CN108670240B - 测量生物组织血容量、血氧、血流及氧代谢的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种测量生物组织血容量、血氧、血流及氧代谢的装置和方法，属于生物医学技术领域。所述装置包括：高相干激光器和激光二极管，通过发射光纤与发射探头相连，光电探测器，通过接收光纤连接到发射探头上，所述光电探测器还依次连接有计数器以及个人计算机，所述发射探头和接收探头连接到生物组织。本发明装置只需要将光纤探头放置在生物组织上，通过测量不同波长的光强度衰减来获得生物组织的血容量、血氧饱和度；通过测量高相干激光的光强归一化自相关曲线来获得血流量；通过血氧饱和度和血流量的改变即可以测量生物组织氧代谢率的变化。
Description
技术领域
本发明属于生物医学技术领域，具体为一种测量生物组织血容量、血氧、血流及氧代谢的装置和方法。
背景技术
生物组织的血容量、血氧饱和度、血流量以及氧代谢率对于生物组织测量非常重要。近红外光(650nm-950nm)在生物组织中具有非常高的穿透性，能够实现深层生物组织(深度达1-3cm)的无创测量。生物组织中对近红外光吸收的主要分子包括氧和血红蛋白(HbO2)、脱氧血红蛋白(HHb)、水和脂肪等，因此通过检测多个近红外波长的散射光强可以反演生物组织中氧和血红蛋白(HbO2)，脱氧血红蛋白(HHb)，血容量(tHb＝HbO2+HHb)、血容量、血氧饱和度(StO2＝HbO2/tHb)、水以及脂肪的浓度，称为近红外光谱技术。近红外扩散相关谱(Diffuse Correlation Spectroscopy，DCS)和近红外光谱具有相同的优点，例如相似的探测方法和相同的光穿透深度。
发明内容
本发明的目的在于提供将红外光谱技术和近红外扩散相关谱相融合，提供一种测量生物组织血容量、血氧、血流及氧代谢的装置和方法，采用本发明装置及方法可以同时实现生物组织血容量、血氧饱和度、血流量以及氧代谢率的测量。本发明目的通过以下技术方案来实现：
一种测量生物组织血容量、血氧、血流及氧代谢的装置，所述装置包括：
高相干激光器和激光二极管，通过发射光纤与发射探头相连，
光电探测器，通过接收光纤连接到接收探头上，
所述光电探测器还依次连接有计数器以及个人计算机，
所述发射探头和接收探头连接到生物组织。
作为本发明所述一种测量生物组织血容量、血氧、血流及氧代谢的装置的一个具体实施例，所述高相干激光器及激光二极管与发射光纤之间还设置有光开关；所述光电探测器为单光子探测器。
作为本发明所述一种测量生物组织血容量、血氧、血流及氧代谢的装置的一个具体实施例，所述高相干激光器的波长为600～950nm，线宽为10-5～10-4nm，功率大于50mW；所述激光二极管采用和高相干激光器不一样的波长，波长范围为600～950nm，谱线宽度为1～2nm，功率大于50mW。
作为本发明所述一种测量生物组织血容量、血氧、血流及氧代谢的装置的一个具体实施例，所述发射光纤为多模光纤，芯径为50μm，62.5μm，100μm或以上；所述发射探头为多模光纤或自聚焦透镜中的一种。
作为本发明所述一种测量生物组织血容量、血氧、血流及氧代谢的装置的一个具体实施例，所述接收光纤为单模光纤，芯径为5μm，所述接收探头为单模光纤或自聚焦透镜中的一种。
一种测量生物组织血容、血氧、血流及氧代谢的方法，所述方法采用上述所述的装置对生物组织的血容量、血氧饱和度、血流量以及氧代谢率进行测量：采用高相干光源和激光二极管混合型光源，通过光开关、发射光纤和发射探头入射到生物组织中；单光子探测器通过接收探头、接收光纤接收来自生物组织的散射光，并把光强信号转化为电脉冲，计数器对电脉冲实现计数，计算机实现光强和光强归一化自相关的计算，最后通过理论分析获得生物组织的血容量、血氧饱和度、血流量和氧代谢率的变化。
作为本发明所述一种测量生物组织血容、血氧、血流及氧代谢的方法的一个具体实施例，所述生物组织的血容量、血氧饱和度通过测量不同波长的光强度衰减来获得；所述生物组织的血流量通过测量高相干激光的光强归一化自相关曲线来获得；所述生物组织氧代谢率的变化可通过血氧饱和度和血流量来获得。
