CN112244822A - 一种基于近红外宽带光谱的组织氧代谢率检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于近红外宽带光谱的组织氧代谢率检测装置及方法，实现对被测组织氧代谢率的检测。包括光源、探测器、上位机、光开关、光纤和探头。光源模块包括近红外波段的卤素灯和长相干激光器，卤素灯用来测量血氧，激光器用来测量血流，两者与Y型光纤耦合后，近红外宽带光谱经光开关切换，照射至被测组织表面的不同位置点。探测器为光谱仪，与光纤耦合后与光开关相连，用于探测经光源照射后被测组织散射光强的变化。具体而言，光谱仪通过光开关的切换探测对应位置点处的近红外宽带光谱强度，并输出信号至计算机进行计算。测量探头中光源光纤与探测光纤为排列分布可实现不同位置和不同深度组织氧代谢率的检测。
Description
技术领域
本发明涉及生物医学工程技术领域，尤其涉及一种基于近红外宽带光谱的组织氧代谢率检测装置及方法。
背景技术
组织氧代谢率(Oxygen Metabolic Rate,MRO2)是与生理和病理状态密切相关的参数，是衡量机体正常与否的重要指标，在脑疾病、乳腺癌以及心血管类疾病等的诊断和治疗中具有关键性的指导意义[1-2]。特别是当其应用于对有氧代谢有很强依赖性的脑组织测量时，脑组织氧代谢率(Cerebral Oxygen Metabolic Rate,CMRO2)的重要性更是不可言喻。组织代谢率的测量既要获取被测组织血氧的变化又要同时检测到被测组织血流的变化，因而组织氧代谢检测装置需同时满足组织血氧和组织血流的检测。
近红外光谱(650nm-950nm)对于生物组织具有良好的穿透性，近红外光谱技术(Near Infrared Spectroscopy,NIRS)，又被称作扩散光学光谱(Diffuse OpticalSpectroscopy,DOS)利用近红外光谱这一特性实现了深层生物组织血红蛋白(HbO2)、脱氧血红蛋白(Hb)和血氧饱和度(StO2)的无创测量，并且广泛应用于脑疾病、乳腺癌以及心血管类疾病的早期诊断中[3-4]。在深层生物组织血流检测方面，激光多普勒(Laser Doppler,LD)穿透深度低、核磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)时间分辨率低且不能长时间实时床边诊断、正电子发射断层成像技术(Positron Emission Tomography,PET)存在辐射损害。扩散相关光谱(Diffuse Correlation Spectroscopy,DCS)利用近红外光谱照射到组织表面，通过计算组织表面散射光斑的光强自相关函数(g2(τ))推算组织中红细胞的运动状态，计算得出血流指数(BFI)，从而实现组织血流(BF)的定量检测[5-7]。相比于现有血流检测技术，扩散相关光谱具有无创、实时、长时间床边检测、成本低、易操作等优势，可广泛应用于深层组织血流的检测。
由于上述两种技术均以近红外光谱为光源且均采用漫反射式的测量方式，因此可考虑将两种技术结合实现组织血氧和组织血流的同时检测。然而，已有方法只是将两种技术在测量装置上整合，以增加通道数的方式实现组织血氧和组织血流的分别检测，并没有实现对组织氧代谢率(MRO2)的检测。
参考文献：
[1]J.Mayhew,et al.,“Spectroscopic analysis of neural activity inbrain:Increased oxygen consumption following activation of barrel cortex,”NeuroImage 12(6),664–675(2000).
[2]R.Valabregue,et al.,“Relation between cerebral blood flow andmetabolism explained by a model ofoxygen exchange,”J.Cereb.Blood Flow andMetab.23,536–45(2003).
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[4]A.Leproux et al.,“Performance assessment of diffuse opticalspectroscopic imaging instruments in a 2-year multicenter breast cancertrial,”J.Biomed.Opt.22(12),1(2017)
[5]T.Durduran and A.G.Yodh,“Diffuse correlation spectroscopy for non-invasive,micro-vascular cerebral blood flow measurement,”Neuroimage 85,51,Elsevier Inc.(2014).
[6]W.B.Baker et al.,“Effects of exercise training on calf muscleoxygen extraction and blood flow in patients with peripheral artery disease,”J.Appl.Physiol.123(6),1599–1609(2017).
[7]Z.Li et al.,“Calibration of diffuse correlation spectroscopy bloodflow index with venous-occlusion diffuse optical spectroscopy in skeletalmuscle,”J.Biomed.Opt.20(12),125005(2015).
