基于扩散理论的生物组织固有荧光光谱复原方法研究

组织固有荧光光谱定义为未受生物组织吸收、散射作用影响的荧光光谱,能够直接反映组织微观结构和生物化学性质信息。为了减少吸收和散射特性对组织荧光光谱的干扰,从实测的组织荧光光谱中复原更能反映组织荧光特性的组织固有荧光光谱,搭建了基于光纤探头的组织光谱测量系统,实现生物组织相同位置处的荧光光谱和漫反射光谱测量。提出运用扩散理论从实测的漫反射光谱中提取组织生理参数,包括组织中血液体积分数、血氧饱和度、黑色素含量以及波长500 nm处约化散射系数和瑞利散射在总散射中的比例,进而计算可见波段范围内的组织光学参数;然后,根据组织光学参数和实测的漫反射光谱,从实测的荧光光谱中复原得到组织固有荧光光谱。进行临床试验验证,采集受试者皮肤组织荧光光谱与组织漫反射光谱,并复原皮肤固有荧光光谱。通过复原得到的固有荧光光谱反映人体皮肤糖基化终产物积聚量,并最终用于糖尿病无创筛查。结果显示,分别使用实测的荧光光谱和复原得到的固有荧光光谱用于糖尿病筛查时,在特异性水平同为75%时,敏感性分别为69%和90%。     

漫反射光谱用于光动力治疗中鲜红斑痣皮肤氧含量监测的初步研究

尝试利用漫反射光谱检测鲜红斑痣皮肤的氧含量,并用于监测光动力治疗中鲜红斑痣皮肤氧含量的变化。采用Ocean Optics公司生产的USB2000微型光纤光谱仪采集PWS皮肤的漫反射光谱,根据氧合血红蛋白与还原血红蛋白(皮肤中两种主要的吸光基团)吸收光谱的差异,分析病变皮肤氧含量及治疗中氧含量的变化趋势。对14例PWS患者进行治疗中皮肤漫反射光谱的监测。结果显示,治疗前不同类型PWS皮肤氧含量不同,光动力治疗中大部分P4、P5型PWS皮肤氧含量没有显著降低,P6型PWS皮肤氧含量降低明显。表明现有的漫反射光谱法可定性监测PWS皮肤氧含量的变化趋势。通过进一步提高仪器的灵敏度并建立相应的光谱分析方法,有望更准确地测量PWS皮肤中的氧含量变化。     

拉曼光谱在血红蛋白结构及功能研究中的应用进展

血红蛋白发挥多种重要生理功能,但对其结构及功能的认识尚不能满足疾病诊治的需求。拉曼光谱在血红蛋白结构及功能研究中具有很大应用潜力,不但可以检测血红蛋白中血红素及其周围分子结构变化,还可以反映血红蛋白反应动力学具体过程。同时,血红蛋白拉曼光谱在疾病状态下异常血红蛋白检测,血氧饱和度定量测定及血液代用品的高铁血红蛋白含量检测中突显优势。本文综述了拉曼光谱在血红蛋白结构及功能领域中的研究,简述了拉曼光谱在一些病变血红蛋白诊断中的研究进展,分析了影响血红蛋白拉曼光谱检测的因素,以促进拉曼光谱技术在血红蛋白结构和功能研究中的应用。     

深度分辨漫反射测量光纤探头设计及特性

漫反射光谱人体成分检测研究中,光纤探头接收漫反射光子穿透深度及传输路径对检测效率及灵敏度影响较大,而传统的检测光纤探头无法实现对特定深度漫反射光子选择性接收。针对人体成分检测需要,提出了采用一定入射-接收角度及半球透镜耦合的漫反射测量光纤探头结构。在三层皮肤模型基础上,结合光纤探头形式改进Monte Carlo程序,计算光纤探头接收漫反射光子穿透深度,有效光子比例,有效信息载荷以及真皮层检测灵敏度。结果表明,设计的光纤探头可实现真皮层漫反射光子选择性接收,检测效率以及测量光谱受非目标层组织结构及光学参数影响较小,可有效提高人体成分无创检测灵敏度。     

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。     

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...     

