1. 近红外光谱技术
1.1. 近红外光谱概述
近红外光谱（near-infrared spectroscopy, NIRS）是一种介于可见光（Vis）与中红外（MIR）之间的电磁辐射波，其波长范围是780-2526nm之内的区域[1]。
当一束红外单色光或复合光射穿样品时，如果被照射样品的分子选择性地吸收辐射光中某些频率波段的光，则会产生光谱。近红外光与有机分子中的含H基团（O-H/N-H/C-H）振动的合频和各级倍频的吸收区一致，则最终可以得到样品中有机分子含H基团的特征信息。
1.2. 近红外光谱发展简史
① 20世纪50年代中后期，近红外光谱仪出现，发现可以利用近红外光谱技术对农副作物进行品质鉴定；
② 60年代中后期，近红外光谱可以对化合物结构表征中起到比较大的作用；
③ 70年代开始，化学计量学（Chemometrics）研究开始，利用因子分析从近红外光数据中建立模型；
④ 90年代开始，利用PCA与PLS等建模方法，对数据进行分析。如柴油与光谱性质之间的关联。
应用领域最早为农副产品中的水分测定：农副产品为固体，近红外光经漫反射出来，可以有选择性的被吸收一部分，进而获得被测物质中的分子结构信息。在农副作物之后，近红外光技术也被应用于药物分析中，对β-内酰胺类抗生素、中间产品以及各种化学合成药的测定，尤其是真伪药的监测已成为成熟的标准方法。另外，在林产品（木材）、矿石、天体科学、生命科学、医学及基础材料学等领域都能够有效的得到各种化学或性质的信息[2]。
1.3. 近红外光谱原理
当光入射物质时，能量被不连续的吸收，而绝大数的光发生投射与漫反射。
根据普朗克的光的量子理论，只有特定频率的光辐射可以改变能量状态并发生跃迁 。分子吸收红外辐射后会引起构成分子中各化学键的振动，这种化学键的振动的方式类似于振子。在红外吸收光谱中，基频跃迁占到主导地位（n = 0 → n = 1）；而在多原子分子体系中，非谐性不仅使倍频出现，而且使得组合频出现。C-H、N-H和O-H的基频吸收出现在4000-2500cm-1，其倍频和组合频构成了近红外光谱的主要组成部分。因此NIR谱带的产生和属性（频率、强度）取决于非谐性。
而光与物质发生相互作用时，有三种能量转移方式。反射、吸收、折射。其中反射包含漫反射与镜面反射。漫反射中包含体漫反射与表面漫反射。 体漫反射 （body reflectance）是光能量投射过物质表层与其微观结构发生相互作用后又射入其他微粒发生相互作用的现象。根据其化学键的不同运动模式与不同频率，将光有选择性的耦合吸收；而没有被耦合吸收的光被原子核多次反射后射出表层。体漫反射出来的光信号与入射光之间的比值反应了物质对不同频率光的选择吸收特性，最终形成了取值的吸收光谱。
相比漫反射，表面漫反射与镜面反射都是光经过物质表面被直接反射，没有与物质发生任何作用，没有携带任何与取值成分相关的信息。对近红外光谱技术， 体漫反射 是占主导影响的现象[2]。
吸光度 ：物质对近红外光辐射入射后的比值，其大小与待测定物质的浓度成线性关系。
2. 医用近红外光谱
2.1. 医用近红外光谱技术
在医学上，近红外光谱主要用于监测局部组织血氧饱和度（regional tissue oxygen saturation, rSO2），反应全身血流动力学状态及组织、器官灌注状态的技术，具有无创实时等优点[3,4]。该技术可用于监测脑、肾脏、肠道、肌肉等不同部位氧饱和度的监测。
