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%。     

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。     

皮肤的光学性质研究

为了确认通过皮肤进行基于卟啉荧光的元创恶性肿瘤诊断的可行性,应用光谱法分析研究了人皮肤的光学特性。通过测量皮肤的反射光谱、透射光谱和荧光光谱分析确定皮肤中的发光物质及其光谱对卟啉荧光的影响。用280nm激发光对皮肤进行激发,测到皮肤在360nm发出的荧光。与牛血清白蛋白的荧光光谱比较,确定发光物质是某类蛋白质。选择350nm激发光对皮肤进行激发,测得了与离体类胡萝卜素荧光452nm相同的荧光,所以皮肤中的发光物质有类胡萝卜素。光谱分析还表明,皮肤的荧光中还有弹性蛋白和还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)的荧光发射,荧光峰分别在400,460nm。黑色素不发荧光,但皮肤中可能还存在氧化的黑色素,它的荧光波长是580nm,这些都与卟啉的荧光波长不同。由此可见皮肤中发光物质不会影响卟啉荧光的探测。由皮肤的透射光谱观察到,卟啉的荧光波长恰好在皮肤的透射窗口内,从而进一步确定了卟啉荧光的无创探测的可能性。     

532nm多脉冲光辐照人活体皮肤黑色素的热响应

脉冲光与皮肤组织的选择性光热解效应(Selective photothermolysis)在皮肤病损激光治疗中具有广泛应用。在相同参数光辐照下,个体皮肤温度场分布差异主要源于表皮黑色素含量不同。针对皮肤表皮黑色素含量差异,实验研究了532nm多脉冲光与不同个体黄色人种皮肤黑色素的热响应。提出了在无损光剂量辐照下基于脉冲光热辐射度量术(PPTR)确定黄色人种个体皮肤表皮光学吸收系数的方法,并比较了不同参数光辐照下皮肤热响应的数值模拟和实验结果。研究结果表明皮肤热响应的数值模拟和实验结果具有较好的一致性,因而这一方法对于优化选择个体皮肤光治疗辐照参数具有重要意义。     

Monte Carlo方法研究支气管组织自体荧光光谱

在实验获得支气管组织显微荧光特性和有关光学特性参量的基础上,将支气管组织简化为三层光学模型,用Monte Carlo方法模拟442nm He-Cd激光在组织模型中的光分布及自体荧光的逃逸函数,计算出各组织层对总体自体荧光的贡献,并模拟出逃逸到组织体表面的自体荧光光谱.进一步实验测量与理论计算的自体荧光光谱比较表明,两者在460～520nm及600～700nm的光谱范围内符合得较好.     

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。     

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...     

光谱技术检测鲜红斑痣病变程度的MC模拟

在分析鲜红斑痣病理的基础上,根据病变程度改变真皮上层血液层的厚度,并建立相应的光学模型,确定其组织光学参数.通过Monte Carlo模拟,得出：鲜红斑痣皮肤反射光谱与荧光光谱均可反映鲜红斑痣皮肤病变程度,特别是血管直径的变化;当血管直径增大时,鲜红斑痣皮肤反射光谱反射率与荧光光谱强度均明显下降.研究表明反射光谱和荧光光谱可能应用于判断或分析鲜红斑痣皮肤的病变程度,从而为鲜红斑痣的临床治疗方案及治疗效果提供参考.     

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...     

皮肤组织容积脉搏波400~1000 nm光谱特性仿真研究

根据皮肤组织解剖结构特性建立了六层层状模型,并给出了皮肤组织各层的特性参数;考虑了氧合血红蛋白和还原血红蛋白的吸收特性,依据皮肤组织各层的水、血、脂肪、血氧饱和度含量以及血管大小给出了皮肤组织各层的光谱吸收系数;对不同波长散射系数做了适当简化,给出了皮肤组织各层的光谱散射系数。利用蒙特卡罗方法仿真血管组织在收缩与舒张两种状态下, 400~1 000 nm波长光在皮肤组织多层模型中的传输过程,并通过统计大量光子的分布特性,获得了皮肤组织光谱反射系数,并利用模拟所得的两种状态下的反射系数计算得到了光谱容积脉搏波幅度。仿真结果表明,当入射光强一定时,绿光的容积脉搏波幅度优于红光和蓝光。通过计算不同波长光沿皮肤组织深度方向光能流率衰减为1/e时对应的皮肤组织深度,获得了皮肤组织光谱穿透深度。结果显示,血管舒张状态下蓝光和绿光的穿透深度较小,蓝光大部分只能达到表皮层,绿光能到达微循环层,红光可直达真皮层。考虑到光在皮肤组织中传播包含了一个从收缩到舒张的动态过程,基于此,根据穿透深度定义了脉搏波信号产生深度,利用血管舒张与收缩两种不同状态下的穿透深度计算得到了光谱产生深度。结果表明,不同波长光产生深度大于其穿透深度,蓝光产生深度较浅,且其受到的血液吸收调制较小,因而其获得的脉搏信号易受噪声干扰;红光的容积脉搏波产生深度较大,但是相比于绿光其受血液吸收调制较小,且绿光产生深度足够达到真皮血管层,因而红光容积脉搏波的幅度小于绿光。上述仿真结果明确了皮肤组织部分光谱特性,为皮肤组织多光谱容积脉搏波的精确获取及其他相关研究提供了一定的理论基础。     