漫反射光谱技术快速无创检测皮肤胆固醇

针对皮肤胆固醇无创检测的迫切需求,设计了一种基于微型光谱仪的便携式和智能化的皮肤漫反射光谱实时测量系统。配制毛地黄皂苷—辣根过氧化物酶共聚物溶液,利用毛地黄皂苷可与皮肤胆固醇分子中的羟基特异性结合和辣根过氧化物酶能与TMB试剂(主要成分为3,3’,5,5’-四甲基联苯胺)反应显色的特性,实现皮肤胆固醇的高灵敏和高特异的识别与指示,并通过测量反应后颜色的变化程度来定量皮肤胆固醇的浓度。以与人体皮肤结构相近的猪皮肤为实验对象,采用萃取法获得梯度浓度的胆固醇样本,利用上述光谱测量系统检测样本内的胆固醇浓度来验证该方法的可行性。实验结果显示,相对漫反射率能够区分不同浓度的胆固醇样本,在特征单波长(442,450和463 nm)处和特征波段442~500 nm内,漫反射率强度因子均可以定量反映样本内的胆固醇浓度,经线性拟合,判定系数R2分别为0.960,0.959,0.958和0.958。研究结果表明,使用漫反射光谱技术可以实现皮肤胆固醇的快速无创检测,将其应用于动脉粥样硬化性疾病风险评估,对于该类疾病的防控具有重要意义。     

皮肤组织血液含量对皮肤光谱的影响

在分析皮肤组织结构、皮肤荧光光谱与反射光谱产生机制的基础上,改变皮肤真皮上、下血管丛的血液含量,依此建立相应的皮肤六层光学模型,并进行 Monte Carlo模拟计算。结果表明：皮肤荧光光谱与反射光谱均可反映皮肤组织内血液含量的变化;皮肤的真皮上层血管丛的血液含量对光谱强度的影响大,深部血管丛血液含量对光谱强度的影响小;荧光光谱和反射光谱可用于探测或分析皮肤组织中血液含量的变化,特别可能用于真皮上层血管血液病变的皮肤疾病的病患程度及治疗效果的检测。     

从功能性近红外光谱法的光学信号中提取心动和呼吸特征

认知神经科学的快速发展,使得各种生理参数的客观测量得以实现,其中功能性近红外光谱(f NIRS)是一种新兴的脑成像方法,可以检测经过人体皮肤组织的血液动力学指标,包括含氧血红蛋白(Hb O)、脱氧血红蛋白(Hb)和总血红蛋白(t Hb)含量。心电图(ECG)、呼吸波(RSP)则是常用的生理参数检测方法。研究目的是尝试利用f NIRS方法测得心率(HR)和呼吸率(BR)特征,利用时域形态学特征法、频域带通滤波法以及小波分解与重构方法提取心率及呼吸率,并与ECG、RSP真实信号的HR(77.0199)、BR(22.9153)进行对比。结果发现三种方法均可从f NIRS信号中提取出HR信号,其中用频域带通滤波器方法得到的HR为76.8807,偏差最小为-0.1392,利用相同方法提取的BR为21.7039,偏差为-1.2114。基本实现了从f NIRS信号中提取心率和呼吸率的目标。     

高光谱检测复杂混合溶液的Monte Carlo仿真研究

为了克服传统光谱检测复杂混合溶液的分析方法中光谱重叠严重、信噪比低的缺点,本工作提出将高光谱法引入复杂混合溶液的检测。因为高光谱法可以利用多模式光子所携带的被测物质多种光学性质的信息进行溶液成分含量分析,与传统光谱检测方法仅利用被测物质单一吸收特性的变化相比,高光谱法同时还可利用空间信息增加光谱信号的信噪比,提高建模精度和可靠性。为了验证高光谱检测复杂混合溶液的可行性,本工作利用Monte Carlo模拟了脂肪乳Intralipid-墨水Ink模型在650～1 100nm范围内漫反射光强的分布情况,得到了复杂混合溶液的漫反射光强分布随波长变化有明显区别的现象,证明了高光谱法能够同时利用被测物质多种光学特性(如吸收、散射、各向异性因子)随波长变化的关系提高光谱信号的信噪比,有望显著增强对复杂混合溶液成分的分析能力。     