NIRS在医学上主要运用范围在700nm-1000nm之间，该波段对人体的组织如骨骼、皮肤、脂肪、肌肉等均具有良好的穿透性[5]。血液中主要的吸光基团为含氧血红蛋白（oxy-hemoglobin, HbO2）和脱氧血红蛋白（Deoxy-hemoglobin, HbR）。Hb吸收近红外光的波长范围由Hb的氧化状态决定，HbR以吸收红光为主，而HbO2吸收红外光为主。
2.2. 血氧饱和度测量
血氧饱和度（SaO2）是反应血液中氧合血红蛋白含量的参数，是氧合血红蛋白（HbO2）的容量占全部可结合的血红蛋白（Hb）容量的百分比。临床上基于动脉血液对光的吸收量随动脉搏动的变化的原理来测量，这种测量结果被称作脉搏血氧饱和度（SpO2）。
如图为发光二极管的发光光谱及不同的血氧浓度血液对光线的吸收率曲线。
血氧饱和度的测量原理为郎伯比尔定律（Lambert-Bear）定律，又被称为光吸收基本定律。其物理意义为：当一束平行单色光垂直通过某一均匀非散射的吸光物质时，其吸光度与吸光物质的浓度c以及吸收层厚度b成正比，而与透光度T成反相关。
其中透光度T = I0/I，I0为入射光强度，I为透出光的强度。其中A为吸光度，表征对光的吸收程度；b为液层厚度，单位cm；c为溶液浓度，单位mol/L；θ为摩尔吸收系数，单位L/mol.cm，是吸收物质在一定波长和溶剂条件下的特征常数。另外，当溶液为n元混合液时，
，即溶液的吸光度具有加和性。
根据郎伯比尔定律对，血液对光的吸收随氧合血红蛋白的比例而改变，但皮肤、肌肉、骨骼和静脉血等其他组织对光的吸收是恒定不变的。氧合血红蛋白对波长为660nm的光线吸光度较大，非氧合血红蛋白对波长为660nm的光线吸光度较大。则
，其中R为两种波长光线吸收率之比，a、b为常数。
指套使传感器探头：指套上壁固定两个并列放置的发光二极管，下壁是一个光敏吸收器件，它将投射过手指的红光和红外光转换为电信号。驱动两个二极管按一定的时间间隔并以较低的占空比分别发光，根据光二极管发光强度和光电管接收到的透射光强弱比值计算全血吸收率。
2.3. 脑血氧仪
脑血氧仪是一种专注于脑组织血氧饱和度的设备，其光线可以穿透颅骨进行监测。其由光源和两个信号探头组成。深部的组织由远处的探头接收，距离光源40mm，可测量深度约为20mm，可接受距离范围内所有组织的总衰减；而浅部的组织由近处的探头进行采集，其距离光源30mm，主要接受头皮、颅骨等浅表组织的衰减。从远处探头测量出的总衰减中减去浅表组织中的衰减，即可得到深部组织中的光衰减，则为脑组织的光衰减。脑血氧仪利用曲线反射进行测量，因此其测量深度约为光源/接受器之间距离的一半。
如图所示为脑血氧仪的测量原理图。
光源中的光线直射入颅骨中，经过细胞的 体漫反射 ，光线扩散到整个区域，而其中的一部分经过反复反射到达接收端。图例中的光线曲线传播为示意图。
脑血氧数值低于58则代表脑血氧或缺血，高于81.5则有脑过度灌注的风险。下降幅度大于20%时足以伴随意识损失。 但 介于58-81.5之间也有脑灌注不足或过度灌注的风险。
2.4. 测量技术
人体中的血液分为动脉血与静脉血。 不谈成分的血氧数值没有任何意义 。
指尖的血氧数值是单动脉血氧 ，其利用 脉搏波 的上升支与下降支，在其最高点与最低点之间进行相减计算，得到血液回流后与血液灌注后的两个状态数值，以此来计算动脉血的血氧饱和度。
手臂，脑部等所有位置的血氧监测均为组织血氧，只能测出动脉+静脉的血氧饱和度。有的测量技术将测量出的数值与动脉血氧进行数学模型拟合，计算得出动脉血氧。这样是不准确的。
正常动脉血氧为95%以上， 临床上常用的血氧数值均为动脉血氧 。静脉血氧约为50%-60%。组织血氧的测量结果为该位置动静脉加权合。
