基于近红外多光谱空间分辨技术的组织氧合定量监测方法研究
发布时间：2021-04-09 20:37
近红外光谱（Near Infrared Spectroscopy,NIRS）技术可以无创、实时、连续、定量监测人体组织的血氧参量,在临床诊断和监测领域得到了广泛应用。为此在多层生物组织模型下,本文设计并完成了一套基于三波长（735nm、805nm、850nm）近红外空间分辨算法的组织血氧定量监测系统,并将其应用于药剂相关性研究和急性高原病监测领域。该算法通过差分的方式消除背景吸收和外层组织的干扰,进而提高测量系统的灵敏度和准确性。在完成系统设计和调试工作后,为评定本系统的可靠性和有效性,笔者对本系统进行了一系列测试实验。首先设计并完成了 一系列基本性能测试,包括:光源安全性测试、系统暗噪声以及长时间测量稳定性等。接着,设计并制作了三种离体生物组织光学模型:Intralipid-Ink液体模型、单层琼脂模型、多层琼脂模型,以验证系统对生物组织测量的有效性。然后,为了评定该系统对组织氧饱和度的可信度,使用光学积分球模型实现了对组织氧饱和度的多点校准。最后设计并实现了前臂动脉阻断实验,模拟人体组织的缺氧状态和生理改变过程,进而验证本系统在体测量的有效性。将本系统应用于NIRS信号的药剂相关性...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．１人体组织的微血管结构??人体组织的血氧参量包括：局部组织的氧饱和度（ｒｅｇｉｏｎａｌ?ｔｉｓｓｕｅ?ｏｘｙｇｅｎ??
第２章ＮＩＲＳ无损监测组织血氧参量的基本原理??谱。尤其是７００？９００ｎｍ波长的近红外光对人体俎织有良好的穿透性，因此这一??波段在生物医学光子学中常被称作“光谱窗”（ｓｐｅｃｔｒａｌ?ｗｉｎｄｏｗ）?［３９］。如图２．２所??示，在光谱窗内，Ｈｂ和ＨｂＣｈ是两种主要的吸收体，并且他们的吸收谱存在明??显差异［４Ｇ］，因此组织对光的衰减主要来自于二者的吸收。故近红外光入射到人??体组织，由光电探测器检测到的出射光包含人体俎织氧合状况的信息，根据相??应的算法可以将这种光电信号转化为组织血氧信息。??４?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ??＿；１?＼?：??｜２ｆ?＼??翁?１．５?＼?Ａ??Ｓ?＼?＼??Ｓ?１?Ｖ——??０５?一??Ａ??」?Ｌ?１?Ｉ?！?１?Ｊ??」?Ｉ???６５０?７００?７５０?８００?８５０?９００?９５０?１０００?１０５０??波长／ｎｍ??图２．２波长为６５０－１０５０ｎｍ时ＨｂＣｂ与Ｈｂ的吸收谱??２．２．２人体组织的光学参量??近红外光谱技术是一种光学检测手段，通过测量生物组织的光学参量经过??一系列解算获得该组织的血氧参量。人体组织光学参量主要有折射率（ｗ），??吸收系数（ｈ），散射系数（Ｍ，各向异性因子（容）和有效散射系数（ｈ?）??等。??１）组织体对光的折射??介质的折射率Ｎ［４Ｑ］等于光在真空中的传播速度■与光在介质中的传播速度??Ｖ的比值：??？?＝?－?（２－２）??Ｖ??人体组织对光的折射率《描述的是光在不同组织界面之间的传播特性。人体??８??
第２章ＮＩＲＳ无损监测组织血氧参量的基本原理??谱。尤其是７００？９００ｎｍ波长的近红外光对人体俎织有良好的穿透性，因此这一??波段在生物医学光子学中常被称作“光谱窗”（ｓｐｅｃｔｒａｌ?ｗｉｎｄｏｗ）?［３９］。如图２．２所??示，在光谱窗内，Ｈｂ和ＨｂＣｈ是两种主要的吸收体，并且他们的吸收谱存在明??显差异［４Ｇ］，因此组织对光的衰减主要来自于二者的吸收。故近红外光入射到人??体组织，由光电探测器检测到的出射光包含人体俎织氧合状况的信息，根据相??应的算法可以将这种光电信号转化为组织血氧信息。??４?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ??＿；１?＼?：??｜２ｆ?＼??翁?１．５?＼?Ａ??Ｓ?＼?＼??Ｓ?１?Ｖ——??０５?一??Ａ??」?Ｌ?１?Ｉ?！?１?Ｊ??」?Ｉ???６５０?７００?７５０?８００?８５０?９００?９５０?１０００?１０５０??波长／ｎｍ??图２．２波长为６５０－１０５０ｎｍ时ＨｂＣｂ与Ｈｂ的吸收谱??２．２．２人体组织的光学参量??近红外光谱技术是一种光学检测手段，通过测量生物组织的光学参量经过??一系列解算获得该组织的血氧参量。人体组织光学参量主要有折射率（ｗ），??吸收系数（ｈ），散射系数（Ｍ，各向异性因子（容）和有效散射系数（ｈ?）??等。??１）组织体对光的折射??介质的折射率Ｎ［４Ｑ］等于光在真空中的传播速度■与光在介质中的传播速度??Ｖ的比值：??？?＝?－?（２－２）??Ｖ??人体组织对光的折射率《描述的是光在不同组织界面之间的传播特性。人体??８??