基于便携式近红外光谱仪的重金属离子定量分析研究

近红外光谱分析技术凭借分析速度快、样品预处理简单等特点,被广泛用于农业、医药、环境、石油化工等领域。为实现高效率的现场检测,便携式的近红外光谱仪越来越备受关注。由于近红外光谱分析技术能够对多组分同时进行测定,因此在该研究中使用便携式近红外光谱仪探索同时对稀溶液中多种重金属离子定量分析的可行性。使用胺基改性聚合淀粉富集水中的镍离子和铜离子,然后使用便携式近红外光谱仪直接采集胺基改性聚合淀粉的近红外漫反射光谱,再借助光谱预处理方法和偏最小二乘回归法建立模型,最后通过交叉验证和外部验证证明所建立模型的稳定性。结果表明,在其他干扰离子存在下,氨基改性聚合淀粉仍能分别以99.5%和99.8%高效率地富集稀溶液中的镍离子和铜离子。便携式光谱仪采集的近红外漫反射光谱分别经连续小波变换和多元散射校正结合卷积求导光谱预处理之后,使用偏最小二乘回归能够得到相关系数分别为0.981 9和0.965 4的稳健模型,实现了对稀溶液中镍离子和铜离子的同时测定,并且检测到的镍离子和铜离子的最低浓度均为3.0 mg·L-1。该方法不仅提高了近红外光谱分析技术的检测灵敏度,同时也表明了便携式近红外光谱仪对多种重金属离子同时定量分析的可行性,是一种拓宽近红外光谱分析技术的有益探索。     

基于多维漫反射光谱技术的复杂混合溶液成分检测

为了进行复杂混合溶液的成分检测,该文提出了一种基于多维漫反射光谱技术的浓度检测方式,通过信号中携带的不同成分的多种光学性质来进行分析。实验设计了基于超连续谱激光光源、精密电控平移台和光谱仪的检测装置,选用Intralipid-20%溶液作为研究对象,用蒸馏水配制体积百分数1%～20%的溶液,分别测量距其入射点1.5～13mm(间隔0.5mm)范围内的24点漫反射光谱信号,以偏最小二乘回归算法对单点和多点漫反射光谱信号进行建模与预测。得到建模精度最高的为距离入射位置最近的1点～13点对应的光谱信号所建立的模型,预测精度最高的为距离入射位置最近的1点～7点对应的光谱信号所建立的模型。结果表明,增加不同位置信息的光谱信号,能够提高光谱的信噪比,与传统光谱技术仅利用吸光度或反射率等单一光学性质的方法相比,增加了被测物质散射特性的影响,利用被测物质多种光学性质的变化提高了建模及预测的精度,为基于多维光谱的复杂混合溶液检测提供了基础。     

三维坐标异常数据判定方法的模拟与实验研究

近红外漫反射光谱具有无创伤、连续、无感染、速度快等诸多优势,在人体成分无创伤检测方面有很好的应用前景。但是在测量过程中,随机噪声、干扰组分以及检测条件的改变等容易导致异常光谱。判定并剔除异常光谱对于提高近红外无创血液成分检测的可靠性具有重要意义。首先分析了近红外漫反射光谱无创血糖检测中可能出现的异常数据类型,提出了一种综合利用马氏距离、光谱残差和化学值残差三个指标构造三维空间对样本集进行检验的三维坐标异常数据判定方法。其次,针对三层皮肤组织模型,在参数中设置人为失误、极端成分含量以及异常温度变化的样本,通过蒙特卡罗（MC)模拟程序得到一组正常模拟数据以及一组包含化学值异常和光谱异常的模拟数据,并利用三维坐标法进行异常数据的判定。结果显示,该方法能识别出全部异常样本,剔除这些异常样本后,偏最小二乘（PLS）校正模型的交互验证均方根误差（RMSECV）由21.2 mmol·L-1降低到1.1 mmol·L-1,初步验证了该方法的可行性。进一步,对三位受试者开展了口服葡萄糖耐量试验（OGTT）,通过在测量受试者血糖参考值的同时同步采集其手指部位的漫反射光谱,获得了三组在体实验数据。并利用三维坐标法和蒙特卡罗交互验证法进行异常数据的判定和剔除,最后建立PLS模型比较两种异常数据判别方法的效果：剔除三维坐标法识别出的异常数据后,三组样本建立的校正模型的决定系数显著提升,RMSECV平均值由2.1 mmol·L-1降低至0.8 mmol·L-1,效果优于蒙特卡罗交互验证法的结果。这些结果表明,基于马氏距离、光谱残差和化学值残差的三维坐标异常数据判定方法能有效识别近红外无创血糖测量中的异常数据,在在体成分检测应用中有显著优势。     

