反射式血氧饱和度检测方法的研究

近红外光谱技术可实现组织中血氧代谢的实时无损伤在体测量, 在生物医学领域得到了广泛应用。 本文利用红光、红外光双光束对指尖进行了基于反射式原理的血氧饱和度(SPO2)检测。通过改变入射光的强度, 并在距入射光1.5cm处采集其反射信号, 观察光强变化对光学体积描记（PPG）信号的影响。实验表明在入射光强不同时, 光到达生物组织层次不同, 所得信号幅度、信噪比都不同。以此提出改变光强法来检测组织不同层次的血氧饱和度。     

用近红外组织血氧参数无损监测仪进行运动人体研究

利用我国自主生产的近红外组织血氧参数无损监测仪对8名中长跑运动员在功率自行车上作等级递增负荷运动时, 大腿股四头肌组织中肌氧含量的变化进行监测与分析, 同时测量运动员的血乳酸浓度、血容量和心率的变化。结果显示肌氧含量与运动负荷、血乳酸、血容量、心率密切相关(p<0.01)。对一人经过多次测定肌氧含量和血乳酸浓度,结果呈规律性的下降和上升,每次之间数值的横向比对,没有明显变化。由此表明,可以根据运动时骨骼肌中肌氧含量的变化来判断受试者所能承受的运动强度和在对应强度下所对应的血乳酸浓度以及肌氧下降的拐点所对应的血乳酸上升的拐点。通过调查,了解NIRS 技术在运动领域中的研究及应用的现状,分析存在的主要问题和今后的研究趋向。目的在于使大家通过对NIRS技术的不断了解,认识到我国自主生产的近红外组织血氧参数无损监测仪所测的肌氧含量指标,作为测定运动氧代谢能力是一项敏感的、无损的、实时可靠的指标, 与传统有创的、离体的、繁琐的检测手段相比较具有不可替代的优势。     

用光谱方法检测肌氧饱和度实现不同人群运动功能的评估

基于组织光学原理研发了组织氧饱和度无损检测仪。利用该仪器检测了101名受试者(其中健康锻炼者42人,健康不锻炼者34人,脾虚证患者25人)在进行递增负荷功率自行车运动实验时,股四头肌外侧头的肌氧变化过程。测得的血红蛋白浓度(c_tHb)受脂肪等外层组织影响较大,而肌氧饱和度(rSO₂)受影响较小。实验结果显示, 在运动过程中,随着运动负荷的逐渐增加,骨骼肌中的总血红蛋白浓度逐渐上升,肌氧饱和度逐渐降低;当运动停止后,总血红蛋白浓度和肌氧饱和度都出现快速上升。运动中肌氧饱和度的变化幅度与受试者运动能力有密切关系。利用局部组织氧饱和度这一指标来评价肌肉组织中氧的输送与消耗的平衡点,进而实现了对肌肉组织有氧代谢能力的定量评估。     

血液可见吸收光谱与血氧参数神经网络估算法

总血红蛋白浓度和血氧饱和度是两个基本的血氧参数。文章提出了利用内置双光纤微创探头在位测量大鼠脑组织血氧参数的新方法。首先,利用悬乳液(Intralipid)和全血配置不同总血红蛋白浓度的混合溶液,模拟生物组织模型,用光纤光谱仪测试系统测量组织模型在加氧和去氧时的实时吸收光谱,同时用血氧分析仪(OXI meter)对血氧参数定标,建立测试光谱和定标数据样本集。然后,利用人工神经网络建立血液吸收光谱与血氧参数的神经网络模型,训练后的网络模型能根据吸收光谱输出生物组织的血氧参数值,总血红蛋白浓度和血氧饱和度的平均输出误差分别为±4μmol·L-1和±5%。最后,利用神经网络模型对大鼠脑组织血氧参数进行了在位测试实验,测得脑灰质的血氧饱和度为0.60~0.70,脑白质血氧饱和度为0.45~0.55;总血红蛋白浓度在脑皮层(深度1mm)附近最高,平均110μmol·L-1,其余深度脑组织的总血红蛋白浓度为70~90μmol·L-1。这种方法对脑外科微创手术中实时在位测试脑组织血氧参数具有重要的参考意义。     