发明内容
本发明提供一种基于近红外宽带光谱的组织氧代谢率检测装置及方法，旨在有机融合扩散光学光谱(DOS)和扩散相关光谱(DCS)两种技术，在获得组织血氧变化和组织血流变化的同时，实现组织氧代谢率的检测。本发明从两种技术的基本原理出发，旨在实现两种技术的有机融合，提供一种方便快捷的组织氧代谢率检测装置及方法。首先，改变两种技术相对独立的光源模块，无需分别照射被测组织；进而，改变两种技术原有的探测方式，可同时实现散射光强衰减和光强自相关衰减程度快慢的测量。
详见下文描述：
一种基于近红外宽带光谱的组织氧代谢率检测装置及方法，所述装置包括：
(1)光源模块由近红外波段的卤素灯和长相干激光器组成，两者分别与光源光纤耦合，近红外光经1×NA路光开关A切换后，通过光源光纤传输依次照射至被测组织表面的不同位置点处。其中，卤素灯和激光器分别作为组织血氧和组织血流检测的光源，光开关A用于完成不同光源位置点的切换。
(2)探测器为近红外波段光谱仪，与探测光纤耦合后与NB×1路光开关B相连，用于实现经光源照射后被测组织散射光强的探测。具体而言，被测组织的散射光经过探测光纤传输后经由光开关B，依次将不同位置点处的光强传输至光谱仪，光谱仪可实现卤素灯和激光器光强的同时检测。
(3)上位机模块利用获得的近红外宽带光谱光强数据计算出组织血氧和组织血流，从而基于组织血氧和组织血流以实现组织氧代谢的检测。
(4)测量探头排列分布着光源光纤探头和探测光纤探头，可依据探头距离的大小和实现不同深度组织氧代谢的检测。
进一步地，本发明所述光源模块中的卤素灯，采用光纤输出，输出波长范围为360nm-2500nm，可覆盖可见到近红外波段。
进一步地，本发明所述光源模块中的长相干激光器，其功率大于50mW，相干长度为10m以上，波长范围为650nm-950nm，中心波长可选择为685nm、785nm或者830nm，经多模光纤传导。
进一步地，本发明所述探测器为光谱仪，波长范围为200nm-1100nm，分辨率为2.4nm，积分时间为1.05ms-10min。
进一步地，本发明所述光源光纤为多模光纤，芯径为50μm、62.5μm、100μm或以上。
进一步地，本发明所述探测光纤为多模光纤，芯径为50μm、62.5μm、100μm或以上。
进一步地，本发明所述上位机可实现对卤素灯和激光器产生的近红外宽带光强的检测，依据不同波长下光强衰减程度的不同计算出组织血氧饱和度和组织血流变化，继而在两者的基础上完成组织氧代谢率的计算，最终实现上述多项参数的显示。
进一步地，本发明所述血氧饱和度计算公式为：
式中，CHbO2为氧合血红蛋白浓度，CHb为脱氧血红蛋白的浓度。
进一步地，本发明所述血流指数计算公式为：
式中，Kt＝δt/<I>为时间散斑对比度，δt为光强标准差，<I>为光强平均强度，<>代表时间上取平均。
进一步地，本发明所述组织氧代谢率和组织血氧饱和度、组织血流之间的关系为：
rMRO2＝rOEF×rBF
式中，r代表相对变化量，即rMRO2为相对氧代谢率，rOEF为相对氧摄取分数，rBF为相对血流。
有益效果
本发明提供一种基于近红外宽带光谱的组织氧代谢率检测装置及方法，借助卤素灯和长相干激光器实现近红外宽带光源照射被测组织表面，并利用光谱仪采集光源光强变化，实现对组织血氧饱和度、组织血流、组织氧代谢率等多个参数的检测。此外，本装置的测量探头可依据光源光纤和探测光纤两者间距调节实现不同深度的测量，并且可通过光开关增加测量位置点，实现不同位置点的测量。特别注意的是，只需增加光开关的路数即可实现多个深度和多个位置点的测量，亦可实现组织血氧饱和度、组织血流、组织氧代谢率等参数的拓扑成像。
附图说明
图1为基于近红外宽带光谱的组织氧代谢率检测装置系统示意图；
图2为测量探头中光源光纤和探测光纤排列分布示意图；
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1：卤素灯 2：激光器
3：Y型光纤 4：光开关A
5：光源光纤 6：测量探头
7：被测组织 8：探测光纤
9：光开关B 10：光谱仪光纤
11：光谱仪 12：电缆
13：计算机
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明提供一种基于近红外宽带光谱的组织氧代谢率检测装置，图1展示了本发明所述的基于近红外宽带光谱的组织氧代谢率检测装置系统框图，该装置包括：
