基于近紅外多光譜空間分辨技術的組織氧合定量監(jiān)測方法研究
發(fā)布時間：2021-04-09 20:37
近紅外光譜（Near Infrared Spectroscopy,NIRS）技術可以無創(chuàng)、實時、連續(xù)、定量監(jiān)測人體組織的血氧參量,在臨床診斷和監(jiān)測領域得到了廣泛應用。為此在多層生物組織模型下,本文設計并完成了一套基于三波長（735nm、805nm、850nm）近紅外空間分辨算法的組織血氧定量監(jiān)測系統(tǒng),并將其應用于藥劑相關性研究和急性高原病監(jiān)測領域。該算法通過差分的方式消除背景吸收和外層組織的干擾,進而提高測量系統(tǒng)的靈敏度和準確性。在完成系統(tǒng)設計和調試工作后,為評定本系統(tǒng)的可靠性和有效性,筆者對本系統(tǒng)進行了一系列測試實驗。首先設計并完成了 一系列基本性能測試,包括:光源安全性測試、系統(tǒng)暗噪聲以及長時間測量穩(wěn)定性等。接著,設計并制作了三種離體生物組織光學模型:Intralipid-Ink液體模型、單層瓊脂模型、多層瓊脂模型,以驗證系統(tǒng)對生物組織測量的有效性。然后,為了評定該系統(tǒng)對組織氧飽和度的可信度,使用光學積分球模型實現(xiàn)了對組織氧飽和度的多點校準。最后設計并實現(xiàn)了前臂動脈阻斷實驗,模擬人體組織的缺氧狀態(tài)和生理改變過程,進而驗證本系統(tǒng)在體測量的有效性。將本系統(tǒng)應用于NIRS信號的藥劑相關性...
【文章來源】：浙江大學浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：83 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
圖２．１人體組織的微血管結構??人體組織的血氧參量包括：局部組織的氧飽和度（ｒｅｇｉｏｎａｌ?ｔｉｓｓｕｅ?ｏｘｙｇｅｎ??
第２章ＮＩＲＳ無損監(jiān)測組織血氧參量的基本原理??譜。尤其是７００？９００ｎｍ波長的近紅外光對人體俎織有良好的穿透性，因此這一??波段在生物醫(yī)學光子學中常被稱作“光譜窗”（ｓｐｅｃｔｒａｌ?ｗｉｎｄｏｗ）?［３９］。如圖２．２所??示，在光譜窗內，Ｈｂ和ＨｂＣｈ是兩種主要的吸收體，并且他們的吸收譜存在明??顯差異［４Ｇ］，因此組織對光的衰減主要來自于二者的吸收。故近紅外光入射到人??體組織，由光電探測器檢測到的出射光包含人體俎織氧合狀況的信息，根據相??應的算法可以將這種光電信號轉化為組織血氧信息。??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??波長／ｎｍ??圖２．２波長為６５０－１０５０ｎｍ時ＨｂＣｂ與Ｈｂ的吸收譜??２．２．２人體組織的光學參量??近紅外光譜技術是一種光學檢測手段，通過測量生物組織的光學參量經過??一系列解算獲得該組織的血氧參量。人體組織光學參量主要有折射率（ｗ），??吸收系數(shù)（ｈ），散射系數(shù)（Ｍ，各向異性因子（容）和有效散射系數(shù)（ｈ?）??等。??１）組織體對光的折射??介質的折射率Ｎ［４Ｑ］等于光在真空中的傳播速度■與光在介質中的傳播速度??Ｖ的比值：??？?＝?－?（２－２）??Ｖ??人體組織對光的折射率《描述的是光在不同組織界面之間的傳播特性。人體??８??
第２章ＮＩＲＳ無損監(jiān)測組織血氧參量的基本原理??譜。尤其是７００？９００ｎｍ波長的近紅外光對人體俎織有良好的穿透性，因此這一??波段在生物醫(yī)學光子學中常被稱作“光譜窗”（ｓｐｅｃｔｒａｌ?ｗｉｎｄｏｗ）?［３９］。如圖２．２所??示，在光譜窗內，Ｈｂ和ＨｂＣｈ是兩種主要的吸收體，并且他們的吸收譜存在明??顯差異［４Ｇ］，因此組織對光的衰減主要來自于二者的吸收。故近紅外光入射到人??體組織，由光電探測器檢測到的出射光包含人體俎織氧合狀況的信息，根據相??應的算法可以將這種光電信號轉化為組織血氧信息。??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??波長／ｎｍ??圖２．２波長為６５０－１０５０ｎｍ時ＨｂＣｂ與Ｈｂ的吸收譜??２．２．２人體組織的光學參量??近紅外光譜技術是一種光學檢測手段，通過測量生物組織的光學參量經過??一系列解算獲得該組織的血氧參量。人體組織光學參量主要有折射率（ｗ），??吸收系數(shù)（ｈ），散射系數(shù)（Ｍ，各向異性因子（容）和有效散射系數(shù)（ｈ?）??等。??１）組織體對光的折射??介質的折射率Ｎ［４Ｑ］等于光在真空中的傳播速度■與光在介質中的傳播速度??Ｖ的比值：??？?＝?－?（２－２）??Ｖ??人體組織對光的折射率《描述的是光在不同組織界面之間的傳播特性。人體??８??
