CN113907724A - 一种胰腺整体微循环功能测评及可视化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种胰腺整体微循环功能测评及可视化方法，所述方法包括对胰腺整体微循环氧参数和微循环血流动力学参数的捕获，胰腺整体微循环功能数据预处理，以及胰腺整体微循环功能可视化工程，构建三维可视化模型，通用微循环框架和小波分析方法，对胰腺整体微循环功能进行可视化呈现。相比现有技术，本发明通过胰腺整体微循环血流动力学和微循环氧指标的捕获和分析，实现准确而全面地描述胰腺整体微循环整体功能特征。此外，本发明通过“通用微循环框架”实现胰腺整体微循环功能的可视化工程，提高了胰腺整体微循环功能特征展示的科学性。
Description
技术领域
本发明属于数据分析技术领域，特别涉及一种胰腺整体微循环功能测评及可视化方法。
背景技术
胰腺微循环负责内分泌部和外分泌部氧和营养物质的交换，并通过胰岛素转运维持葡萄糖代谢稳态，故胰腺微循环对胰腺正常生理功能至关重要。胰腺通过微血管网络将内分泌和外分泌部分连接成一个独立整体，故胰腺微循环具有结构整体性。国内、外学者对“胰腺微循环与糖尿病等代谢疾病密切相关”已形成共识，即胰腺微循环功能异常可能参与了诸多疾病的发病机制。因此，科学和准确地测评胰腺微循环功能具有必要性和转化医学价值。
现有技术主要通过微循环显微镜观察胰腺小叶毛细血管密度、微血管管径等参数，存在以下客观缺点：
（1）指标单一不全面。现有技术仅可对胰腺小叶毛细血管密度、微血管管径等大体结构指标进行观察，上述指标属于组织结构层面，无法科学和准确描绘胰腺微循环功能状态。
（2）依托现有技术测量的胰腺小叶毛细血管密度、微血管管径受显微镜观测尺度限制，准确性存在缺陷。同时，依托显微镜大体观察方法，无法实现对胰腺微循环微血流动力学和微循环氧指标的全面关注。上述客观缺点进一步影响胰腺整体微循环功能测评和可视化的科学性、全面性和准确性。
因此，如何提高胰腺整体微循环功能特征展示的科学性及准确性，是目前需要解决的问题。
发明内容
为克服现有技术中存在的问题，本发明旨在提出一种胰腺整体微循环功能测评及可视化方法，通过胰腺整体微循环血流动力学和微循环氧指标的捕获和分析，实现准确而全面地描述胰腺整体微循环整体功能特征。此外，本发明通过“通用微循环框架”实现胰腺整体微循环功能的可视化工程，提高了胰腺整体微循环功能特征展示的科学性。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种胰腺整体微循环功能测评及可视化方法，包括以下步骤：
步骤1，胰腺整体微循环氧参数和微循环血流动力学参数的捕获：
将微循环氧分压监测仪和双通道激光多普勒监测仪两台设备的光探针集成至微米立体定位仪上，利用微米立体定位仪将两台设备的光学探针引导至胰腺上方1mm处，用白光和激光两种光源，同时采集胰腺整体微循环功能参数，包括胰腺微循环组织氧分压（PO2）、胰腺微循环血流灌注水平（BP）和血流灌注速度（V），将采集到的数据分别保存为无损数据格式，备解析；
步骤2，胰腺整体微循环功能数据预处理：
将步骤1捕获到的胰腺整体微循环功能参数数据导入数据预处理模块，通过箱线图算法，处理离群的胰腺整体微循环功能参数数据；
步骤3，胰腺整体微循环功能可视化工程：
步骤3.1，三维可视化模型构建：导入步骤2预处理后的胰腺整体微循环功能参数数据，并将上述胰腺整体微循环功能参数数据进行无量纲化处理，将胰腺整体微循环功能参数数据统一投射在[0, 1]区间内，使用Python和ECharts生成胰腺整体微循环功能三维可视化模块，其中，将时间、微循环功能参数变量及微循环功能参数变量值分别定义为模块X轴、Y轴和Z轴；