卤素灯(1)，采用光纤输出，输出波长范围为360nm-2500nm，可覆盖可见到近红外波段。本公开实施例中列举了卤素灯的波长覆盖范围为360nm-2500nm，覆盖了可见到近红外波段，可根据实际需求只选择覆盖近红外波段，亦可以增加波长覆盖范围。
长相干激光器(2)，激光器的波长可在650nm-950nm之间进行选择，相干长度大于10m，功率大于50mW。本公开实施例中列举了激光器的中心波长为785nm，可根据实际需求选择其他波长，如685nm、830nm等近红外波段的波长。
Y型光纤(3)，为多模光纤，芯径为50μm、62.5μm、100μm或以上。该光纤将卤素灯和激光器输出的近红外宽带光谱合并输出给光开关A。
光开关A(4)为1×NA路光开关，其中NA为光源探头个数，满足NA≥2。光开关A将光源模块发出的近红外宽带光谱依次切换至不同的光源光纤，光纤传导后照射在被测组织表面。本公开实施例中光源探头个数NA为6，如图2所示，亦可以根据实际需求增加或减少NA的数目。
光源光纤(5)，为多模光纤，芯径为50μm、62.5μm、100μm或以上。
测量探头(6)用于排列分布光源探头和探测探头，该排列分布示意图如图2所示，其中
代表光源探头，●代表探测探头。本公开实施例中光源探头和探测探头的排布以两个探测探头的中心线左右对称分布，两个探测探头的间距为10mm。左侧探测探头与其左侧三个光源探头的距离均为10mm，同样，右侧探测探头与其右侧三个光源探头的距离均为10mm。因此，左侧探头距离其左侧三个光源探头的距离均为10mm，距离右侧三个光源探头的距离依次为17.3mm、20mm和17.3mm；同样，右侧探头距离其右侧三个光源探头的距离均为10mm，距离左侧三个光源探头的距离依次为17.3mm、20mm和17.3mm。即，本公开实施例中光源探头和探测探头之间共有4种不同的间距，分别是6个10mm、4个17.3mm和2个20mm。本公开实施例所述的探头排布只是作为具体实施例，亦可以根据实际需求增加或者减小探头数目，从而达到增大或者减小检测范围的目的。
被测生物组织体(7)，例如脑部、乳腺、骨骼肌等人体部位，但不局限于上述组织。
探测光纤(8)，为多模光纤，芯径为50μm、62.5μm、100μm或以上。
光开关B(9)为NB×1路光开关，其中NB为探测探头的个数，本公开实施例中光源探头个数为2，如图2所示，亦可以根据实际需求增加NB的数目。
光谱仪光纤(10)，为多模光纤，芯径为50μm、62.5μm、100μm或以上。
光谱仪(11)，用于接收经光源照射后被测组织体表面的散射光斑强度，能够记录近红外宽带光谱光强变化的情况。
电缆(12)，用于数据传输。
计算机(13)，依据不同波长下光强衰减程度的不同计算出组织血氧饱和度和组织血流变化，继而在两者的基础上完成组织氧代谢率的计算，最终实现上述多项参数的显示。
进一步，本发明还提供一种基于近红外宽带光谱的组织氧代谢率检测方法，利用所述装置可完成对组织血氧饱和度、组织血流和组织氧代谢率的检测。具体步骤如下：
步骤一：将测量探头固定于被测组织表面，根据需求确定所需的光源探头和探测探头位置点，在上位机中设置光开关的切换。打开卤素灯和激光器，经光开关A完成位置点切换后，经光源光纤传导照射至所被测组织所需的位置点。
步骤二：光谱仪通过光开关B的切换探测对应位置点处的近红外宽带光谱强度，对该位置点处宽带光谱光强进行检测，并输出信号至计算机。
步骤三：计算机对步骤二传输的光强信号进行计算，分别推导得出组织血氧饱和度、组织血流数据，并在两者基础上计算出组织氧代谢率。待所有测量位置点处数据检测处理完成后，计算机依据光源探头与探测探头距离的不同实现对被测生物组织不同深度组织氧代谢率的检测。
进一步，本发明所述基于近红外宽带光谱的组织氧代谢率检测装置和方法，对组织含氧血红蛋白浓度、组织脱氧血红蛋白浓度、组织血氧饱和度、组织血流和组织氧代谢率的具体计算过程如下：
对于步骤三所得近红外宽带光强数据，可得到不同时刻的光强信号I(t)，依据修正的朗伯比尔定律，含氧血红蛋白浓度和脱氧血红蛋白浓度变化计算公式如下：
其中，