消除个体条件测量差异的动态光谱及其频域提取法的研究

在近红外光谱的皮肤无创检测中,个体差异是一个相当大的技术难题。在血液成分无创检测中,个体差异包括毛发、角质层、表皮、真皮、皮下组织、肌肉、骨骼等。研究表明,个体差异随着个体不同而不同,是阻碍血液成分无创检测技术实用化的重要因素。文章提出了基于光电容积脉搏波的产生机理和傅里叶变换的检测血液成分浓度的新方法——频域提取法,这种方法可以消除测量中由于皮肤组织和肌肉组织产生的差异;提出了动态光谱的概念,从理论和实验两个方面说明了这种方法的优点,并通过实验直接提取了各波长中仅由血液成分产生的吸光度光谱图,对于近红外光谱无创检测血液成分的实际应用有着重要意义。     

晚期糖基化终末产物荧光测量及其预校正技术研究

分析了检测晚期糖基化终末产物的必要性,利用晚期糖基化终末产物特定的激发谱和荧光发射谱,设计了皮肤晚期糖基化终末产物荧光测量装置。采用370 nm的单色光作为激发光源,分别对30例志愿者(糖尿病患者11人和对照组19人)的皮肤前臂内侧组织进行了荧光光谱检测。发现同一测试对象在前臂内侧不同部位的测试结果存在差异,肤色对测试结果也会产生很大的影响。利用光谱预校正技术消除了测量位置和皮肤肤色对测试结果的影响,结果表明该预校正技术具有一定的校正效果,重复性较好。     

近红外漫反射光谱检测赣南脐橙可溶性固形物的研究

研究了应用可见-近红外漫反射光谱技术快速检测赣南脐橙可溶性固形物的方法。以40个赣南脐橙为标准样本,利用漫反射光谱测定法获取完整赣南脐橙的可见-近红外光光谱(350～2 500 nm),采用多种光谱校正算法,选取不同的光谱波段范围对水果样本的漫反射二阶光谱进行有效信息的提取和分析,并结合偏最小二乘法和主成分回归等定量校正方法,建立了赣南脐橙可溶性固形物的定量数学模型。实验结果为: 在361～2 488 nm波段范围内,偏最小二乘法校正模型的预测精度最好,校正模型的相关系数为0.929,校正标准偏差和预测标准偏差分别为0.517,0.592,其预测集样本的预测值与真实值的相关系数为0.791。实验结果表明：应用近红外漫反射技术对赣南脐橙可溶性固形物的快速无损检测具有可行性。     

DWT-iPLS在烃源岩漫反射光谱数据处理中的应用

红外漫反射光谱技术被广泛地应用于粉末样品的定性、定量测量中。但是由于粉末样品自身的特点,颗粒度、密度、表面粗糙程度等几何参数的影响,使得漫反射光谱数据的信噪比很低、背景干扰很大。因此需要一种有效的方法对漫反射光谱数据进行预处理来提高信噪比,消除背景干扰。文章采用了离散小波变换对红外漫反射光谱进行了预处理,有效地消除了光谱中的高频噪声和低频背景的干扰,并结合iPLS(间隔偏最小二乘回归)方法进行线性回归分析,建立了用于复杂样品体系组分分析的建模方法(DWT-iPLS)。并以烃源岩的红外漫反射光谱为例,将DWT-iPLS应用于数据的预处理及建立数学模型,其结果与未用DWT预处理的方法相比较,准确度有明显的提高,证明了此方法是一种快速有效的定量分析的建模方法。     

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。     

基于正交信号校正和iPLS的烃源岩红外漫反射光谱定量分析

红外漫反射光谱技术越来越普遍地被应用到粉末样品的快速测量分析中,在应用红外漫反射光谱技术对粉末状的烃源岩样品的生烃潜量进行定量分析时,由于样品的颗粒度、 密度、 表面粗糙程度等几何参数的变化对散射光的影响非常大,使得漫反射光谱数据的信噪比很低、 背景干扰很大,这样很难对样品进行定量分析。因此需要一种有效的方法对漫反射数据进行预处理来消除散射的影响,提高信噪比。文章利用正交信号校正算法(OSC)作为一种光谱过滤手段,并与间隔偏最小二乘(iPLS)相结合,有效地消除了粉末状样品散射光的影响,可以显著提高烃源岩红外光谱预测模型的准确性,使得红外漫反射光谱技术在石油录井中有了广阔的应用前景。