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于近红外光谱的抗扰动脑血氧分析仪[J]. 刘光达,曹泽元,周葛,周晓宇,蔡靖,查雨彤,千承辉. 光学精密工程. 2016(08)
[2]脑血红蛋白浓度指数在体外循环中的应用[J]. 贾在申,腾轶超,李岳,谢海秀,刘媛,侯晓彤. 北京生物医学工程. 2014(03)
[3]急性高原病的研究进展[J]. 陈国柱,黄岚. 军事医学. 2013(05)
[4]高海拔列车上列车员脑组织氧饱和度的无创检测[J]. 吴剑,叶大田,彭诚,钱翔,朱子俨,史小军,腾轶超. 清华大学学报(自然科学版). 2009(06)
[5]组织血氧参数近红外无损检测技术及自主创新之路[J]. 丁海曙,腾轶超. 激光与光电子学进展. 2007(09)
[6]双光源双探头脑血氧监测仪的设计[J]. 李良成,张永顺,李继刚. 激光与红外. 2007(07)
[7]增氧呼吸器在模拟缺氧条件下对血氧饱和度和心率的影响[J]. 罗二平,申广浩,胡文东,路丽华,吴小明,汤池,李晓京,王涛,马进. 第四军医大学学报. 2005(17)
[8]利用近红外光谱监测皮肤血氧输运[J]. 田丰华,丁海曙,王广志,蔡志刚,赵福运. 光谱学与光谱分析. 2002(02)
[9]近红外光谱组织血氧检测结果的定量化方法[J]. 相韶霞,林凌,王艳秋,李刚. 光学技术. 2001(05)
[10]高原缺氧对窦房结、房室结功能的影响及迷走神经的作用[J]. 朱峻,周兴文,刘世玉. 解放军医学杂志. 2000(03)
博士论文
[1]近红外空间分辨光谱技术及其在脑氧无损检测中的应用[D]. 腾轶超.清华大学 2006
[2]新生儿大脑组织光学参数的无损检测[D]. 赵军.清华大学 2005
[3]近红外组织氧绝对量检测的研究及应用[D]. 黄岚.清华大学 2004
硕士论文
[1]基于近红外光谱技术的脑血氧监测技术的研究[D]. 吴欣.哈尔滨工业大学 2010
[2]基于近红外光的血氧浓度测量[D]. 刘睿.哈尔滨工业大学 2007
[3]基于PDA的便携式近红外肌氧检测系统的研制[D]. 聂清.华中科技大学 2007
[4]便携式近红外脑功能成像系统的性能测试[D]. 曹传花.华中科技大学 2006
[5]基于支持向量机算法无创确定组织光学参数的研究[D]. 林麟.天津大学 2006
本文编号：3128274
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．１人体组织的微血管结构??人体组织的血氧参量包括：局部组织的氧饱和度（ｒｅｇｉｏｎａｌ?ｔｉｓｓｕｅ?ｏｘｙｇｅｎ??
第２章ＮＩＲＳ无损监测组织血氧参量的基本原理??谱。尤其是７００？９００ｎｍ波长的近红外光对人体俎织有良好的穿透性，因此这一??波段在生物医学光子学中常被称作“光谱窗”（ｓｐｅｃｔｒａｌ?ｗｉｎｄｏｗ）?［３９］。如图２．２所??示，在光谱窗内，Ｈｂ和ＨｂＣｈ是两种主要的吸收体，并且他们的吸收谱存在明??显差异［４Ｇ］，因此组织对光的衰减主要来自于二者的吸收。故近红外光入射到人??体组织，由光电探测器检测到的出射光包含人体俎织氧合状况的信息，根据相??应的算法可以将这种光电信号转化为组织血氧信息。??４?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ??＿；１?＼?：??｜２ｆ?＼??翁?１．５?＼?Ａ??Ｓ?＼?＼??Ｓ?１?Ｖ——??０５?一??Ａ??」?Ｌ?１?Ｉ?！?１?Ｊ??」?Ｉ???６５０?７００?７５０?８００?８５０?９００?９５０?１０００?１０５０??波长／ｎｍ??图２．２波长为６５０－１０５０ｎｍ时ＨｂＣｂ与Ｈｂ的吸收谱??２．２．２人体组织的光学参量??近红外光谱技术是一种光学检测手段，通过测量生物组织的光学参量经过??一系列解算获得该组织的血氧参量。人体组织光学参量主要有折射率（ｗ），??吸收系数（ｈ），散射系数（Ｍ，各向异性因子（容）和有效散射系数（ｈ?）??等。??１）组织体对光的折射??介质的折射率Ｎ［４Ｑ］等于光在真空中的传播速度■与光在介质中的传播速度??Ｖ的比值：??？?＝?－?（２－２）??Ｖ??人体组织对光的折射率《描述的是光在不同组织界面之间的传播特性。人体??８??
