综述：基于NIRS的可穿戴设备在估算慢性非传染性疾病患者体力活动强度中的有效性：一项结构化叙述性综述

《Medical Sciences》：The Effectiveness of NIRS-Based Wearable Devices in Estimating Physical Activity Intensity in Patients with Chronic Non-Communicable Diseases: A Structured Narrative Review

　　

背景：基于近红外光谱（NIRS）的可穿戴设备能够无创、连续地监测肌肉氧合状态，提供直接的微血管和代谢信息，补充心率、加速度计等间接强度指标。其在慢性非传染性疾病（NCDs）中的临床适用性仍在积极开发中。
方法：在PubMed、Scopus、Web of Science和IEEE Xplore（2010年1月至2026年1月）中，使用预先指定的检索字符串进行了结构化叙述性综述，这些字符串结合了NIRS、肌肉氧合、SmO₂、StO₂、可穿戴、运动强度、通气/乳酸阈值以及各慢性疾病术语。符合条件的文献涉及可穿戴NIRS的技术验证、基于NIRS的运动强度估计、在NCDs中的临床应用或康复实施。证据按主题综合；验证研究的质量根据AMSTAR-2、COSMIN或Cochrane RoB-2标准进行评估。
结果：可穿戴连续波NIRS与频域实验室系统表现出可接受的并发效度（r = 0.79；范围0.69–0.88；95%的测量中SmO₂一致性为±8%），并且在中等至剧烈强度范围内具有良好的重测信度（ICC 0.72–0.91）。基于NIRS的断点与第二通气/乳酸阈值（ICC = 0.80）的吻合可靠性高于第一阈值（ICC = 0.53），这限制了其在低强度范围处方中的应用。在慢性阻塞性肺疾病（COPD）、外周动脉疾病（PAD）、慢性呼吸衰竭及某些心血管疾病中，可穿戴NIRS检测到疾病特异性的肌肉脱氧和运动后再氧合模式，这些模式与康复反应相呼应。
结论：当前证据支持可穿戴NIRS作为一种补充性的、强度感知的监测工具——尤其适用于界定重/剧烈强度边界以及检测外周代谢限制——而非作为通气或乳酸阈值的独立替代方法。由于大部分证据来自小样本、单一性别或仅运动员队列，这些发现应被视为有前景的基础，需要在更广泛的NCD人群中进一步验证。在NCDs中的实施需要标准化的放置和校准方案、按性别和身体成分分层的参考值、运动伪像抑制以及在临床人群中具有充分检验效力的纵向试验。

1. 引言
慢性非传染性疾病（NCDs）——包括心血管疾病、慢性阻塞性肺疾病（COPD）、2型糖尿病、外周动脉疾病（PAD）、癌症幸存者和神经肌肉疾病——尽管病理生理多样，但共同的功能后果是运动耐量受损。优化体力活动强度是康复和二级预防的核心，因为强度决定了运动刺激是否能引发所需的心血管、代谢和微血管适应。然而，临床实践中强度处方主要依赖于间接指标（如峰值心率百分比、主观疲劳评级、加速度计衍生的代谢当量（METs）或心肺运动测试（CPET）衍生的通气阈值），这些指标难以转化为家庭环境。可穿戴NIRS通过连续无创测量肌肉氧饱和度（SmO₂）以及氧合血红蛋白（O₂Hb）和脱氧血红蛋白（HHb）的变化，直接提供微血管和代谢信息，能区分中等、重和剧烈强度域，识别代谢和通气断点，并在动态康复中区分中央限制与周围限制。本综述聚焦于可穿戴NIRS在NCDs患者中估算体力活动强度的贡献，区分技术验证、生理证据、疾病特异性临床证据和康复实施证据。

