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.     

新生儿脑部光学参数的无损检测

生物组织的光学参数与组织中各种生化、生理以及病理过程密切相关。利用频域近红外光谱技术,使用一个140 MHz的射频振荡源对不同波长的半导体激光管进行调制,通过精确测量距离光源一定距离处光子密度波的相位延迟和幅度衰减,并借助于一个光学参数已知的校准模型,实现了对23个新生儿头部组织光学参数的定量测量。并且根据两个波长(788和832 nm)下的吸收系数的测量结果进一步得到了新生儿脑部组织的生理学参数。实验结果表明,这种便携式的频域近红外光谱系统可以有效地获取新生儿头部的光学和生理学参数。     

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。     

基于频域近红外光谱法的生物组织光学参数的检测与三维重构

生物组织的光学特性参数与组织的各种生理、生化以及病理过程密切相关。光学特性参数的检测与三维重构可以在一定程度上了解组织的内部结构及特性。基于频域近红外光谱法,使用美国ISS公司的频域近红外光谱检测系统,采用多光源多检测器技术,将830 nm的激光经过调制后,照射进放置了具有一定吸收系数和散射系数的异质体小球的牛奶中,检测出射光的光强和相位,然后应用光学扩散层析成像技术,通过计算含有异质体小球的牛奶的光学参数,重构出了牛奶中异质体的具体位置。实验结果表明,利用频域近红外光谱法得到的出射光的光强和相位信息,能够较准确地计算出牛奶及异质体小球的吸收系数和散射系数等组织光学参数,并可进一步定位出牛奶中异质体小球的位置。因此,可以考虑将该方法应用在分析及定位水果病变等农产品品质检测领域。     

近红外漫反射光谱中散射对化学定量分析模型的影响

结合国内外研究发展现状,分析了近红外光谱分析与检测技术中影响模型稳健性及预测模型精度的原因,特别是散射的影响。阐述了近红外光与样品组织之间的相互作用机理,及近红外光谱法定量分析模型中散射对漫反射光的影响,总结了光学方法中光学特性参数(散射系数、吸收系数)的主要检测技术的研究进展。探讨了近红外光谱检测与分析技术为基础的定量模型中为改善、增强模型稳健性所用的方法及效果,如中心化、附加散射校正(MSC)等预处理算法;偏最小二乘法(PLS)、主成分回归方法(PCA)等不同的多元校正方法。采用现有的数据预处理方法,可以改善散射对模型的稳健性的影响,但要在浓度范围较大、样品物理状态复杂的情况下消除散射引起的模型预测误差仍需要探索新的方法。     

近红外光谱判别分析滤波器的设计与应用

近红外光谱(NIRS)在定量和判别分析中已得到广泛应用,化学计量学在其中发挥了重要作用,但仍需要建立基于新原理的方法,简化数据处理和建模过程,使近红外光谱分析更加方便、更加快速.多元光学计算(M O C)技术通过设计合适的光学滤波器可以在光谱测量的同时,根据光谱的整体形状得到定性定量结果.作为一种新的测量和计算方式,近...     

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。     

超短激光脉冲作用下生物组织体光学响应的时域和频域分析──Dirichlet边界条件和无向点激励源

生物组织体在超短激光脉冲激励下的表面光学响应特性，如光子平均飞行路径、光通量、相移和调制深度等，在光学时域及频域无损测量、组织体光谱学和光学三维成象研究中具有重要的意义，而生物组织体对近红外和可见光呈现的高散射特性使得激励光子在组织体内的传输行为复杂化，精确地测定和计算上述光学响应量一直是人们感兴趣的问题．本文基于描述组织体内光子传输的扩散方程模型，阐述了时域、频域测量的等效性，从无限空间几何结构出发，逐次导出了常见几何形状均匀组织体光学响应的解析表示，在此基础上给出了典型参数下的计算结果并讨论了计算中可能出现的问题及其解决方法．     