为氧合血红蛋白浓度变化，ΔCHb(t)为脱氧血红蛋白的浓度变化，
分别代表氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白在波长λ1和λ2下对应的摩尔消光系数，I(λ1,t)与I(λ1,t)分别代表在波长为λ1和λ2时刻为t时的光强，
与
分别代表波长λ1与λ2对应的路径差分因子。卤素灯用来测量组织含氧血红蛋白浓度变化
和组织脱氧血红蛋白浓度变化ΔCHb(t)。
因此，组织血氧饱和度的计算公式
可转换为：
式中，
为氧合血红蛋白浓度，CHb为脱氧血红蛋白的浓度，
与CHb(0)分别代表初始时刻(即t＝0时)氧合血红蛋白浓度和脱氧血红蛋白的浓度。
关于组织血流的计算，前文已经介绍过血流指数计算公式为：
式中，Kt＝δt/<I>为时间散斑对比度，δt为光强标准差，<I>为光强平均强度，<>代表时间上取平均。激光器用来测量组织血流数据指数BFI。
血流(BF)与血流指数(BFI)的关系如下：
BF＝γBFI
其中，BF为血流，单位为mL·100mL-1·min-1；BFI为血流指数，单位为cm2/s；γ为比例常数，单位为(mL·100mL-1·min-1)/(cm2/s)。
相对血流(relative blood flow,rBF)的计算公式如下：
其中，BF0与BFI0分别代表初始时刻的血流和血流指数。
关于组织氧代谢率的计算，前文已经介绍过组织氧代谢率和组织血氧饱和度、组织血流之间的关系为：
rMRO2＝rOEF×rBF
式中，r代表相对变化量，即rMRO2为相对氧代谢率，rOEF为相对氧摄取分数，rBF为相对血流。
相对氧摄取分数rOEF为：
式中，SaO2为动脉血氧饱和度，SaO2(0)和SaO2(t)分别代表初始时刻(即t＝0时)和t时刻的动脉血氧饱和度，StO2(0)和StO2(t)分别代表初始时刻(即t＝0时)和t时刻的组织血氧饱和度。通常情况下，可假设：SaO2＝1，因此，相对氧摄取分数rOEF可表示为：
那么，可得相对组织氧代谢率(rMRO2)为：
式中，StO2(0)和StO2(t)分别代表初始时刻(即t＝0时)和t时刻的组织血氧饱和度，rBF为相对血流量。至此，式中变量均可通过测量计算得出。
最后所应说明的是，虽然本发明参照当前的较佳实施方式进行了描述，但本领域的技术人员应能理解，上述较佳实施方式仅用来说明本发明，并非用来限定本发明的保护范围，任何在本发明的精神和原则范围之内，所做的任何修饰、等效替换、改进等，均应包含在本发明的群里保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于近红外宽带光谱的组织氧代谢率检测装置，其特征在于：
包括卤素灯(1)，长相干激光器(2)，Y型光纤(3)，光开关A(4)，光源光纤(5)，测量探头(6)，探测光纤(8)，光开关B(9)，探测器(11)，上位机(13)，其中，测量探头(6)包含了光源探头(6-1)和探测探头(6-2)；
近红外波段的卤素灯(1)和长相干激光器(2)作为光源，与Y型光纤(3)耦合，经光开关A(4)切换后与光源探头(6-1)相连，照射到被测组织体表面，其中，卤素灯用来测量组织含氧血红蛋白浓度变化
和组织脱氧血红蛋白浓度变化ΔCHb(t)，激光器用来测量组织血流数据指数BFI；
光开关A(4)，输入端与光源连接，输出端通过光源光纤(5)与光源探头(6-1)相连，完成将近红外宽带光谱切换至组织体表面不同位置点，即光源位置切换；
测量探头(6)放置于组织体表面，排列分布着光源探头(6-1)与探测探头(6-2)，光源探头(6-1)用于将光源发出的近红外宽带光谱照射到组织表面，探测探头(6-2)用于从组织表面探测光强信息，光源探头与探测探头距离不同测量的深度不同；
光开关B(9)通过探测光纤(8)与不同检测位置的探测探头(6-2)相连，输出与探测器(11)相连，用于实现组织体表面不同检测位置探测光强信息的接收选择，即探测位置切换选择；
探测器(11)用于接收通过光开关B(9)选择后的，经近红外宽带光源照射、且被待测组织体表面散射的光斑强度，实现不同检测位置的光强测量；
上位机依据不同波长下光强衰减程度的不同计算出组织血氧饱和度和组织血流变化，继而在两者的基础上完成组织氧代谢率的计算，最终实现上述多项参数的显示。
