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基于扩散相关光谱的血流检测方法研究

引 言 血流是衡量机体功能状态的重要指标之一,实现生物组织的无创实时连续的高分辨率血流检测对生命科学前沿基础研究以及临床诊断治疗都具有重要意义。扩散光学技术在生物组织检测上的应用近年来越来越受到重视,由于其操作相对简单且具有无创检测的优点,已逐渐应用到临床领域对组织的血红蛋白浓度,血氧饱和度,血流量等指标的检测。近年来相继报道了扩散光学技术在乳腺肿瘤检测诊断[1]。脑部和肌肉组织的疾病和损伤状态检测[2],脑功能成像[3],光动力疗法疗效监测[4’5],血糖血脂等参数检测[63等方面的诸多应用研究,体现了扩散光学技术在医疗诊断方面的重要价值。 在组织血流检测应用上,目前较成熟的方法有:(1)激光多普勒血流检测技术,利用入射光在运动中的红细胞表面发生散射时会产生多普勒频移效应,通过检测后向散射光的多普勒频移来推断血流速度。此项技术主要应用在浅表组织(体表下o.5 nlIn左右)[7’8]的血流灌注量的无创连续监测中。(2)激光散斑成像技术,采用相干光源照射在组织表面,入射光的后向散射光在组织表面产生随机干涉图样(像面散斑)。通过分析CCD成像系统获取的像面散斑的局部光强变化的空间衬比或时间衬比可以获得较高空间和时间分辨率的组织二维血流分布图,实现对大面积区域的血流的同时检测。但也由于其成像特点,深层组织的信息量提取困难,目前也局限在浅表组织的血流成像应用上[9]。本文报道的扩散相关光谱法是一种无创检测组织相对深层血流变化的新方法。它借助于快速单光子检测技术和光纤技术,通过计算组织表面散射光斑的光强度的时间相关函数,分析其与血流变化的对应关系,从而进行组织血流的定量检测。通过实验验证了基于此方法设计的组织血流无创检测系统对于人体组织血流变化的敏感性以及探测不同深度组织血流变化的可能性。 1理论模型生物组织在近红外光谱带具有一个“生理观察窗”(680~900rim),在此波长范围的光对组织的穿透深度最深,因此常采用此波长范围的激光进行组织生理参数检测口…。对于近红外光,生物组织表现为高散射低吸收的特点,光子在生物组织中的传播可以近似看做是扩散过程[il]。不同传播路径的光子经过一系列散射后,在组织表面出射形成散射光斑。组织中散射粒子(如红细胞)的运动会影响入射光的传播,相应引起组织表面散射光斑强度的变化。我们通过分析组织表面散射光斑强度的变化来推断组织中红细胞的运动状态,从而进行组织血流的定量计算。为了获取散射光斑强度变化所携带的组织血流变化信息,探求散射光斑电场强度的时问相关函数Gl与被测组织中红细胞运动状态的函数关系.光斑电场强度的时间相关函数为GI(r,t,r)=(1)其中,E(r,t)是在时间t和位置r处的电场强度,r是延迟时间(1agtime),t是测量的时刻,<>表示统计均值。ImagingSouseZ----(Z0+2Zb)I譬I·:o-一翻I●一 ~ij‘≯一j”。o’■●■ 。。r^。芦孙z--0f2动№1UlustrationofextrapolatedbomldarycmaditioninsemHnfiniteh咖咖窖咖删舄群emetry光在高散射性的介质中传播的电场时间相关函数仍然遵从扩散方程[1引。外推零边界条件下的半无限均匀介质中的光子相关扩散方程推导得到的电场时间相关函数[13]Gl(r,£,r):孥(e--K‘,)q.一e-K(r)r2(2)哩兀、 rl rz ,参见图l,其中,rl=~/矿+焉。rz一馏+(Zo+226)2,』D为光源与探测器之间的距离,Zo=1 o 1J_D丰。孙一百等}L等为被测组织上方光通量为0时的距离,严· 叩-1 J、df风g=—-1.440n-2+0.7lO圹‘+0.668+0.00636n,行为组织相对于空气的折射率。K(r)一弘7.雎+掣’:赠<△,2(t,r)>.其中口为组织中运动的散射粒子占总散射粒子数的比例.k一2肼A为波向量,肚和.‘‘’。为组织的吸收和散射系数。<△产(f,r))是散射粒子在时间r内的均方位移值,此变量可反映散射粒子运动状态。在研究中,我们采用布朗运动模型来近似求解散射粒子均方位移值,得到<△r2(f,r)>=6DBf,其中DB代表运动的散射粒子的有效扩散系数。实际检测中。 由于散射光斑的电场振荡频率远高于目前的探测器的时问分辨率,我们无法对光斑的电场变化进行直接测量,通过检测光斑的光强度变化来替代。