步骤3.2，胰腺整体微循环功能单轴气泡图：
导入步骤2预处理后的胰腺整体微循环功能参数数据，使用ECharts生成胰腺整体微循环功能单轴气泡图，实现胰腺整体微循环功能参数分布和权重关联分析；
步骤3.3，小波变换频谱分析：
导入步骤2预处理后的胰腺整体微循环功能参数数据，根据微循环血流灌注信号频率可划分为n种频段来源信号幅值，通过上述n种频段来源信号幅值，生成生物组织微血管血流灌注、血流速度及红细胞密度信号在特征频段的二维分布图；通过时间、频率和微循环特征来源幅值三个维度指标绘制生物组织微循环血流灌注信号三维时频图；通过雷达图展示胰腺整体微循环功能相关幅值的分布模式。
进一步的，步骤2中处理离群的胰腺整体微循环功能参数时，定义Q1为25%最大值，Q3为75%最大值，Q3与Q1之间的差值为四分位距IQR，并设定（Q1 – 1.5 × IQR）和（Q3 +1.5× IQR）为微循环功能参数边界值，超过边界值微循环功能数据视为离群值，并调整为正常范围边界值。
进一步的，步骤3.2所述气泡图中横轴表示胰腺整体微循环功能参数数据分布的取值范围，均分为m个区间，并使用数字对连续区间进行标记，微循环功能参数数据分布量与“气泡”面积成正比：圆形面积越小，表示越少的微循环功能数据在此区间。
进一步的，步骤3.3中根据微循环血流灌注信号频率可划分为6种频段来源信号幅值，分别为2~5 Hz的心源幅值，0.4~2 Hz的呼吸源幅值，0.15~0.4 Hz的肌源幅值，0.04~0.15 Hz的神经源幅值，0.0095~0.04 Hz的一氧化氮依赖性内皮细胞源幅值和0.005~0.0095 Hz的一氧化氮非依赖性内皮细胞源幅值。
本发明相比现有技术的有益效果为：
本发明所述胰腺整体微循环功能包括微循环血流动力学（含微循环血流灌注和血流速度）和微循环氧（微循环氧分压）两个维度，与现有技术对胰腺小叶毛细血管密度、微血管管径等大体结构指标观察，通过组织结构维度评价微循环功能相比，更为全面地评价胰腺整体微循环功能。同时，本发明通过计算机算法清洗商用仪器捕获的微循环功能数据（预处理），实现对微循环功能数据中异常值和离群值的自动化剔除和调整，提高了胰腺整体微循环功能测评的准确性、科学性。最后，本发明基于“通用微循环框架”和小波分析等计算机数据分析和可视化策略，实现了胰腺整体微循环功能的可视化工程，提高了生物组织整体微循环功能特征展示的科学性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为现有技术的技术方案图；
图2为本发明所述胰腺组织整体微循环功能测评及可视化方法的流程示意图；
图3为本发明所述胰腺组织整体微循环功能测评及可视化方法的模式图；
图4为实施例1胰腺组织整体微循环功能三维可视化视图；（a）胰腺组织整体微循环三维可视化直方图，（b）胰腺组织整体微循环三维可视化散点图；其中，PO2：微循环组织氧分压，BP：微循环血流灌注水平，V：微循环血流灌注速度；
图5为利用测试数据生成的单轴气泡图；
图6为实施例1胰腺组织微循环功能单轴气泡图；其中，PO2：微循环组织氧分压，BP：微循环血流灌注水平，V：微循环血流灌注速度；
图7为实施例1胰腺组织微血管血流灌注、血流速度及红细胞密度信号在特征频段的二维分布图；其中，黑色曲线为胰腺微血管血流灌注，绿色曲线为微循环血流速度，红色曲线为红细胞密度信号；