近红外光谱结合ELM快速检测固态发酵过程参数pH值

pH值是固态发酵过程关键参数之一,为此提出基于近红外光谱技术的秸秆蛋白饲料固态发酵过程参数pH值检测方法。利用近红外光谱系统获取140个固态发酵过程产物样本在10 000～4 000cm-1范围内的近红外光谱数据,通过酸度计测得近红外光谱预测模型的参考测量值;运用ELM算法建立pH值的预测模型,在模型建立过程中由交互验证法确定最佳主成分因子数和ELM网络隐含层节点数。试验结果显示:最佳ELM网络模型的拓扑结构为10-40-1,模型预测集相关系数(Rp)和预测均方根误差(RMSEP)分别为0.961 8和0.104 4。研究结果可为固态发酵过程参数的在线检测提供技术基础。     

近红外光谱方法在颌面外科皮瓣移植术后监测中的应用

近红外光谱技术作为一种无创组织氧监测手段,近年来在整形外科手术术后监测方面得到了越来越多的重视。文章利用一套近红外无损组织氧检测系统对6例手术成功病例的移植皮瓣侧和对照侧正常组织内的氧饱和度进行了长时间对比监测,发现两侧的组织氧饱和度之间存在显著性差异。还对一例血管吻合失败的病例下颌部的多个位置进行了检测,发现坏死部位的氧饱和度和正常组织相比处于很低的水平。实验结果表明,近红外光谱检测技术对于皮瓣内的血氧浓度动态变化具有很好的灵敏度,在移植皮瓣的术后监测方面具有良好的应用前景。     

利用近红外光谱检测多层组织血氧饱和度的研究

利用近红外光谱无创检测生物组织血氧饱和状态,是一种极富研究和应用前景的检测技术,在临床检测中被广泛应用.但常规临床检测应用于指端仅反映局部血氧饱和度信息,在使用中具有局限性,信号的可信度也存在质疑.该文提出了一种采用反射式脉搏血氧饱和度检测技术检测生物多层组织氧合状况的新方法,该方法通过调节入射光强以适应解剖学中生物组织多层结构的检测.应用该方法针对手指结构的实验结果表明,随着入射光强的改变,反映血氧饱和状态的光电脉搏波信号有显著变化.结合手指解剖学分析表明,光电脉搏波信号的变化与手指的多层面组织结构相对应,反映不同层面血氧饱和状态.这一特点表明,通过此法可以针对生物组织的多层结构进行测量.     

近红外空间分辨光谱技术及其对新生猪脑缺氧缺血的检测

近红外光谱(NIRS)技术作为一种无创的组织氧检测手段,近年来在脑缺氧缺血的检测方面日益受到重视。文章介绍了自行研制的NIRS仪器(TSAH-100近红外组织血氧无损监测仪)的基本原理及用于新生猪脑氧检测时如何实现传感器与待测脑组织的最佳耦合。检测了28例新生猪在不同氧合状态下的脑组织氧饱和度(regional cerebral oxygen saturation, rSO₂),在缺氧结束后进行了有创的动脉氧饱和度及生理参数的检测。结果表明,NIRS无创测得的脑rSO₂与血气分析有创测得的动脉血氧饱和度(SaO₂)有很好的相关性(p<0.001),并且脑rSO₂与缺氧程度及缺氧后生理参数的变化一致。因此NIRS无创测得的脑rSO₂能直接判断脑氧合状态,可在一定情况下替代有创血气分析,帮助临床无创、简便地诊断脑缺氧缺血。     

