利用时域近红外光谱技术改善组织血氧测量中的肤色偏差

光学 医学影像 生命科学 物理学 生物工程 医学
肤色偏差 组织血氧检测 时间域 近红外光谱 光学技术 皮肤色素 医学应用

挑战皮肤色素沉着偏差：时域近红外光谱技术在组织血氧测量中的应用

背景与研究动机

近年来，光学技术在医学诊断和治疗中的应用日益广泛。然而，不同的皮肤色素水平（皮肤中的黑色素含量）可能会显著干扰光学设备的准确性。例如，COVID-19疫情期间，许多临床医生发现，脉搏血氧仪在低血氧状态下对深色皮肤患者的氧饱和度（SpO2）测量结果不够准确。这种问题促使研究界开始重新审视光学设备在多样化人群中的性能表现。然而，目前对皮肤色素沉着对不同光学设备的影响的研究仍然非常有限，尤其是在新兴的时域近红外光谱技术（Time-Domain Near-Infrared Spectroscopy, 简称 TD-NIRS）领域。

TD-NIRS 是一种基于短脉冲激光、快速光电探测器和计时电子技术的光学技术，其显著特点是可精确测量光子在组织中传输的时间分布，从而对组织的光学参数（如吸收系数和还原散射系数）进行定量分析。这项技术的一个潜在优势是对浅层皮肤变化（如色素水平）的敏感性较低，这使得它可能成为在多种肤色人群中更具鲁棒性的血氧测量工具。这篇文章正是针对这一问题展开了系统研究，并希望揭示 TD-NIRS 技术在克服皮肤色素干扰方面的潜力。

研究来源

这项研究发表在 Optica Publishing Group 的《Biomedical Optics Express》2025 年第 16 卷第 2 期上，标题为“Challenging the skin pigmentation bias in tissue oximetry via time-domain near-infrared spectroscopy”。作者来自多个机构，包括 Politecnico di Milano、Consiglio Nazionale delle Ricerche 和 Buzzi Children’s Hospital 等，主导研究的核心人物是 Alessandro Torricelli。

研究流程

研究分为实验室仿真实验、健康志愿者的静态和动态测试以及儿童患者的临床实验等多个步骤，每一步都围绕皮肤色素沉着对 TD-NIRS 测量的影响展开。

1. 皮肤仿体的制作与基础实验验证

研究团队首先设计了一系列皮肤仿体，用来模拟不同色素含量的皮肤环境。这些仿体的材料包括硅酮（silicone elastomer, Sylgard 184）、二氧化钛（TiO2，为散射剂）以及溶于乙醇的尼格罗辛（Nigrosine，为吸收剂）。仿体的黑色素体积浓度（Melanosome Fraction, 简称 MF）被调整为 0%、2%、6%、14%、30% 和 43%。最终仿体的厚度约为 270±10 微米，直径为 60 毫米。这些参数确保了仿体在结构上可模拟自然皮肤。

随后，研究团队将这些皮肤仿体与两种已知光学特性的固体块状组织仿体（Bulk Phantoms，标记为 B6 和 C4）结合进行测试，测量不同皮肤仿体对光吸收系数（µa）和还原散射系数（µ′s）的影响。实验显示，除非 MF 增加至 43%，否则在 620-1100 nm 的光谱范围内 µa 和 µ′s 的改变极小。这表明，即使在光学性能变化明显的情况下，TD-NIRS 对浅层皮肤的影响具有较低敏感性。

2. 健康志愿者静态体内测量

为了进一步验证实验室结果的外推性，研究团队对 6 名皮肤色素水平不同的健康志愿者进行了体内静态测量。测试部位包括前臂、前额和腹部，并在测试时将不同色素水平的皮肤仿体置于自然皮肤之上。

实验表明，在所有测试部位，MF 的变化对 µa 的影响大多在误差范围内（绝对偏差不超过 0.005 cm-1），µ′s 的变化幅度相对略高但始终在可接受范围内。这些结果再次巩固了 TD-NIRS 对皮肤色素沉着干扰的耐受性。

3. 健康志愿者动态测试：动脉阻断实验

研究进一步设计了动脉阻断实验，以模拟临床条件下的血氧变化。6 名志愿者佩戴手动气袖（压力 250 mmHg）进行前臂动脉阻断。在阻断期间，TD-NIRS 用于监测组织的氧饱和度（StO2）和总血红蛋白浓度（tHb）的动态变化。

结果表明，尽管不同 MF 的皮肤仿体对 tHb 的测量造成了一定影响，但对 StO2 的测量基本相符。偏差分析进一步证实 StO2 的绝对偏差小于 1%，表现出极高的稳定性，而tHb的偏差主要与探头位置变化和个体生理差异相关。

4. 儿童患者的临床测试

为了评估 TD-NIRS 在更广泛人群中的适用性，研究招募了 352 名儿童患者，覆盖了全色素范围（按 Fitzpatrick 皮肤光型分类）。测试部位为左前颞皮层（大脑前区）和左上臂（骨骼肌区域）。通过统计分析发现，不同 Fitzpatrick 分类下的 StO2 和 tHb 测量结果均无显著变化，这进一步证明了 TD-NIRS 的鲁棒性。

研究结论与意义

通过系统性研究，这项工作得出了以下主要结论：

  1. 鲁棒性验证：与其他光学设备（如连续波近红外光谱技术 CW-NIRS 或光声成像技术）相比，TD-NIRS 对皮肤色素沉着的敏感性显著降低。
  2. 临床适用性强：无论在静态还是动态测量环境中，不同 MF 的色素仿体或天然皮肤均未显著干扰 TD-NIRS 测量的组织氧饱和度。
  3. 新技术优势：TD-NIRS 的时域特性，通过光子飞行时间分布解码组织层的深部信息，大幅降低了浅层皮肤变化对结果的影响。

此研究不仅为 TD-NIRS 技术在多样临床场景中的应用铺平了道路，也为未来光学诊断标准的制定提供了重要的参考依据。

研究亮点

  • 创新性地使用仿生皮肤模型，确保实验条件的高度可控性。
  • 系统分析了 TD-NIRS 技术的静态和动态性能，为未来设备优化提供数据支持。
  • 验证了该技术在涵盖全色素人群中的鲁棒性，展现了其在公共健康领域的潜力。

未来研究可进一步扩大样本容量、模拟更复杂的光学干扰环境，以便全面推动 TD-NIRS 技术向商业化和临床转化迈进。