2. 材料与方法
2.1. 综述设计
本研究以结构化叙述性综述形式进行，未在PROSPERO注册，也未进行meta分析，因人群、设备、解剖部位、运动模式和结局指标的异质性无法定量合并。
2.2. 检索策略
在PubMed、Scopus、Web of Science和IEEE Xplore中检索2010年1月至2026年1月的文献，最终检索日期为2026年1月20日。检索字符串结合三大模块：技术（NIRS、肌肉氧合、SmO₂、组织饱和指数（TSI）等）、形态（可穿戴、便携、动态等）、构念（运动强度、体力活动、通气阈值、乳酸阈值、康复及各疾病标签）。手工检索纳入综述的参考文献列表。
2.3. 纳入标准
纳入标准：原创数据或系统综述/meta分析；使用可穿戴、便携或可转化为实验室的NIRS系统；涉及技术验证/可靠性、NIRS衍生的运动强度估计、NCD人群中的临床应用或康复/动态环境中的实施/可行性；同行评审且英文全文。排除未全文的会议摘要、社论和动物研究。
2.4. 研究筛选与数据提取
由两名评审员独立筛选标题和摘要，对潜在符合条件文献进行全文审查，分歧通过讨论解决。从每篇纳入研究中提取：人群（年龄、性别分布、疾病及严重程度）、NIRS设备类型及制造商、解剖放置位置、运动模式、比较器、主要NIRS衍生结局和主要发现。
2.5. 质量评价
由于设计异质性，使用多种工具：验证和可靠性研究依据COSMIN标准（结构清晰、盲法、样本量、统计处理、一致性指标）；系统综述/meta分析依据AMSTAR-2标准；干预研究依据Cochrane RoB-2原则。不以定量评分报告，而是将判断作为注释纳入综合，并明确标记小样本、单性别或仅运动员队列的研究。
2.6. 检索范围
非NIRS的可穿戴技术被有意排除在疾病特异性综合之外，仅在3.5节中作为背景提及。

3. 结果
3.1. 可穿戴NIRS系统的技术验证
并发效度方面，可穿戴连续波（CW）-NIRS与频域（FD）系统在运动健康成人中的比较显示，SmO₂的合并Pearson相关系数r=0.792（范围0.69–0.88），95%的测量值落在±8% SmO₂内。可穿戴FD-NIRS设备已接近CW尺寸，精度高（吸收系数0.0007 mm^?1，约化散射系数0.08 mm^?1）。重测信度方面，中等至剧烈强度范围SmO₂的组内相关系数（ICC）为0.72–0.91，剧烈强度恒定负荷时ICC=0.87，标准测量误差（SEM）为12%。参考值方面，仅有一项研究提供了288名健康成人小腿三头肌组织氧饱和度的性别和年龄分层百分位数，男性静息StO₂显著低于女性，脱氧和再氧合速率更快。运动伪像方面，原型设备通过信号处理算法减少伪像，并在野外保持稳定（漂移0.027%/min）。
3.2. 用于强度估计的运动生理学与肌肉氧合监测
3.2.1. NIRS衍生的断点与代谢/通气阈值
第二轮肌肉氧合阈值（MOT₂）与第二通气/乳酸阈值的合并ICC达0.80，支持可穿戴NIRS作为重/剧烈强度边界的合理替代指标；而第一轮肌肉氧合阈值（MOT₁）与VT₁/LT₁的ICC仅0.53，限制了其在低强度处方中的应用。
3.2.2. 跨强度域的肌肉脱氧动力学
肌肉脱氧（HHb）随强度渐进增加，在力竭时趋于平台；大脑氧合血红蛋白先升后降，脑-肌解离可作为即将任务脱离的标志。
3.2.3. 增量运动中的中央与周围限制
基于股外侧肌、肋间肌和前额叶皮层的同步NIRS监测，提出区分中央限制（肋间和脑氧合早期中断）与周围限制（股外侧肌渐进脱氧）的方案，适用于混合病理的NCDs。
3.2.4. NIRS与基于心率的强度处方比较
NIRS测量局部肌肉氧提取，与心率互补，尤其在自主神经功能失调或药物影响心率时可能提供优势，但目前缺乏直接比较的随机试验。
3.3. NIRS在慢性疾病中的临床应用
3.3.1. COPD与肺康复
40例COPD患者4周住院肺康复后，运动中最小SmO₂从42.6%升至54.8%，峰值脱氧降低，提示微血管功能改善。
3.3.2. 呼吸-运动肌相互作用与辅助疗法
高流量鼻导管（HFNC）减轻高强度骑行中的肋间肌脱氧（ΔSmO₂显著），而对股外侧肌无显著影响。
3.3.3. 外周动脉疾病（PAD）
NIRS量化腓肠肌脱氧-再氧合周期，监督运动训练改善脱氧动力学和再氧合速率。
3.3.4. 心血管疾病与心力衰竭
经导管主动脉瓣植入（TAVI）后，脑和骨骼肌氧合改善，表明多部位NIRS可分辨中央与周围对功能恢复的贡献。
3.3.5. 慢性呼吸衰竭（CRF）
CRF患者在低强度握力运动中表现出较低的肌肉氧耗和反常的高肌肉血流，提示外周氧提取受损。
3.3.6. 代谢疾病与糖尿病
NIRS衍生的ΔTSI%和肌肉氧恢复时间常数（τ）显示不同种族间骨骼肌氧化能力差异，不受2型糖尿病完全解释。
3.3.7. 线粒体功能障碍
NIRS通过运动后SmO₂恢复动力学无创估算线粒体能力，但皮下脂肪厚度超过20 mm时信号消失。
3.4. 康复环境中的实施挑战
3.4.1. 用户接受度、工作流整合与纵向依从性
连续生命体征监测住院患者显示患者接受度高而临床医生犹豫，NIRS监测可能面临类似不对称。
3.4.2. 数据管理、缺失与标准化
约30%的可穿戴夜间数据缺失，原因包括设备移除、电池故障和技术故障，需预设缺失数据处理阈值。
3.4.3. 可穿戴支持下的个性化康复
部分非NIRS特定研究显示个性化运动干预改善身体成分和血糖，但NIRS的独立贡献无法推断。
3.4.4. 真实世界实施障碍
成本、临床医生培训（正确放置、脂肪衰减识别、SmO₂轨迹解释）、长期依从性和工作流整合构成主要障碍。
3.5. 互补性可穿戴方法
非NIRS设备（如智能手表）在能量消耗估计（Spearman相关系数0.63–0.70）和依从性方面有效，但NIRS特异性问题未解决。