作为本发明所述一种测量生物组织血容、血氧、血流及氧代谢的方法的一个具体实施例，所述血容量tHb的计算公式为：
上式中，CHHb分别表示氧和血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度；
所述血氧饱和度StO2计算公式为：
上式中，CHHb分别表示氧和血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度。
作为本发明所述一种测量生物组织血容、血氧、血流及氧代谢的方法的一个具体实施例，所述光强归一化自相关g2(τ)的计算公式为：
上式中，< >表示对时间平均，I(t)表示t时刻的光强，I(t+τ)表示t+τ时刻的光强，τ表示延迟时间。
作为本发明所述一种测量生物组织血容、血氧、血流及氧代谢的方法的一个具体实施例，所述氧代谢率rCMRO2计算公式为：
上式中，ΔCHHb/CHHb表示脱氧血红蛋白浓度的相对变化；ΔtHb/tHb0表示血容量的相对变化；表示血流量的相对变化。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供一种测量生物组织血容量、血氧、血流及氧代谢的装置和方法，采用高相干激光和激光二极管提供混合型光源，利用光开关实现两种光源的时分复用；将混合型光入射到生物组织后，通过光电探测器对接收到的光源进行检测，最后通过计数器和个人计算机实现光强的记录和归一化自相关光强计算。本发明是一种将近红外光谱技术和近红外扩散相关谱有效融合的解决方案，能够同时测量血容量、血氧饱和度、血流量以及氧代谢率的变化。
附图说明
图1为本发明一种测量生物组织血容量、血氧、血流及氧代谢的装置的连接示意图。
图2为血流量与归一化光强自相关曲线的关系。
附图标记：1-高相干激光器，2-激光二极管，3-光开关，4-发射光纤，5-发射探头，6-生物组织，7-接收探头，8-接收光纤，9-单光子探测器，10-计数器，11-个人计算机。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合具体结构及原理对本发明一种同时测量生物组织多种性能的光学装置及方法进行详细说明。
一种测量生物组织血容量、血氧、血流及氧代谢的装置，如图1所示。所述装置包括：
高相干激光器和激光二极管，通过发射光纤与发射探头相连，
光电探测器，通过接收光纤连接到发射探头上，
所述光电探测器还依次连接有计数器以及个人计算机，
所述发射探头和接收探头连接到生物组织。
本发明光学装置中，高相干激光器，激光二极管的作用是提供光源。发射光纤以及发射探头将混合光源入射到生物组织中，接收探头、接收光纤用来将从生物组织中接收的光传递给光电探测器，光电探测器通过接收探头、接收光纤接收来自生物组织的散射光，并把光强信号转化为电脉冲，计数器的作用是实现光强的采集，计数器对单位时间内的电脉冲进行采样，单位脉冲数和光强成正比；利用计算机实现光强的记录和光强的归一化计算。
本发明光学装置中的高相干激光器为近红外扩散相关谱(Diffuse CorrelationSpectroscopy，DCS)，激光二极管为近红外光谱，采用高相干激光器和激光二极管提供不同波长光强的混合型光源。生物组织中由于存在运动散射粒子，例如红细胞等，能够造成激光散斑的强度变化，这只有采用高相干激光才能实现，因此采用高相干激光并结合相干光场扩散理论能够实现血流量测量；生物组织中氧合血红蛋白和还原血红蛋白对红外光的吸收是不同的，通过多个波长的光强变化并结合光强扩散理论能够获得生物组织的血容量和血氧饱和度，由于同时能够获得血氧饱和度以及血流量信息，同时还能实现氧代谢率的变化测量。因此，采用本发明相干光激光器、激光二极管混合型光源能够实现近红外光谱技术和近红外扩散相关谱有效融合，并结合多个波长的光强变化，实现血容量、血氧饱和度、血流量以及氧代谢率的同时测量。
所述高相干激光器及激光二极管与发射光纤之间还设置有光开关；所述光电探测器为单光子探测器。光开关用来对高相干激光器、激光二极管提供的混合光源进行控制，利用光开关实现两种光源的时分复用，光开关能够使两个光源同时从一个光源端口出射，保证了两种光源能够精确测量生物组织的同一位置。本发明优选单光子探测器作为光电探测器，这是因为单模光纤接收的散射光强极其微弱，因此光电探测器要具有单光子探测能力，并把光子脉冲转化为电脉冲，采用其他类型探测器无法有效将两种光源进行融合。