基于近红外频域自适应分析法的电煤发热量模型研究（英文）

目前由于部分电站锅炉所用到的燃煤大多为配煤,在有些情况下,其复杂的物理化学特性导致难以获得高精确度的常规近红外定量分析模型,这给电煤发热量的在线检测带来了一定困难。针对该问题,深入研究了电煤近红外光谱时域和频域特征,提出一种能够通过全局优化策略自动在频域内建立最优近红外定量分析模型的新方法—频域自适应分析法。该方法首先将时域近红外光谱通过快速傅里叶变换转换为频域近红外信号;然后采用有效光谱能量率得到合适的频域信息范围;接着根据近红外光谱频域下的相关系数谱图、方差谱图以及谐波在频域中的坐标合理构建了频域信息量评价参数,利用该参数对模型输入变量的种群位置进行初始化;最后采用频域分区搜索和综合性能评价函数得到最佳建模方案。与此同时,结合电煤煤粉近红外图谱的特性,并以其发热量为待测目标对该方法进行了验证,取得相对较好实验效果,与传统方法主成分回归、偏最小二乘回归、反向传播神经网络以及基于遗传算法的偏最小二乘回归和支持向量机回归相比,该方法预测精度更高,并且有效避免了频域随机搜索潜在的过拟合和虚假有效模型的弊端,具有良好的应用前景。此外,该方法也可推广用于其他类型的光谱定量分析。     

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。     

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。     

超短激光脉冲作用下生物组织体光学响应的时域和频域分析──Dirichlet边界条件和无向点激励源

生物组织体在超短激光脉冲激励下的表面光学响应特性,如光子平均飞行路径、光通量、相移和调制深度等,在光学时域及频域无损测量、组织体光谱学和光学三维成象研究中具有重要的意义,而生物组织体对近红外和可见光呈现的高散射特性使得激励光子在组织体内的传输行为复杂化,精确地测定和计算上述光学响应量一直是人们感兴趣的问题.本文基于描述组织体内光子传输的扩散方程模型,阐述了时域、频域测量的等效性,从无限空间几何结构出发,逐次导出了常见几何形状均匀组织体光学响应的解析表示,在此基础上给出了典型参数下的计算结果并讨论了计算中可能出现的问题及其解决方法.     

近红外光谱组织血氧检测结果的定量化方法

近红外光谱组织血氧检测技术可实现生物组织氧代谢的无创、连续、实时监测 ,具有广泛的应用前景。由于光在生物组织中的散射行为 ,近红外光谱组织血氧检测结果的定量问题一直是这一技术能否得到广泛应用的一个关键。文章从近红外光谱组织血氧定量检测技术的理论基础和具体演算方法两方面总结至今所提出的各种算法 ,分析各种算法的特点和相应的局限性 ,并展望今后的研究方向     

激光应用 激光医学

R318．51 2005042578 生物组织光学参数的离体和在体无损测量=In vitro and in vivo noninvasive measurements for the optical properties of the biological tissues[刊,中]／张琳(南开大学物理科学学院,光子学中心,天津(300071)),张连顺…／／光子学报,-2004,33(11),-1377-1381 利用漫反射无损测量装置对实际生物组织的光学性质进行了测量。同时对人体前臂进行了在体测量,利用漫射近似所得到的两个解析表达式,对实验数据进行非线性拟合得到了两组光学特性参数,与其它文献中的结果相比     

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。     

利用近红外光谱快速检测牛奶中三聚氰胺的可行性研究

采集了22个合格液态牛奶样品,并制备了50个掺入不同含量三聚氰胺(0.1～1 500 mg·kg-1)的牛奶样品,应用近红外光谱仪扫描其透射光谱,研究利用近红外光谱快速检测牛奶中三聚氰胺的可行性。采用偏最小二乘法建立近红外光谱与牛奶中三聚氰胺含量之间的定量模型,结果表明近红外光谱受检测限的限制,难以准确预测牛奶中掺入的三聚氰胺的含量。而应用近红外光谱,结合判别偏最小二乘法建立定性模型,则可以实现对合格牛奶及掺入三聚氰胺的牛奶的定性鉴别,正确识别率达100%。因此,基于近红外光谱的检测方法可以初步判断牛奶中是否含有三聚氰胺,作为高效液相色谱法的补充,为定量检测做初步的筛查,可大大提高检测效率。