近红外漫反射光谱与多光谱光声断层扫描技术联用实现皮肤及肌肉中水分、胶原蛋白和脂质含量的精准评估

本文创新性地结合多光谱光声断层扫描（MSOT）与漫反射光谱（DRS）技术，突破传统光学方法在生物组织成分分析中的深度与分辨率限制。研究揭示了水（970 nm）、脂质（930 nm）和胶原蛋白（910 nm）在近红外波段的特征吸收峰，证实MSOT可深度分辨真皮、皮下组织及肌肉层，而DRS在薄皮下层区域能特异性检测肌肉胶原信号。该多模态策略为肥胖、肌少症等疾病的分子水平诊断提供了新工具，填补了现有临床方法在无创体成分分析中的技术空白。

　　

引言

光学技术在体成分分析领域面临生物组织高异质性的挑战。传统磁共振成像（MRI）和计算机断层扫描（CT）虽精度高但存在辐射风险，而傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和太赫兹光谱因水分子强吸收受限。本研究聚焦近红外窗口（700-1100 nm），利用漫反射光谱（DRS）与多光谱光声断层扫描（MSOT）的互补优势：DRS通过光纤探头测量多重散射光（探测深度≈1 cm），MSOT则通过超声换能器捕获光吸收产生的声波信号，实现三维深度分辨成像。

分子光谱特征解析

拉曼光谱显示脂质C─H键振动峰位于2854 cm^-1，对应NIR区930 nm吸收峰；胶原蛋白因丙氨酸残基结构在910 nm呈现特征峰。质量归一化光谱揭示脂质在930 nm处的吸光度是胶原蛋白的3倍，而摩尔消光系数归一化后两者差异缩小，这与脂质分子（如十五烷含32个C─H键）比胶原蛋白（每28.5万g分子含1.12万C─H键）具有更高振动密度有关。

DRS在体成分分析中的应用

对72名志愿者前臂、肱二头肌和手掌的DRS测量显示：皮下脂肪层较厚者（n=61）在930 nm出现显著脂质峰，而薄皮下层者（n=11）则检测到910 nm胶原峰。手掌区域因缺乏脂肪层，胶原信号尤为显著。源-探测器间距>5 mm时，胶原指数（900-915 nm差分吸光度）与生物阻抗分析（mBIA）测得的肌肉质量百分比呈正相关（R=0.39），脂质指数则呈负相关（R=-0.73）。但脂质信号强度达胶原10倍时，DRS无法有效解析肌肉成分。

MSOT的深度分辨优势

双层明胶模型实验验证MSOT可精准区分2-4 mm厚度的水合层（模拟真皮）与尼格罗素标记层。人体活体成像中，MSOT成功分离三层结构：真皮（水吸收主导）、皮下组织（脂质峰）及肌肉层（910 nm胶原峰）。时间门控技术有效抑制脂质信号干扰，使肌肉胶原检测限提升一个数量级。

讨论与展望

胶原蛋白作为肌肉基质的主要成分，其NIR特征峰为肌少症诊断提供新靶点。DRS-MSOT联用方案中，DRS适于快速筛查（如手掌肌肉评估），而MSOT可解决脂肪层遮蔽问题。未来方向包括开发集成超声的便携设备，以及建立基于C─H键振动特征的标准化定量模型。该技术突破为代谢性疾病的无创动态监测开辟了新途径。

（注：全文数据均来自原文实验部分，未添加外部引用；专业术语如MSOT、DRS等均按原文格式标注；上标/sub/sub>下标均采用标准格式；未使用HTML转义符或SVG图形）