近紅外光譜技術在醫(yī)藥領域中的應用

近紅外光譜技術在醫(yī)藥領域中的應用

0近紅外光譜技術的特點近紅外光（nir）是一種用于將光材料（tis）和中紅外（mir）之間的輻射波。美國材料測試協(xié)會（astr）將近紅外光譜范圍定義為780226nm。這是在吸收光譜光譜中發(fā)現的第一個非可見區(qū)域。近紅外光譜區(qū)域對應于有機分子中氫鉻（h、nh、ch）振動的總頻率和各級倍頻吸收頻率。掃描樣品的近紅外光譜，我們可以獲得樣品中有機分子氫甲基的特征信息。此外，利用近紅外光譜技術分析樣品具有方便、快速、高效、準確、成本低、樣品不破壞、消耗化學試劑、不污染環(huán)境等優(yōu)點。因此，該技術越來越受到重視。近紅外光譜技術的數字測量和分析過程的綠色化使其具有典型的時代特征。近紅外光譜技術是先進的、最受重視的光譜分析技術。在許多領域（農業(yè)和食品等）的檢測中，它被用作官方認證的檢測技術，同時也被廣泛應用于紡織、聚合物、藥物、石油、生化和環(huán)境保護等領域。除了早期應用外，近年來還使用該技術來檢測物質的純度，解釋物質結構，預測和評估生物的生理現象和變化以及監(jiān)控身體形狀的變化。本文主要介紹了近紅外光譜技術的特點。近年來，該技術在制藥分析中的應用已經開發(fā)。本文在醫(yī)療應用研究中的局限性和未來發(fā)展方向上提出了一些建議。以及，在醫(yī)藥領域應用的前景。1藥物的定量分析和質量控制隨著制藥工業(yè)的發(fā)展和壯大,迫切需要建立藥物分析與質量評估的科學體系,這需借助于先進的儀器和科學的分析技術相互印證、相互補充和完善,因此需要建立一種快速、高效、準確的新型檢測技術.用近紅外光譜法進行藥物的非破壞分析,目前在國際上正成為熱門課題.計算機軟件的開發(fā),多變量統(tǒng)計分類及光纖技術的發(fā)展,信噪比已達106的先進近紅外光譜儀的出現,都促進了藥品非破壞性、快速分析.近幾年來,近光譜分析技術已被應用于原料藥、藥品包裝材料、藥物中光學異構體的測定以及藥物的定性鑒別和定量分析等方面.近紅外光譜技術應用于藥物的鑒別和定性、定量的分析不僅具有快速、方便、準確、非侵入式分析、易于實現生產過程的在線控制等優(yōu)點而且可以鑒定某些藥物(如光學異構體、具有光學活性物質)的純度,因此在藥物的定性鑒定、定量分析、質量控制及在線檢測等方面顯示了巨大的作用.利用近紅外光譜和多變量統(tǒng)計分類技術(系統(tǒng)聚類分析、逐步聚類分析、主成分分析和逐步判別等)可很好地對藥材和成藥進行定性判別和分類.劉國林等,利用了近紅外光譜技術對不同產地和類別的42種中藥蛇床子進行了類別分析,取得了滿意的效果.湯彥豐等將近紅外光譜和人工神經網絡相結合對52種正品和非正品大黃進行了鑒別,正確率達96.15%.鐘蕾等利用近紅外光譜結合聚類分析方法對不同產地的血竭類中藥進行了研究,近紅外光譜法(NIRS)聚類分析的結果與經典的分類結果基本吻合.任瑞雪等研究了近紅外一階導數光譜進行蘆丁粉末藥品質量控制的可能性,用多變量統(tǒng)計分類技術從蘆丁的近紅外一階導數光譜成功地鑒別出真藥、劣藥和假藥,該技術為藥物的質量控制提供了新的檢測方法.近紅外光譜在藥物的定量分析及在線檢測等方面也取得了一定的成果.人們根據近紅外光譜同計算機科學和化學計量學相結合可對藥物進行非破壞分析這一可能性,非侵入地測量了銀杏葉片、黃連浸膏粉、青霉素鈉等藥品中活性成分的含量和分布.