进一步，所述高相干激光器的波长为600～950nm，线宽为10-5～10-4nm，功率大于50mW。激光器具有高度相干性，波长范围在600～950nm，线宽在10-5～10-4nm，从而保证从生物组织中散射的光信号能够相互干涉，通过测量光强的归一化自相关来获取血流量。
进一步，所述激光二极管采用和高相干激光器不一样的波长，波长范围为600～950nm，谱线宽度为1～2nm，功率大于50mW。激光二极管采用和高相干激光器不一样的波长，波长范围为600～950nm，谱线宽度为1～2nm，通过测量两个或者以上波长的散射光强，可以反演血容量、血氧饱和度以及血流量。
进一步，所述发射光纤为多模光纤，芯径为50μm，62.5μm，100μm或以上。将发射光纤优选为多模光纤是因为多模光纤和激光器的耦合比单模光纤更为容易。
进一步，所述发射探头为多模光纤或自聚焦透镜中的一种。
进一步，所述接收探头为单模光纤或自聚焦透镜中的一种。
进一步，所述接收光纤为单模光纤，芯径为5μm。
一种测量生物组织血容、血氧、血流及氧代谢的方法，所述方法采用上述所述的装置对生物组织的血容量、血氧饱和度、血流量以及氧代谢率进行测量：采用高相干光源和激光二极管混合型光源，通过光开关、发射光纤和发射探头入射到生物组织中；单光子探测器通过接收探头、接收光纤接收来自生物组织的散射光，并把光强信号转化为电脉冲，计数器对电脉冲实现计数，计算机实现光强和光强归一化自相关的计算，最后通过理论分析获得生物组织的血容量、血氧饱和度、血流量和氧代谢率的变化。
进一步，所述生物组织的血容量、血氧饱和度通过测量不同波长的光强度衰减来获得；所述生物组织的血流量通过测量高相干激光的光强归一化自相关曲线来获得；所述生物组织氧代谢率的变化可通过血氧饱和度和血流量来获得。
利用本发明装置及方法对生物组织的血容量、血氧饱和度、血流量以及氧代谢率进行测量的具体计算过程如下：
设高相干激光器的波长为λ1，光探头发射的光功率为接收的相应光功率为激光二极管的波长为λ2，光探头发射的光功率为/>接收的相应光功率为/>生物组织中的吸收主要是氧和血红蛋白和脱氧血氧蛋白，根据ModifiedBeer-Lambert定律：
其中CHHb分别表示氧和血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度；/>和分别表示血红蛋白和脱氧血红蛋白在波长λ1处的消光系数，为已知量；/>和分别表示血红蛋白和脱氧血红蛋白在波长λ2处的消光系数；DPF(λ1)和DPF(λ2)分别表示波长λ1和波长λ2的光在生物组织中传输的差分路径系数，与生物组织的具体结构以及光学性质有关；d表示发射探头和接收探头的间距；
因此，总的血容量tHb为
血氧饱和度StO2为
在生物样品中普遍存在运动散射颗粒(例如红细胞、微生物等)会造成近红外相干散射光场的相位变化，利用散射光场的互相关来描述散射光场的相位变化。散射光场的互相关遵循和近红外扩散方程类似的相关谱扩散方程(1，2)。在无限扩散模型，光强自相关函数为
其中G1(ρ,τ)＝<；E*(ρ,t)E(ρ,t+τ)>；表示光场自相关；E(ρ,t+τ)表示位于ρ处t+τ时刻的光场强度，E*(ρ,t)表示位于ρ处t时刻的光场强度复共轭；S表示各向同性光源的总发射功率；μa表示吸收系数；μ′s表示约化散射系数；k0表示波矢；DB表示布朗扩散系数，能够表征强散射介质的动态特性；τ表示时间延迟，时间延迟越大，相关强度越小；ρ表示源和探测器的间距。
实际测量的是归一化的光强自相关，即
g2(τ)＝<I(t)I(t+τ)>/<I(t)>2 (2)
这里的I(t)表示光强度，利用Siegert关系能够把归一化光强自相关和归一化光场自相关联系起来，即
g2(τ)＝1+β|g1(τ)|2(3)
上式中，β是一个常数，取决光学收集装置和光源特性；
g1(τ)＝G1(τ)/G1(0)是归一化光场自相关；