基于双窄带LED光源的红外甲烷传感器的研制

利用甲烷气体分子在3.3μm处的主吸收峰,研制了一种基于非色散红外光谱技术的红外甲烷传感器.传感器的光学部分由峰值波长为3.4μm的测量发光二极管、峰值波长为2.7μm的参考发光二极管、截止波长为3.6μm的光电二极管及球面反射面组成;电路部分包括发光二极管驱动电路、光敏信号处理电路、温度测量电路、微处理器.采用短脉冲供电控制逻辑的工作模式,降低红外光源的上电时间,将光学测量器件的功耗降至16mW.实验研究了温度变化对传感器甲烷浓度测量结果的影响,通过数据分析及线性拟合,得出了温度补偿算法公式.补偿后的传感器及检测系统平台实验结果表明:传感器平均功耗为23.56mW,在-20～50℃的温度范围内温度变化对测量值的影响不超过真值的3%,湿度影响不超过真值的4%,响应时间小于25s,工作稳定性时间大于60天,性能指标均满足或优于AQ6211-2008煤矿用非色散红外甲烷传感器行业标准相关要求.与热辐射红外光源或激光检测原理的甲烷传感器相比,基于双窄带发光二极管的红外甲烷传感器功耗降低70%以上,能够满足便携式、无线化应用场合低功耗的技术要求.     

近红外光谱成像系统在液体安检中的应用

易燃易爆液体的实时、远程和动态探测对于保障公共安全具有重要意义,在公安、民航和海关等领域应用前景广阔。研制了基于液晶可调滤光片的近红外光谱成像系统,通过波长优选算法大幅降低了光谱通道数,有效提高了扫描成像速度和数据处理速度,可实现对低速运动的液体危险品的远程和实时检测。利用该系统开展了不同环境下对易燃易爆液体的检测实验,结果表明该系统对静态目标检测精度为100%,对速度小于0.2 m/s的运动目标检测精度高于95%。     

基于空分复用的矿井瓦斯浓度光纤检测网络研究

瓦斯爆炸事故频繁发生,对瓦斯浓度进行准确、实时检测和预警是治理瓦斯危害的有效手段。实验研究了基于气体光谱吸收原理,采用1.65 μm波长的近红外可调谐DFB激光器,利用激光器的模式跃变特性设计了差分吸收式的双波长单光路光纤传感网络。使用光开关并结合空分复用技术复用了16个瓦斯传感器,传感气室部分研究了防煤尘等关键技术。经PCI数据采集卡采集各路信号后,利用虚拟仪器对各路信息进行分析并显示。研究表明,在不采用数字锁相放大器,且气体吸收光程只有10 cm的条件下,探测灵敏度达到了0.05%,长时间的精确度和稳定性均可满足实际要求,各传感器切换响应时间小于1 s。该网络只要更换激光器就可对其他气体进行实时检测。     

频域近红外光谱方法定量测量组织氧饱和度

通过精确测量光子密度波的相位延迟和幅度衰减,借助于一个光学参数已知的校准模型,可以定量检测组织的光学吸收参数和约化散射系数.通过测量多个波长下组织的吸收系数,就可以进一步求解出人体局部组织的血氧饱和度.血液－酵母溶液仿真模型和前臂动脉阻断实验的结果都表明该三波长的频域近红外光谱系统可以实时定量地检测组织氧饱和度的动态变化情况.     

双绞铝丝纳秒电爆炸实验研究

在快前沿放电装置(约2 k A,12 ns)上对四种绞合波长(λt=0.37,0.5,0.75,1.0 mm)的双绞铝丝开展了纳秒电爆炸实验研究.实验结果表明,特定绞合波长会对能量沉积、膨胀过程、光辐射产生显著影响,当绞合波长为0.5 mm时,能量沉积为原子化焓的3.2倍,而其他三种绞合波长能量沉积变化不大,约为原子化焓的1.8倍;绞合波长为0.5 mm时膨胀速度达3.8×103m/s,光辐射相对强度也最高,在膨胀过程中较好地保持了初始结构,在t=246ns时,形成了密度约为1019cm-3,直径约为1.6 mm的中性原子柱,并且在表面形成了波长约为0.5 mm,幅值约为0.3 mm的周期性结构.     

近红外光谱监测体外循环手术中脑组织氧合状况的研究

体外循环手术中,为防止因脑氧供需失衡导致脑缺氧,就要实时监测患者局部脑组织的氧合状况,以根据其变化调整生理参数或采取应急手段。用该研究小组自行研制的近红外仪器(使用一个双波长的近红外光源和两个近红外检测器)监测心脏手术中患者的脑氧,可以求出局部脑组织血红蛋白浓度的变化,并根据稳态空间分辨光谱(SRS)算法求出局部脑组织的氧饱和度(rSO₂)。体外循环中用监护仪监测患者的混合静脉血氧饱和度(SvO₂)等生理参数。测得的血红蛋白浓度变化容易受到干扰,而rSO₂的抗干扰性能较好。rSO₂在整个手术过程中都可以监测到,而SvO₂只能在体外循环过程中监测到。多数患者rSO₂和SvO₂存在正向相关性,但二者的相关系数并不很高。这是因为SvO₂是大静脉的血氧饱和度,而测得的rSO₂反映局部脑组织的氧合状况,二者的生理意义不同。实验结果表明,体外循环手术中rSO₂可以反映患者脑组织氧合状况的变化,而仅仅监测SvO₂是不够的。     