在對藥物的定量分析方面,人們除了將近紅外光譜與偏最小二乘法(PLS)、主成分分析(PCA)相結合對一些藥如卡拉霉素膠囊、甲璜酸加替沙星、頭孢氨芐膠囊等分析外,近幾年又將近紅外光譜技術與處理非線性體系的人工神經網絡方法相結合,對許多固體藥品如:撲熱息痛片劑、美的康、甲氧芐胺嘧啶、阿斯匹林、璜胺甲基異唑等進行了定量分析,均取得了滿意的預測結果.由于近紅外光在固體中穿透較深以及容易采取漫反射技術等特點,使近紅外光譜在線檢測技術成功地應用于固體藥劑各種物理化學性質(濕度、均一性、顆粒大小、硬度等)的定量表征和不同生產階段的檢測.目前大約有40多個國家和地區(qū)開展了NIR的研究和應用工作,特別是一些發(fā)達國家,他們早已將近紅外光譜技術應用于農產品的檢測中.近幾年隨著近紅外漫反射技術的發(fā)展,該技術在藥物的無損分析中已得到了廣泛的應用.國外許多文獻都證明了這一點.該技術己被廣泛地應用于藥物生產過程的在線檢測如形成顆粒過程中水分的含量,藥物的組成和硬度,藥物粉末的混合程度等方面;同樣利用該技術非破壞地測定了藥品中某一種或幾種活性成分及有效成分的含量;且利用近紅外光譜結合化學計量學方法對不同產地不同種類的藥材進行了鑒別,對藥品的真假進行了認證,均取得了滿意的結果.2近紅外光譜法檢測生物組織中的異物和圖像近10年來,隨著光導纖維及傳感技術的發(fā)展,近紅外光譜檢測技術和計算機網絡技術相結合的進一步深入,近紅外光譜技術的非侵入式定性和定量分析成為可能.同時,由于生物體中不同的透明組織對近紅外光具有不同的吸收和散射特性,因此近紅外光對不同的軟組織和變化的組織具有較強的區(qū)分能力.根據這種特性,可以利用近紅外光譜法測量生物組織的某些光學參數從而得到組織的某些生理參數,或者建立某些生理參數和光譜數據的關系,從而可以檢測出組織中的異物或生成二維的圖像;也可監(jiān)測皮膚組織受外界環(huán)境影響的變化;還可用于臨床分析和血液某種成分的測定.近紅外光譜法可以直接對活體組織進行無創(chuàng)檢測,使過去無法開展的研究工作成為可能,極大地提高了分析檢測效率,因此近幾年近紅外光譜技術在醫(yī)學領域的許多方面得到了廣泛的應用.2.1近紅外光譜技術的應用隨著近紅外光譜技術在新應用領域的拓展,該技術在疾病預測和診斷等方面也引起了人們極大的興趣.由于在近紅外光譜中生物組織的血氧、血流量、血氧飽和度、血容量及腦氧合等參數會因組織的變化而發(fā)生相應的變化,因此人們通過近紅外光譜對其進行無損、連續(xù)、實時地監(jiān)測得到組織的變化情況,進而可以根據組織的變化來預測、診斷疾病.田豐華等通過近紅外光譜法檢測的皮膚血氧的變化來監(jiān)測皮膚血氧的運輸情況,因此近紅外光譜技術為監(jiān)測移植手術后的皮瓣成活狀況提供了一種新的方法.韓素敏等根據Fich原理導出了監(jiān)測組織血流的數學模型,建立了檢測前臂缺血時血流變化的實驗系統(tǒng),結果表明用近紅外光譜方法來監(jiān)測缺血時血流的變化是可行的.黃海娟等利用近紅外光譜對早產嬰兒腦血流量及平均動脈壓的變化水平進行了監(jiān)測,了解了早產嬰兒腦血流量自主調節(jié)功能,探討了受損的腦血流量自主調節(jié)與腦損傷的關系.謝欲曉等應用了近紅外光譜技術研究了中風后非流暢型失語癥患者語言激活時左前額皮層血氧及血流動力學的變化,探討了近紅外光譜法檢測認知激活狀態(tài)大腦功能性變化的臨床應用價值.黃繼紅等在不同的體外循環(huán)模式下,探討了近紅外光譜儀在腦氧合功能監(jiān)測方面的價值,找出了在深低溫停循環(huán)模式下,氧合血紅蛋白最低點持續(xù)時間(HbO2-NT)與反映腦損傷的其他指標顯著相關,結果表明HbO2-NT是預測深低溫停循環(huán)安全時限的有效指標.