【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于近紅外光譜的抗擾動腦血氧分析儀[J]. 劉光達,曹澤元,周葛,周曉宇,蔡靖,查雨彤,千承輝. 光學精密工程. 2016(08)
[2]腦血紅蛋白濃度指數(shù)在體外循環(huán)中的應用[J]. 賈在申,騰軼超,李岳,謝海秀,劉媛,侯曉彤. 北京生物醫(yī)學工程. 2014(03)
[3]急性高原病的研究進展[J]. 陳國柱,黃嵐. 軍事醫(yī)學. 2013(05)
[4]高海拔列車上列車員腦組織氧飽和度的無創(chuàng)檢測[J]. 吳劍,葉大田,彭誠,錢翔,朱子儼,史小軍,騰軼超. 清華大學學報(自然科學版). 2009(06)
[5]組織血氧參數(shù)近紅外無損檢測技術及自主創(chuàng)新之路[J]. 丁海曙,騰軼超. 激光與光電子學進展. 2007(09)
[6]雙光源雙探頭腦血氧監(jiān)測儀的設計[J]. 李良成,張永順,李繼剛. 激光與紅外. 2007(07)
[7]增氧呼吸器在模擬缺氧條件下對血氧飽和度和心率的影響[J]. 羅二平,申廣浩,胡文東,路麗華,吳小明,湯池,李曉京,王濤,馬進. 第四軍醫(yī)大學學報. 2005(17)
[8]利用近紅外光譜監(jiān)測皮膚血氧輸運[J]. 田豐華,丁海曙,王廣志,蔡志剛,趙福運. 光譜學與光譜分析. 2002(02)
[9]近紅外光譜組織血氧檢測結果的定量化方法[J]. 相韶霞,林凌,王艷秋,李剛. 光學技術. 2001(05)
[10]高原缺氧對竇房結、房室結功能的影響及迷走神經的作用[J]. 朱峻,周興文,劉世玉. 解放軍醫(yī)學雜志. 2000(03)
博士論文
[1]近紅外空間分辨光譜技術及其在腦氧無損檢測中的應用[D]. 騰軼超.清華大學 2006
[2]新生兒大腦組織光學參數(shù)的無損檢測[D]. 趙軍.清華大學 2005
[3]近紅外組織氧絕對量檢測的研究及應用[D]. 黃嵐.清華大學 2004
碩士論文
[1]基于近紅外光譜技術的腦血氧監(jiān)測技術的研究[D]. 吳欣.哈爾濱工業(yè)大學 2010
[2]基于近紅外光的血氧濃度測量[D]. 劉睿.哈爾濱工業(yè)大學 2007
[3]基于PDA的便攜式近紅外肌氧檢測系統(tǒng)的研制[D]. 聶清.華中科技大學 2007
[4]便攜式近紅外腦功能成像系統(tǒng)的性能測試[D]. 曹傳花.華中科技大學 2006
[5]基于支持向量機算法無創(chuàng)確定組織光學參數(shù)的研究[D]. 林麟.天津大學 2006
本文編號：3128274
【文章來源】：浙江大學浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：83 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
圖２．１人體組織的微血管結構??人體組織的血氧參量包括：局部組織的氧飽和度（ｒｅｇｉｏｎａｌ?ｔｉｓｓｕｅ?ｏｘｙｇｅｎ??
第２章ＮＩＲＳ無損監(jiān)測組織血氧參量的基本原理??譜。尤其是７００？９００ｎｍ波長的近紅外光對人體俎織有良好的穿透性，因此這一??波段在生物醫(yī)學光子學中常被稱作“光譜窗”（ｓｐｅｃｔｒａｌ?ｗｉｎｄｏｗ）?［３９］。如圖２．２所??示，在光譜窗內，Ｈｂ和ＨｂＣｈ是兩種主要的吸收體，并且他們的吸收譜存在明??顯差異［４Ｇ］，因此組織對光的衰減主要來自于二者的吸收。故近紅外光入射到人??體組織，由光電探測器檢測到的出射光包含人體俎織氧合狀況的信息，根據相??應的算法可以將這種光電信號轉化為組織血氧信息。??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??波長／ｎｍ??圖２．２波長為６５０－１０５０ｎｍ時ＨｂＣｂ與Ｈｂ的吸收譜??２．２．２人體組織的光學參量??近紅外光譜技術是一種光學檢測手段，通過測量生物組織的光學參量經過??一系列解算獲得該組織的血氧參量。人體組織光學參量主要有折射率（ｗ），??吸收系數(shù)（ｈ），散射系數(shù)（Ｍ，各向異性因子（容）和有效散射系數(shù)（ｈ?）??等。??１）組織體對光的折射??介質的折射率Ｎ［４Ｑ］等于光在真空中的傳播速度■與光在介質中的傳播速度??Ｖ的比值：??？?＝?－?（２－２）??Ｖ??人體組織對光的折射率《描述的是光在不同組織界面之間的傳播特性。人體??８??