用近红外脑组织血氧仪评定保健食品抗疲劳效果

疲劳综合症目前已经越来越多地影响着人们的正常生活和工作。可以通过组织血氧饱和度、心率等参数来评价疲劳程度,并采用某种抗疲劳胶囊和咖啡作为调节疲劳程度的一种手段。基于空间分辨的近红外光谱(NIRS)技术可实现人体组织氧饱和度(rSO₂)的无损、实时检测。针对长时间在办公室工作的脑力劳动者人群,设计了两组静态实验来分别评价服用与未服用抗疲劳胶囊或咖啡的疲劳程度。通过对实验组和对照组受试者分别进行脑组织氧饱和度、心率等参数进行了测试,并侧重分析了受试者的脑组织氧饱和度的变化情况。结果表明,实验组的受试者其脑组织氧饱和度在服用抗疲劳胶囊和咖啡后都有明显的上升趋势,从而表明抗疲劳胶囊在一定程度上有缓解疲劳的作用。     

Assessment of the therapeutic action of low-intensity laser radiation from the extent of local tissue saturation with oxygen

We propose a method for dosimetry of the biological response to laser irradiation based on determination of the amount of oxygen additionally supplied to the tissue. We show that it is feasible to determine the therapeutic dose from the change in the degree of oxygen saturation of the blood, heart rate, hemoglobin concentration in the blood, and exposure time. __________ 13Translated from Zhurnal Prikladnoi Spektroskopii, Vol. 73, No. 4, pp. 516–520, July–August, 2006.     

基于近红外光电技术的脑水肿无创监测方法

提出了基于近红外光电技术的脑水肿无创监测方法,对大鼠脑水肿的程度进行无创监测.阐述了监测设备的测量原理和系统组成,并对大鼠实验数据结果进行了分析.监测系统光源选用760 nm和程序850 nm的双波长发光二极管,通过恒流源电路驱动进行驱动.选用OPT101作为检测器,用锁相放大电路和滤波电路对所测信号进行处理.在LabVIEW环境下通过数据采集卡进行数据采集,并进行后期处理,该系统能够实时测量大鼠脑组织的血氧变化.利用该系统测量脑水肿模型的大鼠,分析了光强、血氧参量的变化与脑水肿变化的关系.研究结果表明近红外光电技术可应用于对大鼠脑水肿程度进行无损监测.     

单波长光声光谱血氧饱和度检测技术研究

血氧饱和度(SO₂)为临床观察病情变化提供了有意义的指标。传统血氧饱和度检测研究工作多采用双光源和多光源光电容积脉搏波描记法实现无创检测来减少病人痛苦。通过研究生物组织对光的吸收和散射特性,将光谱学和光声技术相结合提出了一种无创式单光源检测血氧饱和度(SO₂)、脱氧血红蛋白浓度[HBR]和氧合血红蛋白浓度[HbO₂]的新方法。该方法基于血液对光信号的吸收和散射理论基础和光声信号呈现吸收线形关系建立单波长光声光谱血氧饱和度检测技术,不仅可以进行指标性参数分析还可以对组织成像。为了验证该技术可行性,在实验中采用单波长激光脉冲光源,以绿色和红色墨水的混合液体作为含有脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白的血液模型注入软管模拟人体血液环境。其中红色墨水的含量类比于血液中含氧血红蛋白含量,从而可通过测量计算出红色和绿色墨水浓度来表征伪血氧饱和度(poseudo-SO₂)。实验结果表明,所测的伪血氧饱和度与实际浓度误差不超过6.97%,采用该方法量化血氧饱和度是可行的;同时利用实验结果,结合光声成像技术完成了对伪血液中单圆管截面成像。该方法替代多波长光谱分析的方法能显著降低激光系统和便携式实现成本。     