崔惠英等利用近紅外光譜儀對圍產期缺氧的新生嬰兒的腦氧合進行了監(jiān)測,研究了圍產窒息缺氧后心臟損害對腦氧合的影響,取得了滿意的效果.陳衛(wèi)國等研究了利用近紅外光譜法來定位診斷腦梗塞的可能性,結果表明利用近紅外光譜技術與核磁成像技術得到的結果是一致的.國外在這方面也有許多報道.Asgari等應用了近紅外光譜技術研究了神經膠質瘤患者在手術中的一些特征,且解釋了這些特征與神經膠質瘤的發(fā)展及病人存活時間的關系,這為腫瘤將來情況的預測提供了新的額外信息.Fan等利用近紅外光譜技術測定了腦死亡授體中肝的氧合作用和細胞內部代謝狀況,并用此來評價肝移植時腦死亡的授體中肝的生長發(fā)育情況,從而可以利用該技術預測肝移植的成功率.Michael等利用近紅外光譜法非侵入地測定了燒傷早期一段時間內患者血液循環(huán)的變化,并證明了近紅外光譜數據與燒傷程度存在很好的相關性,因此可以利用該技術非侵入式確診燒傷早期的燒傷程度.Stingele等利用近紅外光譜技術測定了由于附屬組織血液的供給失敗而導致的局部氧的不足,因此該技術在預測附屬部位病變方面具有一定的臨床意義.Mclntosh等利用近紅外光譜技術結合光纖維探針、線性判別分析(LDA)研究了皮膚的一些特征,建立了模型,并以此模型對皮膚惡化程度進行了預測,取得了較好的結果.Nagdyman等利用近紅外光譜研究了血液循環(huán)受阻及心臟肺部疾病患者恢復時期腦部氧基血紅素的變化,為他們的進一步治療提供了有力的參考.Lin等利用近紅外光譜研究了雙側頸動脈末端的特異性阻塞(moyamoya)患者腦部血液循環(huán)的特征,從而為診斷和治療該疾病提供了了很好的依據.Fortune等利用近紅外光譜技術測定了嬰兒腦部及內臟的氧化指標(TOI),利用他們的TOI值建立正常的內臟細胞灌注模型,以此來檢測內臟肌肉萎縮是否形成,結果表明近紅外光譜技術在預測嬰兒內臟肌肉萎縮方面有很廣闊的應用前景.2.2檢測臟器里氧合血紅蛋白與乳酸檢測的展望由于生物組織對近紅外光有較低的吸收率,含氧血紅蛋白、還原血紅蛋白及其它的一些成分在近紅外光區(qū)具有不同的吸收光譜,人們可以利用它們在近紅外區(qū)的這種差別,直接對生物組織的某種成分進行在體、無損、實時地檢測,進而為臨床中對組織進一步評價提供了好的參數.李明菊等利用近紅外傅立葉變換光譜儀結合偏最小二乘法分析了全血中葡萄糖的含量取得了較好的結果.徐國棟等利用近紅外光譜技術對8名運動員在功率自行車上作五級遞增負荷運動時的血氧含量進行了在體、實時、連續(xù)地監(jiān)測,同時測定了受試者即刻的乳酸濃度,結果表明氧合血紅蛋白與乳酸濃度之間有較高的相關性,這將有望為無損監(jiān)測和評定運動員的生理機能、掌握訓練程度、評價訓練效果引入新的測試指標和評價系統(tǒng).劉偉玲等采用光譜法對尿液樣品的主成分進行了近紅外分析,且對實驗中的最佳光程長做了選擇與計算,結果證實近紅外光譜法用于尿液的臨床分析不僅可行而且具有優(yōu)越性.王強等利用了一種新的近紅外光譜信號分析方法區(qū)分出動脈血和靜脈血的相對變化,實現了腦組織血管動態(tài)調節(jié)的無損測量.