第２章ＮＩＲＳ無損監(jiān)測組織血氧參量的基本原理??譜。尤其是７００？９００ｎｍ波長的近紅外光對人體俎織有良好的穿透性，因此這一??波段在生物醫(yī)學光子學中常被稱作“光譜窗”（ｓｐｅｃｔｒａｌ?ｗｉｎｄｏｗ）?［３９］。如圖２．２所??示，在光譜窗內，Ｈｂ和ＨｂＣｈ是兩種主要的吸收體，并且他們的吸收譜存在明??顯差異［４Ｇ］，因此組織對光的衰減主要來自于二者的吸收。故近紅外光入射到人??體組織，由光電探測器檢測到的出射光包含人體俎織氧合狀況的信息，根據相??應的算法可以將這種光電信號轉化為組織血氧信息。??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??波長／ｎｍ??圖２．２波長為６５０－１０５０ｎｍ時ＨｂＣｂ與Ｈｂ的吸收譜??２．２．２人體組織的光學參量??近紅外光譜技術是一種光學檢測手段，通過測量生物組織的光學參量經過??一系列解算獲得該組織的血氧參量。人體組織光學參量主要有折射率（ｗ），??吸收系數(shù)（ｈ），散射系數(shù)（Ｍ，各向異性因子（容）和有效散射系數(shù)（ｈ?）??等。??１）組織體對光的折射??介質的折射率Ｎ［４Ｑ］等于光在真空中的傳播速度■與光在介質中的傳播速度??Ｖ的比值：??？?＝?－?（２－２）??Ｖ??人體組織對光的折射率《描述的是光在不同組織界面之間的傳播特性。人體??８??
【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于近紅外光譜的抗擾動腦血氧分析儀[J]. 劉光達,曹澤元,周葛,周曉宇,蔡靖,查雨彤,千承輝. 光學精密工程. 2016(08)
[2]腦血紅蛋白濃度指數(shù)在體外循環(huán)中的應用[J]. 賈在申,騰軼超,李岳,謝海秀,劉媛,侯曉彤. 北京生物醫(yī)學工程. 2014(03)
[3]急性高原病的研究進展[J]. 陳國柱,黃嵐. 軍事醫(yī)學. 2013(05)
[4]高海拔列車上列車員腦組織氧飽和度的無創(chuàng)檢測[J]. 吳劍,葉大田,彭誠,錢翔,朱子儼,史小軍,騰軼超. 清華大學學報(自然科學版). 2009(06)
[5]組織血氧參數(shù)近紅外無損檢測技術及自主創(chuàng)新之路[J]. 丁海曙,騰軼超. 激光與光電子學進展. 2007(09)
[6]雙光源雙探頭腦血氧監(jiān)測儀的設計[J]. 李良成,張永順,李繼剛. 激光與紅外. 2007(07)
[7]增氧呼吸器在模擬缺氧條件下對血氧飽和度和心率的影響[J]. 羅二平,申廣浩,胡文東,路麗華,吳小明,湯池,李曉京,王濤,馬進. 第四軍醫(yī)大學學報. 2005(17)
[8]利用近紅外光譜監(jiān)測皮膚血氧輸運[J]. 田豐華,丁海曙,王廣志,蔡志剛,趙福運. 光譜學與光譜分析. 2002(02)
[9]近紅外光譜組織血氧檢測結果的定量化方法[J]. 相韶霞,林凌,王艷秋,李剛. 光學技術. 2001(05)
[10]高原缺氧對竇房結、房室結功能的影響及迷走神經的作用[J]. 朱峻,周興文,劉世玉. 解放軍醫(yī)學雜志. 2000(03)
博士論文
[1]近紅外空間分辨光譜技術及其在腦氧無損檢測中的應用[D]. 騰軼超.清華大學 2006
[2]新生兒大腦組織光學參數(shù)的無損檢測[D]. 趙軍.清華大學 2005
[3]近紅外組織氧絕對量檢測的研究及應用[D]. 黃嵐.清華大學 2004
碩士論文
[1]基于近紅外光譜技術的腦血氧監(jiān)測技術的研究[D]. 吳欣.哈爾濱工業(yè)大學 2010
[2]基于近紅外光的血氧濃度測量[D]. 劉睿.哈爾濱工業(yè)大學 2007
[3]基于PDA的便攜式近紅外肌氧檢測系統(tǒng)的研制[D]. 聶清.華中科技大學 2007
[4]便攜式近紅外腦功能成像系統(tǒng)的性能測試[D]. 曹傳花.華中科技大學 2006
[5]基于支持向量機算法無創(chuàng)確定組織光學參數(shù)的研究[D]. 林麟.天津大學 2006
本文編號：3128274
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