图8为实施例1胰腺组织微循环血流灌注信号三维时频图；其中，蓝色（低）到橙色（高）的尺度代表连续小波系数；
图9为实施例1胰腺组织微循环功能相关幅值雷达图。
具体实施方式
实施例1
如图2、图3所示，本实施例提供了一种胰腺整体微循环功能测评及可视化方法，与其他组织相比，胰腺组织的微循环功能测评具有以下特点：
1）胰腺组织结构独特，包括内分泌部（胰岛）和外分泌部，分别负责机体的内分泌功能（血糖调节）和消化功能；
2）胰腺组织微血管数量众多且密度较大，具有较高的微循环血流灌注水平（结构-功能对应）；
3）属于腹腔脏器（腹腔内位器官），与皮肤等浅表组织和肺等胸腔脏器不同，故胰腺整体微循环测评路径（入路）与其他组织不同；
4）因解剖结构独特性和整体性，微循环功能数据的干扰和干扰来源，与浅表组织和胸腔组织均不同。
本方法依托计算机信息与数据处理算法实现了胰腺整体微循环血流动力学及微循环氧的功能测评，并基于通用微循环框架完成了胰腺整体微循环功能的可视化工程，所述方法具体包括以下步骤：
步骤1，胰腺组织整体微循环氧参数和微循环血流动力学参数的测定：
胰腺组织整体微循环功能测评装置，包括微循环氧分压监测仪Microx TX3（德国PreSens公司）和双通道激光多普勒监测仪VMS（英国Moor公司），将上述两台商用设备的光探针集成至微米立体定位仪，利用微米立体定位仪将两台设备的光探针引导至胰腺组织上方1 mm处，用白光和激光两种光源，同时采集胰腺组织整体微循环氧参数和血流动力学参数（S1），包括胰腺微循环组织氧分压（PO2）、胰腺微循环血流灌注水平（BP）和血流灌注速度（V）。将数据分别保存为无损数据格式，备解析；
步骤2，胰腺组织整体微循环功能数据预处理：
将步骤1捕获的胰腺组织整体微循环功能数据导入数据预处理模块（module），通过计算机脚本执行箱线图算法，处理离群的胰腺组织整体微循环功能参数。设定（Q1 – 1.5× IQR）和（Q3 +1.5 × IQR）为微循环功能参数边界值，其中，定义Q1为25 %最大值，Q3为75%最大值，Q3与Q1之间的差值为四分位距（IQR），超过边界值微循环功能数据视为离群值，并调整为正常范围边界值（S2）。
步骤3，胰腺组织整体微循环功能可视化呈现：
步骤3.1，三维可视化模型构建：
导入经步骤2预处理后的胰腺组织整体微循环功能参数数据，即微循环组织氧分压（PO2）、胰腺微循环血流灌注水平（BP）和血流灌注速度（V），并将上述微循环功能参数进行无量纲化处理：通过离差标准化法对所述微循环功能参数数据进行处理，用于消除多参数数据维度量纲，将微循环功能参数数据统一投射在[0, 1]区间内，实现同一通用坐标系框架下优化的胰腺组织整体微循环功能可视化呈现（S3）。
具体的，导入上述无量纲化处理后的胰腺组织整体微循环功能参数数据，使用Python和Apache许可下的ECharts生成胰腺组织整体微循环功能三维可视化模块，其中，将时间、微循环功能参数变量及微循环功能参数变量值分别定义为模块X轴、Y轴和Z轴（S4）。导入经步骤2处理后的胰腺组织整体微循环功能参数数据，生成如图4所示的胰腺整体微循环功能三维可视化视图。
步骤3.2，胰腺组织整体微循环功能单轴气泡图：
本实施例使用单轴气泡图对胰腺组织整体微循环功能参数（微循环氧和微循环血流灌注）分布权重关联进行可视化呈现。数据以“气泡”的形式依照横轴排列，以“气泡”的面积差异展示胰腺脏微循环功能数据的分布权重及其关联。