利用频域近红外光谱仪和磁共振谱仪测量骨骼肌能量代谢

利用频域近红外光谱技术(NIRS)可以实现生物组织光学参数的实时定量测量。由于生物组织的吸收系数与组织中的血红蛋白的合氧状态有关,使得频域近红外光谱技术可以用来无损测量肌肉组织中与能量代谢过程密切相关的氧气供应与消耗这个动态平衡过程。磷磁共振谱仪(31P-MRS)是无损检测骨骼肌能量代谢的金标准。为了研究细胞内pH值(pHi)对磷酸肌酸重新合成和氧合血红蛋白恢复过程的影响,作者利用频域NIRS和31P-MRS联合进行了健康成人的踝关节曲展(plantar flexion)实验。通过动脉阻断和长时间全力运动尽量降低肌肉组织细胞内pH值。对照结果表明,细胞环境酸化(pHi=6.42)明显地延长了运动停止后磷酸肌酸的重新合成和氧合血红蛋白的恢复过程。     

提高基于机器视觉的心率测量精度的方法

基于摄像头(可见光)的心率测量方法,能够以非接触的方式检测受试者心率,无论在临床应用还是在家庭健康监护中都有着极大的应用前景。但是,CMOS摄像头的行扫描方式采集图像以及计算机系统的图像采集时钟抖动都会影响此类心率测量的精度,从而引入相位误差和系统随机误差。本文针对这两大主要误差进行研究分析,提出了消除相位误差的基于傅里叶变换的幅频叠加算法、消除图像采集系统时钟抖动误差的基于时间标定的三次样条插值重构方法。幅频叠加算法只在幅频域对信号进行处理,能够忽略信号的相位影响,从而消除相位误差。时间标定的三次样条重构算法能够重构图像的均匀采集,从而消除系统时钟抖动引起的随机误差。同时,通过理论推导论证了两种算法的可行性,进而利用LED模拟实验和实际心率测量实验验证该算法在提高信号检测精密度中的特性。在模拟实验中,对每帧图像的200行作幅频叠加运算,能够使信号幅值相对提升4.58%;基于时间标定的三次样条重构算法能使检测的信号频率的均方根误差缩小30%以上;在实际心率检测中,幅频叠加算法可使心率幅值相对提升达33.5%,基于时间标定的三次样条重构算法可使心率准确度提升40%左右。因此,模拟实验和实际心率测量实验均验证了提出的算法在提高系统检测精度上的有效性,提高了基于机器视觉心率测量的抗干扰能力。这两种算法不仅能够提高基于机器视觉的心率检测精度,而且能够适用于基于机器视觉对一定频率信号的检测,在机器视觉检测中具有广泛的意义。     

温度对单个活态人红细胞携氧能力的即时影响

利用快速显微多道分光光度技术,在无损、在位、实时的情况下,测定了不同环境温度下单个活态人红细胞内血红蛋白吸收光谱的即时变化情况。发现人红细胞内血红蛋白吸收峰的高度和位置均随环境温度的变化而变化,表明人红细胞的携氧能力与温度密切相关。初步揭示了人红细胞内血红蛋白分子结构、浓度与功能之间的密切关系,并且探讨了温度变化对人红细胞生理功能即时影响的分子机制。     

无损检测组织氧饱和度的近红外光学传感器的优化设计研究

基于空间分辨的近红外光谱(NIRS)技术可实现人体组织氧饱和度(rSO₂)的无损、实时检测。已研制出基于该原理的NIRS仪器,为推广其临床应用,必须保证并尽可能提高其测得rSO₂的准确度。文章主要研究传感器上多个检测器的间距以及光源发光波长离散性对rSO₂准确度的影响,结果指出：(1)为准确得到rSO₂,应当使用两个检测器,其间距应在5～20 mm,并且与光源的距离均应当不小于20 mm; (2)双波长光源的发光波长,特别是短波波长的离散性可导致测得的rSO₂出现明显误差(＞10%),为避免这一误差,必须准确测出实际的发光波长,并使用该波长对应的消光系数。上述结论可指导传感器的优化设计,所研制成的NIRS仪器实现了这一点。     

Simultaneous fluorometry and phosphorometry of Langendorff perfused rat heart: ex vivo animal studies

Fluorescence imaging of intrinsic fluorophores of tissue is a powerful method to assess metabolic changes at the cellular and intracellular levels. At the same time, exogenous phosphorescent probes can be used to accurately measure intravascular tissue oxygenation. Heart failure is the leading cause of death in America. A rat heart can potentially model the human heart to study failures or other abnormalities optically. We report simultaneous fluorescence and phosphorescence measurements performed on a rat heart. We have used two different optical systems to acquire fluorescence signals of flavoprotein and nicotinamide adenine dinucleotide--the two intrinsic fluorophores of mitochondria--and the phosphorescence signal of an intravascular oxygen probe to extract intracellular and intravascular metabolism loads, respectively.