2.根据权利要求1所述的一种基于近红外宽带光谱的组织氧代谢率检测装置，其特征在于，所述的卤素灯(1)采用光纤输出，输出波长范围为360nm-2500nm，覆盖可见到近红外波段；所述的长相干激光器相干长度为10m以上，波长范围为650nm-950nm；所述的光开关A为1×NA路光开关，其中NA≥2；所述的光开关B为NB×1路光开关，其中NB为探测探头(6-2)的个数。
3.根据权利要求1所述的一种基于近红外宽带光谱的组织氧代谢率检测装置，其特征在于，所述的Y型光纤(3)与光源光纤(5)为多模光纤，芯径为50μm、62.5μm、100μm或以上。
4.根据权利要求1所述的一种基于近红外宽带光谱的组织氧代谢率检测装置，其特征在于，所述的探测器(11)为光谱仪；光谱仪通过光谱仪光纤(10)与光开关B(9)相连；所述的光谱仪光纤(10)与探测光纤(8)为多模光纤，芯径为50μm、62.5μm、100μm或以上。
5.一种基于近红外宽带光谱的组织氧代谢率检测方法，基于一种基于近红外宽带光谱的组织氧代谢率检测装置，其特征在于包括以下步骤：
(1)将测量探头固定于被测组织表面，根据需求确定所需的光源探头和探测探头位置点，在上位机中设置光开关A的切换；打开卤素灯和激光器，依次经光开关A完成位置点切换、经光源光纤传导照射至所被测组织所需的位置点，其中，卤素灯用来测量组织含氧血红蛋白浓度变化ΔCHbO2(t)和组织脱氧血红蛋白浓度变化ΔCHb(t)，激光器用来测量组织血流数据指数BFI；
(2)光谱仪通过光开关B的切换探测对应位置点处的近红外宽带光谱强度，对该位置点处宽带光谱光强进行检测，并输出信号至计算机。
(3)计算机对步骤二传输的光强信号进行计算，分别推导得出组织血流数据指数BFI，组织含氧血红蛋白浓度变化ΔCHbO2(t)和组织脱氧血红蛋白浓度变化ΔCHb(t)，并在两者基础上计算出组织血氧饱和度StO2(t)、相对组织氧摄取分数rOEF、相对组织氧代谢率rMRO2，待所有测量位置点处数据检测处理完成后，计算机依据光源探头与探测探头距离的不同实现对被测生物组织不同深度相对组织氧代谢率rMRO2的检测。
6.根据权利要求5所述的一种基于近红外宽带光谱的组织氧代谢率检测方法，其特征在于，所述组织血流指数BFI的计算公式为：
式中，Kt＝δt/<I>为时间散斑对比度，δt为光强标准差，<I>为光强平均强度，<>代表时间上取平均。
7.根据权利要求5所述的一种基于近红外宽带光谱的组织氧代谢率检测方法，其特征在于，组织含氧血红蛋白浓度变化和组织脱氧血红蛋白浓度变化计算公式如下：
其中，
为组织含氧血红蛋白浓度变化，ΔCHb(t)为脱氧血红蛋白的浓度变化，
分别代表氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白在波长λ1和λ2下对应的摩尔消光系数，I(λ1,t)与I(λ1,t)分别代表在波长为λ1和λ2时刻为t时的光强，
与
分别代表波长λ1与λ2对应的路径差分因子。
8.根据权利要求5所述的一种基于近红外宽带光谱的组织氧代谢率检测方法，其特征在于，所述组织血氧饱和度的计算公式为：
式中，
为氧合血红蛋白浓度，CHb为脱氧血红蛋白的浓度，
与CHb(0)分别代表初始时刻(即t＝0时)氧合血红蛋白浓度和脱氧血红蛋白的浓度。
9.根据权利要求5所述的一种基于近红外宽带光谱的组织氧代谢率检测方法，其特征在于，所述相对组织氧摄取分数rOEF的计算公式为：
其中，StO2(0)代表初始时刻(即t＝0时)的组织血氧饱和度。
10.根据权利要求5所述的一种基于近红外宽带光谱的组织氧代谢率检测方法，其特征在于，所述相对组织氧代谢率rMRO2的计算公式为：
rMRO2＝rOEF×rBF
式中，rBF为相对组织血流，具体计算公式如下：
其中，BF0代表初始时刻的血流，
BF为组织血流，单位为mL·100mL-1·min-1，具体计算公式如下：
BF＝γBFI
其中，γ为比例常数，单位为(mL·100mL-1·min-1)/(cm2/s)，故
其中，BF0与BFI0分别代表初始时刻的血流和血流指数，因此，可由组织血流指数的变化即可求得组织血流变化。
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