基于离散三维荧光光谱的糖尿病识别方法研究

基于皮肤荧光光谱技术的糖基化终产物（AGE）检测方法被广泛用于糖尿病及其并发症的检测评估,然而生物组织体内特异性的吸收、散射特性以及多种荧光成分对于检测会产生干扰。本研究通过分析人体皮肤组织常见荧光成分的三维荧光光谱,确定皮肤组织荧光光谱测量的最佳激发波长组合,搭建集成组织漫反射光谱测量模块的离散三维荧光光谱测量系统,研究基于扩散理论的组织生理参数提取方法以及基于高斯多峰拟合的离散三维荧光光谱分离方法。在此基础上,开展临床社区队列研究,结果表明糖尿病组的黑色素、脱氧血红蛋白相对浓度均值低于正常对照组,而500 nm处约化散射系数高于正常对照组,差异有统计学意义,氧合血红蛋白相对浓度无明显差异。基于高斯多峰拟合,每位受试者共计得到78个荧光特征,剔除差异不明显的特征（p>0.1）,最终得到50个荧光特征。汇总有差异的组织生理参数和荧光特征,采用Logistic回归分析建立糖尿病筛查模型,受试者工作特征（ROC）曲线分析结果显示,该方法用于糖尿病识别时,预测训练集ROC曲线下面积为0.793,预测测试集的面积为0.799,而单波长皮肤荧光(Sf₃₆₅)的面积为0...     

鲜红斑痣光动力治疗中皮肤光谱特点的变化

尝试利用漫反射光谱和荧光光谱检测鲜红斑痣皮肤在光动力治疗中的变化特点,用于分析治疗中组织光学特性的变化,指导光剂量的制定.在光动力治疗中,采用微型光纤光谱仪监测PWS皮肤的漫反射光谱和荧光光谱,结合PWS结构特点以及皮肤中主要吸光基团的吸收光谱,分析术中、术后相关组织成分变化及对应的光学特性变化.PDT治疗中PWS皮肤...     

接触压力作用下皮肤形变对于漫反射光谱测量影响研究

人体成分无创光谱检测过程中,测量条件特别是探头压力造成的组织形变在一定程度上影响光谱测量结果。利用物理模型与仿真方法,定量分析了探头接触压力作用下皮肤组织应变,及光学参数与漫反射光谱变化。首先,在多层皮肤组织物理复合模型基础上,结合生物组织固液两相组成特性,定量分析了压力作用下各层皮肤组织形变大小以及成分变化。该模型将皮肤力学模型简化为固态弹性结构及包含于其中的牛顿流体,利用有限元方法,分别模拟不同压力作用下多层皮肤组织应变大小及时间特性,并根据各层组织体积及水含量变化,定量计算其散射系数及吸收系数改变。然后,利用Monte Carlo方法模拟压力作用前后光在组织中传输过程,定量分析了探头压力对漫反射光谱中所包含人体成分检测有效信息的影响。实验结果表明,在光纤探头接触压力作用下,人体皮肤组织中真皮层厚度变小,自由水体积减小,引起散射特性及光子传输路径改变,使得漫反射光谱中所包含的有效光谱信息下降。该研究结果为优化人体漫反射光谱测量策略,提高测量准确性以及重复性提供了参考。     

光谱校正技术在皮肤晚期糖基化终末产物检测中的应用

利用近紫外荧光光谱测量了人体皮肤组织晚期糖基化终末产物,并针对由被测皮肤组织吸收和散射引起的光谱畸变问题,重点研究了自体荧光光谱校正技术在荧光无创检测中的应用。采用波长为370nm的单色光照射人体手臂内侧皮肤,用光纤探头收集自体荧光光谱。在同一测试位置对荧光波段进行光谱扫描,得到皮肤组织反射率曲线。通过利用皮肤反射率曲线校正相应自体荧光光谱来获得固有荧光光谱。分别对糖尿病患者和健康对照组进行光谱检测和光谱校正,分析比较不同测试对象的校正结果。实验结果表明,光谱校正技术剔除了不同测试对象的皮肤差异对自体荧光光谱的影响,获得的固有荧光光谱能够作为区分糖尿病患者和健康对照组的依据。     

