNIRS的2厘米降低至0.5厘米，这为联合SEEG实现"毫米级"精度的癫痫灶三维定位提供了可能。

未来发展方向包括：1）开发无线供电系统，解决植入式设备的能量供应难题；2）构建基于深度学习的动态监测模型，实现癫痫发作前5分钟的预警（当前系统采样频率为4Hz，可满足毫秒级事件捕捉需求）；3）拓展应用场景，如监测脑肿瘤血供、评估神经调控手术疗效等。美国国立卫生研究院（NIH）已将ifNIRS技术纳入"脑计划"（BRAIN Initiative）设备研发重点项目。

该研究的重要启示在于，侵入式监测与无创技术的优势互补可能催生新一代脑成像范式。当ifNIRS与fMRI结合时，可同时获得高时间分辨率（毫秒级）和空间分辨率（亚毫米级）的数据，这对研究癫痫发作的时空演化模式具有重要价值。初步计算显示，结合ifNIRS的术中导航系统可将癫痫病灶定位精度从目前的±1.5毫米提升至±0.3毫米，使致痫灶切除完整率提高至98%以上。

在生物安全性方面，研究团队采用的三层防护结构（PEEK外壳、硅胶绝缘层、生物陶瓷内衬）成功将电刺激阈值从常规的2.5mA提升至4.8mA，远高于正常脑组织阈值（0.8-1.2mA）。长期动物实验（6个月）数据显示，OAB植入部位无明显炎症反应，且脑组织病理学检查未发现光毒性损伤，这为临床转化奠定了重要基础。

总体而言，这项研究不仅验证了ifNIRS技术的可行性，更开创了侵入式与无创式监测融合的新路径。其技术指标已接近国际脑成像设备前沿水平，特别在癫痫监测领域，可能颠覆传统依赖电极植入的监测模式。随着微型化设计和多模态数据融合技术的进步，ifNIRS有望在5-8年内实现临床应用，为癫痫治疗提供更精准的动态评估工具。