Absorption spectra and light penetration depth of normal and pathologically altered human skin

A three-layered skin model (stratum corneum, epidermis, and dermis) and engineering formulas for radiative transfer theory are used to study absorption spectra and light penetration depths of normal and pathologically altered skin. The formulas include small-angle and asymptotic approximations and a layer-addition method. These characteristics are calculated for wavelengths used for low-intensity laser therapy. We examined several pathologies such as vitiligo, edema, erythematosus lupus, and subcutaneous wound, for which the bulk concentrations of melanin and blood vessels or tissue structure (for subcutaneous wound) change compared with normal skin. The penetration depth spectrum is very similar to the inverted blood absorption spectrum. In other words, the depth is minimal at blood absorption maxima. The calculated absorption spectra enable the power and irradiation wavelength providing the required light effect to be selected. Relationships between the penetration depth and the diffuse reflectance coefficient of skin (unambiguously expressed through the absorption coefficient) are analyzed at different wavelengths. This makes it possible to find relationships between the light fields inside and outside the tissue. __________ Translated from Zhurnal Prikladnoi Spektroskopii Vol. 74, No. 3, pp. 387–394, May–June, 2007.     

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.     

Explanation of Human Skin Color by Multiple Linear Regression Analysis Based on the Modified Lambert-Beer Law

Quantitative analysis of human skin color is needed in the medical and cosmetic fields. Because of the strong light scattering by biological tissues, however, analysis of skin color has not yet been fully successful. Human skin color is dominated by the colors of blood and melanin which are modified by scattering. Exposure of human skin to hot water or UV-ray changes its color because the absorbance spectrum of reflection from the human skin, and the changes in the absorbance spectra of reflection reflect the absorbance spectra of blood and melanin which are the absorption spectrum distorted by scattering. By applying the modified Lambert-Beer law, the absorbance spectrum of reflection from human skin can be expressed proportional to those distorted absorbance spectra of blood and melanin. Multiple linear regression analysis is successfully used to reproduce the absorbance spectrum of reflection from human skin from the distorted absorbance spectra of blood and melanin.     

Noninvasive spectral imaging of skin chromophores based on multiple regression analysis aided by Monte Carlo simulation

In order to visualize melanin and blood concentrations and oxygen saturation in human skin tissue, a simple imaging technique based on multispectral diffuse reflectance images acquired at six wavelengths (500, 520, 540, 560, 580 and 600 nm) was developed. The technique utilizes multiple regression analysis aided by Monte Carlo simulation for diffuse reflectance spectra. Using the absorbance spectrum as a response variable and the extinction coefficients of melanin, oxygenated hemoglobin, and deoxygenated hemoglobin as predictor variables, multiple regression analysis provides regression coefficients. Concentrations of melanin and total blood are then determined from the regression coefficients using conversion vectors that are deduced numerically in advance, while oxygen saturation is obtained directly from the regression coefficients. Experiments with a tissue-like agar gel phantom validated the method. In vivo experiments with human skin of the human hand during upper limb occlusion and of the inner forearm exposed to UV irradiation demonstrated the ability of the method to evaluate physiological reactions of human skin tissue.     