归一化后的光斑光强度的时间自相关函数92(r.t,r)一2与电场时问白相关函数gl(r,t,r)一Gl(,.,t,r)/O.001时,此帧数据为无效数据。图3所示为一组无效数据和一组有效数据拟合结果的对比。r/s∞lO_6 lO_4r/seG曩培3(a)Sampleintensityautocorrelationfunctionpoorfit totheBrownianmotionmodel;(b)Samplefits welltotheBrownianmotionmodel3结果与讨论按照上述实验步骤可将实验数据分为正常血流阶段(Normal),袖带加压阶段(Cuff-Occlusion),释放阶段(Re—lease),释放后阶段(After-Release)。图4所示为拟合得到的对应上述四个阶段中某时刻的光强自相关函数曲线。从图中1.61.51.41.3瓷1.21.11.OO.9O.8lO一5r/secn晷4Fittedintensityautocorrelation functionsgz(f)aSafunctionoflagtimefmeasuredat the wrist flexor ofthehumanforearmduringcuff occlusion.Normal(口),Cuff-occlnsion(o),Release(△)and After-release(◇).Source-detectordistance is15lllIIk Forbettervisibility,dataforlagtimef>1n蛤aresup-pressed.Dataareaveragedover 64 autocorrelationfunctionseachmeasuredwithanacquisitiontimeof 47n葛。correspondingto aduration timeof 3 S for eachflow rate可以看出光强自相关函数曲线的衰减速率与血流量的关系,血流量越大,光强自相关函数曲线衰减的越快。After-Release阶段的光强自相关函数曲线与Normal阶段的曲线重合,指示着血流恢复到正常水平。图5所示为受试者手臂被测部位的血流变化,相对血流变化rBF-----BFI/BFIba,lk×100%,以袖带加压前2rain的正常血流平均值做为血流变化比较的基准BFIbasel沁。实验使用的光学探头的光源一探测器距离P分别为5和15ITIrll,对应检测大约距组织表面1.7~2.5和5~7.5H】rn处的组织血流[13|。使用兰格皮脂卡尺(Langeskinfold caliper)测得的受试者待测部位的皮肤和皮下脂肪层的厚度约为3rnnl,因此,JD一5 iTlrn检测到的血流值对应皮脂层,lD一15 Fnln检测到的血流值主要来自肌肉组织。一5mmNormalCuff:occlusion k+15n∞After-Release’沁删 髟幽脚LjL-一.O l 23 456 78Time/minn昏5 Responsefromdifferent舳u瞅detector(SD)pairsdur-ingcuff occlusion experiment.rBFis from5 and 15nHnSDseparations.Itisapparentthat5I衄lSDsepa-rationprobesskin,fatwhereas 15mmSDseparationprobesthemuscle从图5中可以观察到在袖带加压完成后,血流水平有90%左右的下降,被测部位处于缺血状态;而当放气完成时,血流会在前期有一个短暂的高于正常血流水平的阶段,之后逐渐恢复正常血流水平,ID一5mm处的血流反应小于』D;15ITIITI处的血流反应,实验结果与组织的血液动力学生理变化过程相符。 实验结果验证了扩散光相关光谱法血流检测系统进行组织无刨血流检测的可能性,同时也提示光源一探测器距离的选择是区分不同深度组织的血流变化的一个重要因素。此方法可推广到其他生物组织的血流检测中,例如脑皮层,乳房等的血流定量检测。此系统的建立将为组织血流层析成像方法的研究奠定基础。结合其他组织光学参数的检测技术,例如扩散光学层析成像等,可提供一种全光学的无刨组织多参数定量检测方法。

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