第２章ＮＩＲＳ无损监测组织血氧参量的基本原理??谱。尤其是７００？９００ｎｍ波长的近红外光对人体俎织有良好的穿透性，因此这一??波段在生物医学光子学中常被称作“光谱窗”（ｓｐｅｃｔｒａｌ?ｗｉｎｄｏｗ）?［３９］。如图２．２所??示，在光谱窗内，Ｈｂ和ＨｂＣｈ是两种主要的吸收体，并且他们的吸收谱存在明??显差异［４Ｇ］，因此组织对光的衰减主要来自于二者的吸收。故近红外光入射到人??体组织，由光电探测器检测到的出射光包含人体俎织氧合状况的信息，根据相??应的算法可以将这种光电信号转化为组织血氧信息。??４?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ??＿；１?＼?：??｜２ｆ?＼??翁?１．５?＼?Ａ??Ｓ?＼?＼??Ｓ?１?Ｖ——??０５?一??Ａ??」?Ｌ?１?Ｉ?！?１?Ｊ??」?Ｉ???６５０?７００?７５０?８００?８５０?９００?９５０?１０００?１０５０??波长／ｎｍ??图２．２波长为６５０－１０５０ｎｍ时ＨｂＣｂ与Ｈｂ的吸收谱??２．２．２人体组织的光学参量??近红外光谱技术是一种光学检测手段，通过测量生物组织的光学参量经过??一系列解算获得该组织的血氧参量。人体组织光学参量主要有折射率（ｗ），??吸收系数（ｈ），散射系数（Ｍ，各向异性因子（容）和有效散射系数（ｈ?）??等。??１）组织体对光的折射??介质的折射率Ｎ［４Ｑ］等于光在真空中的传播速度■与光在介质中的传播速度??Ｖ的比值：??？?＝?－?（２－２）??Ｖ??人体组织对光的折射率《描述的是光在不同组织界面之间的传播特性。人体??８??
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于近红外光谱的抗扰动脑血氧分析仪[J]. 刘光达,曹泽元,周葛,周晓宇,蔡靖,查雨彤,千承辉. 光学精密工程. 2016(08)
[2]脑血红蛋白浓度指数在体外循环中的应用[J]. 贾在申,腾轶超,李岳,谢海秀,刘媛,侯晓彤. 北京生物医学工程. 2014(03)
[3]急性高原病的研究进展[J]. 陈国柱,黄岚. 军事医学. 2013(05)
[4]高海拔列车上列车员脑组织氧饱和度的无创检测[J]. 吴剑,叶大田,彭诚,钱翔,朱子俨,史小军,腾轶超. 清华大学学报(自然科学版). 2009(06)
[5]组织血氧参数近红外无损检测技术及自主创新之路[J]. 丁海曙,腾轶超. 激光与光电子学进展. 2007(09)
[6]双光源双探头脑血氧监测仪的设计[J]. 李良成,张永顺,李继刚. 激光与红外. 2007(07)
[7]增氧呼吸器在模拟缺氧条件下对血氧饱和度和心率的影响[J]. 罗二平,申广浩,胡文东,路丽华,吴小明,汤池,李晓京,王涛,马进. 第四军医大学学报. 2005(17)
[8]利用近红外光谱监测皮肤血氧输运[J]. 田丰华,丁海曙,王广志,蔡志刚,赵福运. 光谱学与光谱分析. 2002(02)
[9]近红外光谱组织血氧检测结果的定量化方法[J]. 相韶霞,林凌,王艳秋,李刚. 光学技术. 2001(05)
[10]高原缺氧对窦房结、房室结功能的影响及迷走神经的作用[J]. 朱峻,周兴文,刘世玉. 解放军医学杂志. 2000(03)
博士论文
[1]近红外空间分辨光谱技术及其在脑氧无损检测中的应用[D]. 腾轶超.清华大学 2006
[2]新生儿大脑组织光学参数的无损检测[D]. 赵军.清华大学 2005
[3]近红外组织氧绝对量检测的研究及应用[D]. 黄岚.清华大学 2004
硕士论文
[1]基于近红外光谱技术的脑血氧监测技术的研究[D]. 吴欣.哈尔滨工业大学 2010
[2]基于近红外光的血氧浓度测量[D]. 刘睿.哈尔滨工业大学 2007
[3]基于PDA的便携式近红外肌氧检测系统的研制[D]. 聂清.华中科技大学 2007
[4]便携式近红外脑功能成像系统的性能测试[D]. 曹传花.华中科技大学 2006
[5]基于支持向量机算法无创确定组织光学参数的研究[D]. 林麟.天津大学 2006
本文编号：3128274
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