4. 讨论
4.1. 关于可穿戴NIRS在NCDs中估计强度的证据支持
最强证据来自肌肉氧合断点与第二通气/乳酸阈值的对齐（ICC=0.80），支持用于重/剧烈边界分区；但低强度阈值（MOT₁ vs. VT₁/LT₁）可靠性低（ICC=0.53），限制了低强度区间的使用。多数NIRS证据来自小样本、单中心研究，缺乏长期有效性试验。
4.2. NIRS特异性方法学挑战及其对临床解释的影响
皮下脂肪厚度（SAT）超过20 mm可消除肌肉信号；解剖放置变异和校准异质性导致跨设备比较困难。需标准化SAT校正算法、探头放置和跨设备校准。
4.3. 人群多样性、性别差异与外部效度
女性、老年人、不同种族和严重疾病患者代表性不足。性别特异性数据显示男性静息StO₂更低、脱氧更快，女性呼吸肌脱氧更明显，提示应使用个体内纵向变化而非绝对阈值。
4.4. 从可行性到实施：康复中的证据层次
证据层次包括：体模/并发效度研究、可靠性研究、生理机制研究、单臂/队列干预研究、随机对照试验。当前缺少最后一类证据。
4.5. 区分证据与合理推断
NIRS引导处方改善依从性、降低医疗利用、机器学习实时识别强度域等说法属于合理推断而非已证实。
4.6. 从证据基础中浮现的研究与临床优先事项
优先事项包括：国际协调的验证协议、多中心随机试验、性别/年龄/身体成分分层参考值、机器学习算法透明开发、患者/临床医生参与式设计。

5. 结论
可穿戴NIRS系统可被视为一种成熟中而非成熟的技术，适用于重/剧烈边界分区监测、无创表征外周氧消耗及追踪微血管和线粒体适应。其优势在生理层面而非技术层面。当前证据尚不支持作为通气或乳酸阈值的独立替代品，低强度可靠性不足，人群多样性不足，缺乏硬终点随机试验。大部分证据来自小样本或单一性别队列，结论应视为有前景的基础而非既定实践。未来需向标准化验证、分层参考值、运动抗干扰仪器和真实世界多中心试验转变。