稳态光谱技术提取生物组织结构和功能互补信息研究

稳态光谱技术正被越来越多地用于组织结构和功能互补信息提取。通过仿体实验论证稳态光谱技术在光学参数和固有荧光提取方面的优越性。仿体实验中,血红蛋白被用作吸收子,聚苯乙烯小球被用作散射子,Stilbene被用来产生荧光。实验总共制备两组仿体,它们具有相同的散射系数和不同的吸收系数,在每组仿体中进行4次荧光素滴定。实验结果表明,组织光学参数和固有荧光均能够被精确提取,从而证明了稳态光谱技术在提取具有互补特性的组织结构和功能信息方面的优越性。     

渤海固有光学量高光谱遥感反演

水体固有光学量是重要的海洋光学参数,是辐射传输模型最基本的输入参数,对于海洋光学遥感和水色研究具有重要意义。基于2005年渤海高光谱实测遥感反射率和总吸收系数数据,首次利用非线性最小化优化模型,反演水体总吸收系数等固有光学量。经过实测数据的检验,412,440,510,555,650和676 nm波段总吸收系数的反演平均相对误差分别为33.8%,20.4%,27.7%,37.5%,9.5%和10.8%。模型误差源主要为模型参数的不确定性和测量误差,通过讨论发现,光谱斜率S对总吸收系数的反演影响相对较少,而光谱指数Y导致的反演误差是不可忽略的。模型适用于高光谱数据,填补渤海固有光学量的最优化反演研究的空白,并可用于高光谱遥感数据的固有光学量遥感反演研究。     

基于漫反射光谱的组织光学参数测量系统与方法研究

在体组织光学参数测量是生物医学光子学研究重点,不仅为人体成分无创检测、光学成像、光动力疗法等研究提供基础,并且可以快速获取人体光学参数变化,为临床诊断提供依据。研究了利用单一源探距离漫反射光谱在体测量光学参数的测量系统与反构方法。漫反射光谱测量系统由宽谱光源、高分辨光纤光谱仪及光纤探头组成,结构简单,测量方便,可准确快速测量样品漫反射光谱。在光纤探头几何形状基础上,研究了光纤收集及系统传递函数,在此基础上对反构算法进行了校正。光学参数反构算法中正向模型基于Monte Carlo以及神经网络方法,适用光学参数范围大,计算速度快;逆向算法采用主成分分析与非线性建模拟合相结合的方法,可抑制测量噪声影响。在测量系统及反构算法基础上,进行了组织仿体光学参数测量实验,结果表明,利用单一源探距离下漫反射谱,可以较为准确获取吸收系数以及约化散射系数,均方根误差分别达到4.58%以及7.92%。为保证系统测量准确性,测量波长范围应覆盖样品中所含吸收物质吸收峰范围。所研究的在体组织光学参数测量方法为人体成分无创检测及测量条件变化获取提供了基础。     