人體組織信息的光譜檢測法具有可實現無創(chuàng)、連續(xù)、實時監(jiān)測等特點一直是人們感興趣的課題之一,國外關于這方面的報道也比較多.Pilotto等利用近紅外光譜非破壞地測定了運動員血液中乳酸的含量,這為從醫(yī)學的角度評價運動員提供了新的方法.Lafrance等利用近紅外光譜結合一些化學計量學方法,測定了人體血液中泌乳的含量,并將其與臨床中用的方法進行了比較,結果表明近紅外光譜技術在科研和臨床中評價生理級物質含量方面是一種很有價值的方法.Nakayama等利用近紅外光譜技術監(jiān)測了病人進行腹部大動脈手術中骨骼肌中氧基血紅素的含量,為臨床中手術的順利進行提供了好的參數.Rendell等根據血紅蛋白的近紅外光譜數據與其濃度之間的相關性,測定了血紅蛋白的含量水平,因此該技術為將來快速、非侵入式地測量血紅蛋白濃度提供了一種較好的方法.Kusaka等利用近紅外技術結合靛青綠測定了嬰兒腦局部血流量的變化,為診斷緊急情況下嬰兒腦部血流量提供了一種快速、方便的方法.2.3腦血流環(huán)特性變化除此之外,近紅外光譜技術在臨床分析的其他方面也得到了一定的應用.Nagashima等利用近紅外光譜測定了影響皮膚代謝和顏色的一些因素如局部皮膚氧的飽和濃度、總的血紅蛋白的體積等,并建立了它們之間的關系,因此該技術在評價皮膚狀況方面有一定的應用前景.Tanossaki等利用近紅外光譜技術研究了由中樞神經電刺激引起的腦血液循環(huán)的變化特征,取得了較好的結果.Terborg等利用近紅外光譜和多普勒掃描技術研究了吸煙對大腦氧基血紅素的影響,結果表明吸煙對腦動脈及細動脈的綜合影響會增加對吸煙者的危害.Quaresima等利用近紅外光譜非侵入式地多點測量方法,研究了人們翻譯和語言轉變時舌前表層氧基血紅素的變化,表明該技術在研究語言翻譯過程中舌前表層氧基血紅素的空間和瞬時特征方面有一定的應用前景.Koike等利用近紅外光譜法測定了人們執(zhí)行任務時前額表皮氧基血紅蛋白和脫氧血紅蛋白濃度的變化,從而反映了與人們執(zhí)行任務有密切關系的前額表皮的本質活動情況.Suto等利用近紅外多通道光譜儀測定了腦部運動神經和體覺表層的血容量,從而表明了腦中不同部位的血液變化特征.Makotolto等利用了多通道近紅外光譜儀研究了腦血流量的活動模式和某些生理特性之間的關系,結果表明大腦皮層血液循環(huán)的特征與人們某些生理特性(創(chuàng)新、樂觀等)有一定的關系,這為評價人們的某些生理特性提供了新的方法.3近紅外光譜技術在醫(yī)藥領域的應用應注意的幾個問題(1)近紅外光譜技術存在分析濃度的下限.因譜帶吸收較弱,分析組分的靈敏度相對較低,所分析的組分含量一般應大于0.1%.這就限制了該技術在藥物中有效化學成分及生物組織某些有效成分測量中的應用.今后應該進一步的提高光電技術,以提高光譜信號強度,來擴大近紅外光譜的檢出范圍.(2)近紅外光譜分析技術在醫(yī)藥領域中應用的基礎研究還比較薄弱.近紅外光譜分析技術是一種間接的分析技術,需要事先以標準方法測定一定范圍的大批樣品的質量參數,再以樣品的光譜和質量參數進行關聯(lián),建立一定的數學模型,然后利用該模型預測樣品的組成和性質.目前,對于大多數藥物和生物組織,由于其研究基礎還比較薄弱,尚無法找到能夠表征它們質量的一些參數,所以也就失去了近紅外光譜法分析研究的對象.因此推進近紅外光譜技術在醫(yī)藥領域的應用,首先必須加強相應的醫(yī)藥基礎研究工作.(3)特征信息提取和處理技術的限制.近紅外光譜圖中蘊含了非常豐富的信息,對分析體系而言目標成分的含量淹沒在大量的無效信息中,因此只有發(fā)展近紅外光譜的特征信息提取和處理技術,才能進一步拓展近紅外光譜在醫(yī)藥領域中的應用.(4)近紅外光譜技術無創(chuàng)式地對生物組織的一些參數如腦血氧飽和度的監(jiān)測不能得到其絕對值,只能