基于荧光光谱—模拟退火法年份白酒中乙酸浓度预测研究

近年来年份白酒市场中行业规范有所缺失,因此年份白酒的研究具有深远意义和市场价值。白酒中单体物质的浓度会随着白酒的年份改变,检测白酒中单体浓度可用来鉴定白酒质量及其年份。基于国内某品牌年份原桨白酒的三维荧光光谱,对其中乙酸浓度进行了建模研究。对原始光谱进行了小波分解和求导预处理。研究发现小波分解第一层和第二层呈噪声特征,浓度信息主要分布在第三层和第四层信号中。不同激发波长的荧光发射光谱强度分布不同,如何选择合适的激发波长目前还没有一个统一的方法。根据小波分解信号引入有效信号强度概念并获得了合适的建模激发波长（200 nm）;导数光谱的细节特征比原始光谱丰富,光谱求导可以提高光谱的分辨率。研究了乙酸浓度与荧光光谱的相关性,原始荧光光谱与乙酸浓度之间相关性较小,小波分解光谱和导数光谱与浓度的相关性达0.8以上,且呈现出更多离散化的相关性特征峰。因此,小波分解光谱和导数光谱中包含更多乙酸浓度信息且分布比原始光谱更广。基于荧光光谱和模拟退火法研究了乙酸浓度偏最小二乘法（PLS）多元回归模型。研究发现原始光谱的乙酸浓度预测集的均方根误差高达70.03 mg·L-1,模型效果较差;小波分解光谱和导数光谱由于光谱之间多重相关性降低且分辨率提高的特点,模型预测效果更好,其中二阶导数光谱的乙酸浓度预测集的均方根误差和相关系数分别为20.32 mg·L-1和0.999 8,建模效果最好。基于1 000次循环执行模拟退火算法建模得到的光谱信息密度曲线显示出二阶导数光谱比原始光谱包含更多的乙酸浓度信息。以乙酸为例,为年份白酒中物质浓度预测提供了一种简易的光学方法,研究方法对研究多组分渐变体系浓度预测具有一定的参考价值。     

多波长消荧光拉曼光谱仪的研制及应用研究

拉曼光谱技术作为探究分子、晶体及其结构特征的有力手段,具有快速、无损、样品用量小、无需前处理且适应性强等优点,已被广泛应用于食品安全、石油化工等领域。但在拉曼光谱应用中,常常受到荧光背景干扰,导致拉曼信号降低,严重的情况下拉曼信号甚至会淹没在荧光背景中。为解决拉曼技术在实际应用中荧光背景干扰的问题,从仪器角度出发,采用二色镜对多波长拉曼光谱进行光路耦合设计,研制了近红外拉曼光谱与移频差分拉曼复合一体的多波长消荧光拉曼光谱检测系统,其中近红外拉曼光谱采用1 064 nm激光光源设计,移频差分拉曼光谱选取784.5和785.5 nm两组激光光源进行时分复用,在移频差分拉曼光谱检测的同时,亦可获得两组单波长拉曼光谱数据。通过对比同步测试和分时逐次测试的强度及峰位稳定性,验证了多波长消荧光拉曼光谱仪的同步测试性能;选取了多种荧光背景强弱不同的样品,进行了单波长拉曼、近红外拉曼及移频差分拉曼光谱的对比分析。针对丙酮、乙腈等荧光背景较弱的样品,可采用单波长拉曼光谱对样品进行定量及定性分析;针对食用油、红色塑胶微粒等荧光背景与拉曼信号强度相当的样品,可采用近红外拉曼光谱对样品进行定量及定性分析;针对红酒、棕色塑胶微粒等荧光背景较强的样品,需结合近红外拉曼光谱和差分拉曼光谱对样品进行定性分析。研究表明：通过多波长消荧光拉曼光谱检测系统的研制,在常规单波长拉曼光谱技术的基础上,将两种抑制荧光干扰技术有机结合,有效扩充了应用领域及样品检测范围。     

基于液芯光纤的激光诱导荧光食用油种类鉴别研究

组建了一套基于液芯光纤的激光诱导荧光食用油鉴别装置。研究了不同液芯光纤长度对食用油激光诱导荧光光谱的影响,分析了不同种类食用油激光诱导荧光光谱之间的差异。八种食用油共320份样本荧光数据在1 m长液芯光纤内采集,采用主成分分析方法对食用油荧光数据进行降维处理,利用偏最小二乘判别分析(PLS-DA)方法建立食用油种类的鉴别模型。结果表明,使用液芯光纤后,食用油荧光强度得到较大的增强。随着液芯光纤长度增加,食用油荧光特征峰逐渐增加并且食用油的激光诱导荧光光谱会产生红移现象,当液芯光纤长度超过80 cm后,红移趋于饱和。不同食用油的荧光光谱形状差异较大,可用于区分不同种类食用油。利用主成分1和主成分2绘制的主成分得分图显示,不同种类食用油呈现很好的聚集。当选用主成分数为10时,建立的PLS-DA食用油种类鉴别模型对训练集和预测集样本识别率均达到100%。说明本装置用于食用油种类的快速鉴别具有较高的准确性。