导入步骤2预处理后的胰腺组织整体微循环功能数据，使用Apache许可下的ECharts生成胰腺组织整体微循环功能单轴气泡图，实现胰腺组织整体微循环功能参数分布和权重关联分析。气泡图中横轴表示胰腺组织整体微循环功能参数数据分布的取值范围，均分为6个区间，并使用数字对连续区间进行标记，分别为区间0~1、区间1~2、区间2~3、区间3~4、区间4~5、区间5~6，反映胰腺组织整体微循环功能参数数据的分布权重关联；微循环功能参数数据分布量与“气泡”面积成正比：圆形面积越大，表明越多的微循环功能数据落在圆形对应的区间；反之，圆形面积越小，表示越少的微循环功能数据在此区间。本实施例利用部分测试数据生成了如图5所示的单轴气泡图，可直观展示胰腺组织整体微循环功能数据在各取值区间的分布、权重关联情况（S5）。
如在图6所示胰腺组织整体微循环血流灌注水平（BP）分布权重关联气泡图中，区间刻度400~600 PU对应的圆形面积较大，区间刻度0~200 PU、120~1000 PU对应的圆形面积较小，则表明该生物组织微循环血流灌注速度数据较多集中分布在区间刻度400~600 PU，较少数据分布在区间刻度0~200 PU、120~1,000 PU，即胰腺组织整体微循环血流灌注速度主要在400~600 PU水平，400~600 PU水平的微循环血流灌注速度为微循环功能的优势权重。
步骤3.3，小波变换频谱分析：
本实施例使用小波变换对胰腺组织整体微循环血流信号进行进一步分析。导入经步骤2预处理后的胰腺组织整体微循环血流灌注数据，根据微循环血流灌注信号频率可划分为六种频段来源信号幅值（表1），包括2 ~ 5 Hz的心源幅值，0.4 ~ 2 Hz 的呼吸源幅值，0.15 ~ 0.4 Hz的肌源幅值，0.04 ~ 0.15 Hz的神经源幅值，0.0095 ~ 0.04 Hz的一氧化氮依赖性内皮细胞源幅值和0.005 ~ 0.0095 Hz的一氧化氮非依赖性内皮细胞源幅值（S6）。
胰腺组织微血管内皮细胞是胰腺组织整体微循环最重要的细胞组成部分，是胰腺组织微微循环的基本功能单元。通过上述六种频段来源信号幅值，生成胰腺微血管血流灌注、血流速度及红细胞密度信号在特征频段的二维分布图，如图7所示。
通过时间（sec）、频率（Hz）和微循环特征来源幅值（AU）三个维度指标绘制胰腺组织整体微循环血流灌注信号三维时频图（图8），代表6种与胰腺组织整体微循环功能有关的来源幅值随时间进程的分布特征和变化规律。
6种胰腺组织整体微循环功能相关特征幅值包括心源幅值，呼吸源幅值，肌源幅值，神经源幅值，一氧化氮依赖性内皮细胞源幅值和一氧化氮非依赖性内皮细胞源幅值，通过如图9所示的雷达图展示了六种胰腺整体微循环功能相关幅值的分布模式。
通过本实施例实现了：
1. 胰腺组织整体微循环功能的完整性——血氧指标
本发明方案中所述胰腺组织整体微循环功能包括胰腺组织整体微循环血流动力学（含胰腺微循环血流灌注和血流速度）和微循环氧（胰腺微循环氧分压）两个层面。与现有技术中对胰腺小叶毛细血管密度、微血管管径等大体结构指标观察，通过组织结构维度评价微循环功能相比，可更为全面和完整地评价胰腺组织整体微循环功能。
2. 胰腺组织整体微循环功能的科学性
本发明方案中所述微循环功能数据清洗模块，对获取的胰腺组织整体微循环功能数据进行处理，剔除了来自仪器固件和光学部件的空值数据和异常数据，提高了胰腺组织整体微循环功能数据的科学性。现有技术不包含微循环功能数据自动化处理内容。
3. 可视化工程
本发明方案基于“通用微循环框架”和小波分析等计算机数据分析和可视化策略，结合单轴气泡图、二维频谱图和三维时频图，实现胰腺整体微循环功能可视化工程。现有技术隶属组织学层面，不包含可视化呈现。