血流量越大，归一化光强自相关曲线下降越快，如图2所示。通过拟合归一化光强自相关曲线便可以得到β和DB,其中DB就是血流量。
通过血容量、氧合血红蛋白以及血流量的结果，就可以获得氧代谢率rCMRO2变化：
上式中，ΔCHHb/CHHb表示脱氧血红蛋白浓度的相对变化；ΔtHb/tHb0表示血容量的相对变化；表示血流量的相对变化。/>血流量的变化可以根据血流量从图2中得到。
本发明提供一种测量生物组织血容量、血氧、血流及氧代谢的装置和方法，采用高相干激光和激光二极管提供混合型光源，利用光开关实现两种光源的时分复用；将混合型光入射到生物组织后，通过光电探测器对接收到的光源进行检测，最后通过计数器和个人计算机实现光强的记录和归一化自相关光强计算。本发明是一种将近红外光谱技术和近红外扩散相关谱有效融合的解决方案，能够同时测量血容量、血氧饱和度、血流量以及氧代谢率的变化。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种测量生物组织血容量、血氧、血流及氧代谢的装置，其特征在于，包括：
高相干激光器和激光二极管，通过发射光纤与发射探头相连，
光电探测器，通过接收光纤连接到接收探头上，
所述光电探测器还依次连接有计数器以及个人计算机，
所述发射探头和接收探头连接到生物组织；
所述高相干激光器的波长为600～950nm，线宽为10-5～10-4nm，功率大于50mW；所述激光二极管采用和高相干激光器不一样的波长，波长范围为600～950nm，谱线宽度为1～2nm，功率大于50mW；
所述高相干激光器及激光二极管与发射光纤之间还设置有光开关；所述光电探测器为单光子探测器；所述光开关用来对高相干激光器、激光二极管提供的混合光源进行控制；
所述高相干激光器为近红外扩散相关谱，激光二极管为近红外光谱。
2.如权利要求1所述一种测量生物组织血容量、血氧、血流及氧代谢的装置，其特征在于，所述发射光纤为多模光纤，芯径为50μm，62.5μm或100μm；所述发射探头为多模光纤或自聚焦透镜中的一种。
3.如权利要求1所述一种测量生物组织血容量、血氧、血流及氧代谢的装置，其特征在于，所述接收光纤为单模光纤，芯径为5μm，所述接收探头为单模光纤或自聚焦透镜中的一种。
4.一种测量生物组织血容、血氧、血流及氧代谢的方法，其特征在于，所述方法采用权利要求1至3任一项所述的装置对生物组织的血容量、血氧饱和度、血流量以及氧代谢率进行测量：采用高相干光源和激光二极管混合型光源，通过光开关、发射光纤和发射探头入射到生物组织中；单光子探测器通过接收探头、接收光纤接收来自生物组织的散射光，并把光强信号转化为电脉冲，计数器对电脉冲实现计数，计算机实现光强和光强归一化自相关的计算，最后通过理论分析获得生物组织的血容量、血氧饱和度、血流量和氧代谢率的变化；所述生物组织的血容量、血氧饱和度通过测量不同波长的光强度衰减来获得；所述生物组织的血流量通过测量高相干激光的光强归一化自相关曲线来获得；所述生物组织氧代谢率的变化可通过血氧饱和度和血流量来获得。
5.如权利要求4所述一种测量生物组织血容、血氧、血流及氧代谢的方法，其特征在于，所述血容量tHb的计算公式为：
上式中，CHHb分别表示氧和血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度；
所述血氧饱和度StO2计算公式为：
上式中，CHHb分别表示氧和血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度。
6.如权利要求4所述一种测量生物组织血容、血氧、血流及氧代谢的方法，其特征在于，所述光强归一化自相关g2(τ)的计算公式为：
上式中，< >表示对时间平均，I(t)表示t时刻的光强，I(t+τ)表示t+τ时刻的光强，τ表示延迟时间。
7.如权利要求4所述一种测量生物组织血容、血氧、血流及氧代谢的方法，其特征在于，所述氧代谢率rCMRO2计算公式为：
上式中，ΔCHHb/CHHb表示脱氧血红蛋白浓度的相对变化；ΔtHb/tHb0表示血容量的相对变化；表示血流量的相对变化。
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