激光诱导间质热疗中生物组织的温度场研究

激光诱导间质热疗疗效评估的前提是必须获得准确的激光在不同功率、不同照射时间的生物组织温度场分布.利用多物理场直接耦合分析软件COMSOL Multiphysics构建了在组织光学参量不变情况下的三维有限元传热模型.该模型基于Pennes生物传热方程和轴对称高斯形状的激光光束热源方程,参量针对离体猪肝组织,考虑到了生物组...     

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。     

椎弓根钉植入针道上骨组织光谱特性研究

运用光谱技术研究了椎骨组织不同位置的特征识别因子.光谱采集系统由双光纤手钻一体式探头(光纤芯径200μm,中心距离0.5mm)、卤素光源(波长360～2 000nm)、光纤光谱仪(检测波长为200～1 100nm)和计算机组成,可以同时获得生物组织的漫反射光谱和约化散射系数.以猪椎骨为实验对象,测量椎弓根螺钉植入针道上不同骨组织的漫反射光谱和约化散射系数,并对光谱进行特定波长的峰值、面积、斜率分析,获得特性识别因子.研究发现,椎弓根钉植入针道上不同骨组织的光谱表现出不同的变化特性.其中峰值的变化比约化散射系数的变化高1.88倍,面积的变化比约化散射系数的变化高2.05倍.在495～505nm处,骨密质和骨疏质的光谱斜率都为正值;在520～535nm处,骨密质光谱的斜率为正值,而骨疏质光谱的斜率为负值.结果表明,通过光谱特性分析获得的峰值、面积和斜率因子能够有效地区分针道上骨密质与骨疏质的差异.     

小波变换对OCT图像的降噪处理

通过分析光学相干层析成像系统中的噪音源以及不同噪音对成像质量的影响，利用小波变换的方法，结合软阈值滤波对图像去噪，消除噪音对图像的干扰，处理后图像变得清晰了，图像质量得以改善，表明该方法能达到减小图像噪音的目的.     

脑组织血氧饱和度的微创在位测量

 利用光纤光谱仪和光纤探头建立脑组织血氧饱和度（hemoglobin oxygen saturation, SO2）微创在位测量系统。将悬乳液和全血的混合溶液作为生物组织模型,获取模型在不同SO2下可见光区实时吸收光谱与血氧分析仪所测SO2数据的样本集,将吸收光谱作归一化处理后取得500nm～600nm区间的4个光谱特征参量,通过统计分析建立特征参量与血氧饱和度的经验公式。结果表明：利用该系统获得了30只大鼠脑皮层不同深度的血氧饱和度SO2,其范围为64%～76%。这种方法有助于脑外科微创手术中实时在位测试脑组织血氧饱和度研究。     

近红外光纤探头

提出了近红外光纤探头"视距"模型.通过Monte Carlo模拟和两种不同光学性质的双层模型实验,得到了100 μm探头"视距"的经验公式.提出了三层模型的"视距"定义,给出了"层分辨率"的概念,并通过大鼠大脑的试验得到验证.利用近红外光纤探头"视距",可以区分不同的脑组织,在深脑探测手术中进行导航.探头"视距"提出了一个近红外探头视距研究的普遍方法,对光纤探头的设计有重要意义.     

大鼠创伤性脑水肿模型中近红外光有效检测深度研究

采用近红外光谱技术实现颅脑损伤的无损监测过程中,存在着检测深度不明确的问题.利用Monte Carlo模拟光子在生物组织中的传输过程,建立有效检测深度模型,对光纤探头在大鼠创伤性脑水肿模型中的有效检测深度规律进行了研究.采用不依赖于模板的阈值分割和窄带水平集分割方法,将大鼠头部MRI图像分为头皮、头骨、脑脊液、灰质和白质五部分,建立真实的大鼠脑组织三维模型,使Monte Carlo仿真结果更加准确.改进复杂组织光场分布仿真的tMCimg软件,使其能够实时记录光子在组织中的位置和光子被检测器接收时的能量,从而计算出探头在组织中的有效检测深度.分析了不同光源和检测器的中心距、光源芯径对有效检测深度的影响,结果表明光在大鼠脑组织中的有效检测深度小于或者等于光源和检测器中心距的一半,并随光源芯径的增大逐渐增大.建立大鼠脑水肿模型,验证了仿真结果的正确性.研究结果对于无创脑水肿模型的光纤探头的设计和脑水肿区域的判定有着重要的意义.     

脑功能激活光诱发机理小世界网络分析研究

研究光诱发和静息两种状态下的脑功能网络的信息传输枢纽、网络聚合能力和信息传输的最小路径的差异性。采用小世界网络理论对脑功能网络进行建模,通过对脑功能网络连接度、簇系数和最小路径进行分析,得出光诱发状态下的信息传输重要枢纽为岛叶、后扣带回功能区;丘脑、海马两处功能网络有较大聚合能力。光诱发过程从额上回经颞中回传输到枕中回。静息状态下的信息传输重要枢纽为楔叶、舌回;中央旁小叶、颞上回脑功能网络有较大聚合能力。静息状态下的左半区最佳信息传输路径为左额上回、左颞中回、右楔叶最后到左枕中回;右脑半区的为右额上回、右前扣带回、左枕下回最后到右枕中回。光诱发状态与静息状态的最佳传输路径有明显的区别。     

近红外散射光谱的组织热毁损程度实时鉴别

提出了利用近红外散射光谱对生物组织热毁损程度进行实时鉴别的一种新方法。实验首先分别用功率3.5,5,6.5和8 W的808nm脉冲激光对新鲜离体猪肝进行热毁损,在距离毁损中心10mm处实时采集近红外散射光谱和温度,以最小二乘法拟合得到波长830~900nm处的光谱斜率(S830~900),将其不同上升幅度为条件结束加热。其次,对光谱采集点附近的组织作病理切片,根据组织学特征进行评分,采用3级评分制(3分为完全毁损,2分为部分毁损,1分为无效毁损)评估毁损程度。最后,分析加热期S830~900最大上升幅度、降温后S830~900最终稳定值与病理分析的毁损程度之间的关联。结果表明,一般情况下,若加热期S830~900上升至初值的4倍以上、降温后最终稳定于3.5倍以上,对应组织为完全毁损;若S830~900加热期上升2~5倍,降温后最终稳定于1~1.5倍,对应组织为无效毁损;其余为部分毁损。根据分析结果,首次建立了光谱因子与热毁损程度的关联,利用加热期S830~900的最大上升幅度与降温后的最终稳定值来鉴别组织毁损程度,可以很好的降低实验对象个体差异性对判断结果的影响,具有很好的鉴别效果,其准确率达到90%以上,实现了组织热毁损程度实时、准确的鉴别,为组织热毁损实时监控提供了一种新思路。