最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (4)
1.一种胰腺整体微循环功能测评及可视化方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1，胰腺整体微循环氧参数和微循环血流动力学参数的捕获：
将微循环氧分压监测仪和双通道激光多普勒监测仪两台设备的光探针集成至微米立体定位仪上，利用微米立体定位仪将两台设备的光学探针引导至胰腺上方1mm处，用白光和激光两种光源，同时采集胰腺整体微循环功能参数，包括胰腺微循环组织氧分压（PO2）、胰腺微循环血流灌注水平（BP）和血流灌注速度（V），将采集到的数据分别保存为无损数据格式，备解析；
步骤2，胰腺整体微循环功能数据预处理：
将步骤1捕获到的胰腺整体微循环功能参数数据导入数据预处理模块，通过箱线图算法，处理离群的胰腺整体微循环功能参数数据；
步骤3，胰腺整体微循环功能可视化工程：
步骤3.1，三维可视化模型构建：导入步骤2预处理后的胰腺整体微循环功能参数数据，并将上述胰腺整体微循环功能参数数据进行无量纲化处理，将胰腺整体微循环功能参数数据统一投射在[0, 1]区间内，使用Python和ECharts生成胰腺整体微循环功能三维可视化模块，其中，将时间、微循环功能参数变量及微循环功能参数变量值分别定义为模块X轴、Y轴和Z轴；
步骤3.2，胰腺整体微循环功能单轴气泡图：
导入步骤2预处理后的胰腺整体微循环功能参数数据，使用ECharts生成胰腺整体微循环功能单轴气泡图，实现胰腺整体微循环功能参数分布和权重关联分析；
步骤3.3，小波变换频谱分析：
导入步骤2预处理后的胰腺整体微循环功能参数数据，根据微循环血流灌注信号频率可划分为n种频段来源信号幅值，通过上述n种频段来源信号幅值，生成生物组织微血管血流灌注、血流速度及红细胞密度信号在特征频段的二维分布图；通过时间、频率和微循环特征来源幅值三个维度指标绘制生物组织微循环血流灌注信号三维时频图；通过雷达图展示胰腺整体微循环功能相关幅值的分布模式。
2.根据权利要求1所述的胰腺整体整体微循环功能测评及可视化方法，其特征在于，步骤2中处理离群的胰腺整体微循环功能参数时，定义Q1为25%最大值，Q3为75%最大值，Q3与Q1之间的差值为四分位距IQR，并设定（Q1 – 1.5 × IQR）和（Q3 +1.5 × IQR）为微循环功能参数边界值，超过边界值微循环功能数据视为离群值，并调整为正常范围边界值。
3.根据权利要求1所述的胰腺整体整体微循环功能测评及可视化方法，其特征在于，步骤3.2所述气泡图中横轴表示胰腺整体微循环功能参数数据分布的取值范围，均分为m个区间，并使用数字对连续区间进行标记，微循环功能参数数据分布量与“气泡”面积成正比：圆形面积越小，表示越少的微循环功能数据在此区间。
4. 根据权利要求1所述的胰腺整体整体微循环功能测评及可视化方法，其特征在于，步骤3.3中根据微循环血流灌注信号频率可划分为6种频段来源信号幅值，分别为2~5 Hz的心源幅值，0.4~2 Hz的呼吸源幅值，0.15~0.4 Hz的肌源幅值，0.04~0.15 Hz的神经源幅值，0.0095~0.04 Hz的一氧化氮依赖性内皮细胞源幅值和0.005~0.0095 Hz的一氧化氮非依赖性内皮细胞源幅值。
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