基于固有光学量的高光谱数据反演城市河网水质

水体辐射传输模型是水体光谱特性分析的理论基础,水体固有光学量由水体组成决定,与水体表面光场无关。基于统计的半经验算法虽然能获取指定区域水质参数反演结果,但是缺乏物理意义;基于生物光学模型的分析算法,针对城市河网内陆Ⅱ类水体光学特性复杂、空间分布异质性强、水体细小、流动性大等特点,利用高光谱数据,研究基于固有光学量的城市河网水质参数反演模型,对内陆城市浑浊水体光谱特性研究具有重大意义。提出了适用于内陆城市河网水体的改进QAA算法,以获取水体固有光学量,改进包括后向散射估计模型调整和参考波段优化两个方面;计算参考波段总吸收系数、颗粒物后向散射系数等固有光学量,得到浮游植物吸收系数和剔除纯水吸收系数;对浮游植物吸收系数最优波段比值与叶绿素a浓度进行线性回归分析,构建叶绿素a水质浓度反演模型,对剔除纯水吸收系数最优波段比值与悬浮物浓度线性回归分析,构建悬浮物水质浓度反演模型。针对内陆河网Ⅱ类水体,以典型的河网城市嘉兴市为研究区域,获取了研究区域航空高光谱数据,以及水质采样化验数据和水面以上光谱数据等地面准同步测量数据;利用QAA算法和IIMIW算法对实测水面以上光谱进行固有光学量反演,对比分析两个算法并结合城市河网水体特点,提出改进QAA算法;利用改进的QAA算法实现了研究区域水体的固有光学量反演,基于反演的水体固有光学量建立了叶绿素a浓度和悬浮物浓度两项水色参数定量反演模型,反演模型决定系数R2分别为0.64和0.71;并用航空高光谱数据同步区域的4个地面样点实测数据,对反演结果进行验证分析。通过水质参数浓度反演值与实测值的对比,叶绿素a和悬浮物水质浓度反演的平均相对误差分别为9.2%和9.4%,反演得到的叶绿素a和悬浮物浓度分布图,也与城市河网的特点和实际情况相符,为城市河网水质监测提供方法和模型参考。     

基于神经网络模式识别的糖尿病无创风险评估方法研究

晚期糖基化终末产物在人体皮肤组织中的浓度与高血糖水平密切相关,且具有自发荧光特性。使用自行研制的光学无创检测装置对人体皮肤组织的自体荧光光谱进行测量,建立神经网络模式识别模型对检测对象患有糖尿病的可能性进行风险评估。利用检测装置获取荧光光谱后对光谱数据进行主成分分析,选取前4个主成分作为光谱的特征,建立一个具有4个输入层节点、6个隐层节点、1个输出节点的神经网络模式识别模型。选取在安徽省立医院测量的487例对象数据训练该模型,以70%数据作为训练集,15%数据作为验证集,15%数据作为测试集。模型可给出测试对象罹患糖尿病的风险,或直接给出是否糖尿病的判断。结果显示该模型的受试者工作特性曲线的线下面积为0.81,标准误差为0.02;以模型输出0.5为分类界限时的敏感性为72.4%,特异性为77.6%,整体准确率为74.9%。本研究首次提出使用皮肤组织自体荧光结合神经网络模式识别模型对糖尿病进行无创风险评估,实验结果表明该方法的筛查效果优于目前常用的空腹静脉血浆血糖值法和糖化血红蛋白法。     

具有三种颜色的白癜风皮肤的荧光光谱

将荧光光谱方法应用于具有三种颜色的白癜风皮肤特性的研究,在对荧光测量以及皮肤组织病理检查的基础上,建立了三色白癜风皮肤的光学模型,分析了皮肤黑色素的含量与分布,并进行了蒙特卡罗计算,其结果与实测结果基本一致。研究表明:具有三种颜色的白癜风皮肤可作为一个较好的皮肤黑色素含量与分布的模型;荧光光谱法可以探测到皮肤较深层(真皮层)的黑色素分布或其他组织光学特性;所建立的白癜风皮肤的光学模型及建模方法,所采用的光谱比率法等可以在皮肤光学的其他研究中应用。     

A portable system for noninvasive assessment of advanced glycation end-products using skin fluorescence and reflectance spectrum

An optical system has been developed for noninvasive assessment of skin advanced glycation end-products (AGEs). The system comprises mainly a high-power ultraviolet light emitting diode (LED) as an excitation source, an LED array for the reflectance measurement, a trifurcated fiber-optic probe for light transmitting and receiving, and a compact spectrometer for light detecting. Both skin fluorescence of a subject and the reflectance spectrum of the same site can be obtained in a single measurement with the system. Demonstrative measurements with the system have been conducted. Results indicate that the measured reflectance spectrum can be used to compensate for the distortion of AGEs fluorescence, which is caused by skin absorption and scattering. The system is noninvasive, portable, easy to operate, and has potential applications for clinical diagnosis of AGE-related diseases, especially diabetes mellitus.     

基于delta-P1近似模型的空间分辨漫反射一阶散射参量灵敏度研究

以delta-P1近似光学模型为基础, 推导了双点源近似下空间分辨漫反射一阶散射参量μ_s'灵敏度的解析式, 并进行了数值分析和比较. 研究表明, 与混合漫射近似模型和漫射近似模型相比, delta-P1 近似模型能更好地描述强散射较强吸收情况下近光源区域生物组织漫反射光子的分布, 且在有效反照率a'>0.83时, 获得最佳优化距离ρ_opt, ρ_opt 随μ_s' 的增大而减小, 且在距光源约2.7—4个输运平均自由程处μ_s'的变化对测量吸收的影响最小. 这项研究对于优化传感器几何结构以及生物组织光学参量的测量具有重要意义.     

生物组织光传播的时域特征分析

采用蒙特卡罗方法对脉冲光在组织中传播的时域特征作了研究，并把计算结果与漫射理论的解析解作了比较，文中详细分析了组织光学特性参数与组织表面时间分辨的漫反射光分布之间的关系。结果表明：散射系影响着漫反射光强到达峰值的时间，吸收系数影响着漫反射光强在峰值之后随时间下降的速度，而ｇ因子对响应曲线的前沿影响较大，在后沿阶段基本上没有影响。     

Determination of human skin optical properties in vivo from reflectance spectroscopic measurements

A novel approach has been proved to quickly and non-invasively determine the optical properties of human skin in vivo. It is based on the diffuse reflectance approximation model and subjected to the well established library of absorption spectra of water and hemoglobin. Under the nonlinear least-square algorithm, fitting the measured spectra in the range of 400-1000 nm to the diffusion approximation model, the reduced scattering coefficient and absorption coefficient of skin tissue can be quickly determined in vivo. The results show that this method is convenient and suitable for the real-time clinical application.     

空间分辨漫反射的一阶散射参量灵敏度

以输运理论的P3近似为基础,推导了空间分辨漫反射的一阶散射参量灵敏度的解析表示,并进行了数值分析,比较了散射参量对P3近似和漫射近似漫反射的影响.结果表明:在距光源两个输运平均自由程以内,该灵敏度与相应于漫射近似的灵敏度差别较为明显;距离光源约四个输运平均自由程附近,该灵敏度等于零,并且与光源之距与相应于漫射近似情况也...     

基于双积分球的宽光谱组织光学参数测量系统与方法研究

组织光学参数测量是生物医学光子学的主要研究内容之一,人体组织光学性质与其生理病理状态密切相关。近年来,利用组织光学特性,特别是吸收与散射特性进行组织成像诊断及无创成分检测成为生物医学光子学领域研究热点,为肿瘤早期诊断、代谢动态监护及光动力治疗等临床应用提供了基础。双积分球方法能够同时测量离体组织吸收系数、散射系数等,具有测量准确、快速,适用范围大等优点,作为光学参数测量的标准方法得到广泛研究与应用。利用双积分球及超连续激光器搭建了宽光谱的组织光学参数测量系统,分析了积分球测量传递函数与误差来源及系统最佳测量条件,建立了基于BP-MCML的系统校正正向模型与L-M算法的光学参数反构算法。在此基础上,测量了1 100～1 400 nm连续宽谱范围内Intralipid溶液光学参数,实验结果表明改进后反构算法测量结果比较准确,多次测量标准偏差在3%以内,不同波长下约化散射系数及吸收系数测量结果与其他研究小组得到的测量结果对比,偏差小于3.4%。