CN114403840A - 一种基于近红外光谱的深层组织灌注度计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于近红外光谱的深层组织灌注度计算方法，包括以下步骤：S1：对近端红外光信号
Figure DDA0003481198020000011
和远端红外光信号
Figure DDA0003481198020000012
进行低通滤波，得到信号
Figure DDA0003481198020000013
和
Figure DDA0003481198020000014
所述近端红外光信号
Figure DDA0003481198020000015
和远端红外光信号
Figure DDA0003481198020000016
的波长λ相同，均采用等吸收点的波长；S2：根据所述信号
Figure DDA0003481198020000017
和
Figure DDA0003481198020000018
计算ΔOD(t,λ)信号；S3：对所述ΔOD(t,λ)信号做带通滤波得到信号D；S4：对所述信号
Figure DDA0003481198020000019
做自相关得到信号H；S5：对所述信号H做N点FFT变换，并得到最大能量点索引值index；S6：对所述信号D做N点FFT变换，并在频域取所述最大能量点索引值index处的能量值，所述能量值即为所述深层组织灌注度。本发明能够有效排除血氧饱和度变化对灌注度指标的影响，获得灌注度的绝对值。

Description

一种基于近红外光谱的深层组织灌注度计算方法
技术领域
本发明涉及灌注度测试技术领域，特别涉及一种基于近红外光谱的深层组织灌注度计算方法。
背景技术
灌注，是指流经一个器官或组织体的毛细循环血流速率。为了在不同大小的器官间做个衡量，灌注指标一般被归一化为除以总血流速率。
灌注度是反映动脉血对组织的供血情况的一个指标，临床上更关注灌注指标的相对变化而非绝对值。目前，血流灌注度主要通过计算反射光强的交流成分和直流成分的比值得到。该方法主要测量的是浅层组织毛细血管的灌注度，且容易受到血氧饱和度变化的影响。
发明内容
针对上述问题，本发明旨在提供一种基于近红外光谱的深层组织灌注度计算方法，利用810nm处光波对氧合血红蛋白和还原血红蛋白吸收系数相等的特点，能有效排除血氧饱和度变化对灌注度指标的影响。
本发明的技术方案如下：
一种基于近红外光谱的深层组织灌注度计算方法，包括以下步骤：
S1：对近端红外光信号
Figure BDA0003481197000000011
和远端红外光信号
Figure BDA0003481197000000012
进行低通滤波，得到信号
Figure BDA0003481197000000013
和
Figure BDA0003481197000000014
所述近端红外光信号
Figure BDA0003481197000000015
与远端红外光信号
Figure BDA0003481197000000016
的波长λ相同，均采用等吸收点的波长；
S2：根据所述信号
Figure BDA0003481197000000017
和
Figure BDA0003481197000000018
计算ΔOD(t,λ)信号；
S3：对所述ΔOD(t,λ)信号做带通滤波得到信号D；
S4：对所述信号
Figure BDA0003481197000000019
做自相关得到信号H；
S5：对所述信号H做N点FFT变换，并得到最大能量点索引值index；
S6：对所述信号D做N点FFT变换，并在频域取所述最大能量点索引值index处的能量值，所述能量值即为所述深层组织灌注度。
作为优选，步骤S1中，进行低通滤波时，滤波器截至频带为4Hz。
作为优选，步骤S1中，所述等吸收点的波长为810nm或805nm。
作为优选，步骤S2中，所述ΔOD(t,λ)信号通过下式进行计算：
Figure BDA0003481197000000021
式中：ΔOD(t,λ)为波长λ下的空间差分光密度；
Figure BDA0003481197000000022
为波长λ下近端光强度；
Figure BDA0003481197000000023
为波长λ下远端光强度。
作为优选，步骤S3中，进行带通滤波时，滤波器频带为0.5-4Hz。
本发明的有益效果是：
本发明利用等吸收点处光波对氧合血红蛋白和还原血红蛋白吸收系数相等的特点，能有效排除血氧饱和度变化对灌注度指标的影响，获得灌注度的绝对值；且利用ΔOD(t,λ)的空间差分原理能够检测深层组织的灌注度，使其不受表层血流的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一个具体实施例的血氧监测探头监测的30s人体前额数据结果示意图；
图2为图1数据进行低通滤波的结果示意图；
图3为图2数据计算光密度差值ΔOD(t,λ)的结果示意图；
图4为图3数据进行带通滤波的结果示意图；
图5为某5s的信号
Figure BDA0003481197000000024
的结果示意图；
图6为信号
Figure BDA0003481197000000025
做自相关得到信号H的结果示意图；
图7为对信号H做N点FFT变换的结果示意图；
图8为对信号D做N点FFT变换的结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互结合。需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。本发明公开使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
本发明提供一种基于近红外光谱的深层组织灌注度计算方法，包括以下步骤：
S1：对近端红外光信号
Figure BDA0003481197000000026
和远端红外光信号
Figure BDA0003481197000000027
进行低通滤波，得到信号
Figure BDA0003481197000000028
和
Figure BDA0003481197000000029
所述近端红外光信号
Figure BDA0003481197000000031
与远端红外光信号
Figure BDA0003481197000000032
的波长λ相同，均采用等吸收点的波长。
在一个具体的实施例中，进行低通滤波时，滤波器截至频带为4Hz；所述等吸收点的波长为810nm或805nm。
S2：根据所述信号
Figure BDA0003481197000000033
和
Figure BDA0003481197000000034
计算ΔOD(t,λ)信号；所述ΔOD(t,λ)信号通过下式进行计算：
Figure BDA0003481197000000035
式中：ΔOD(t,λ)为波长λ下的空间差分光密度；
Figure BDA0003481197000000036
为波长λ下近端光强度；
Figure BDA0003481197000000037
为波长λ下远端光强度。
S3：对所述ΔOD(t,λ)信号做带通滤波得到信号D；
在一个具体的实施例中，进行带通滤波时，滤波器频带为0.5-4Hz。
S4：对所述信号
Figure BDA0003481197000000038
做自相关得到信号H。
S5：对所述信号H做N点FFT变换，并得到最大能量点索引值index。
S6：对所述信号D做N点FFT变换，并在频域取所述最大能量点索引值index处的能量值，所述能量值即为所述深层组织灌注度。
需要说明的是，本发明的步骤中，对信号做自相关、N点FFT变换等均为现有技术，具体步骤在此不再赘述。
本发明的基本原理主要是基于血氧监测探头，所述血氧监测探头由一个两波长LED灯和距离LED分别r1和r2(r2>r1)远的两个光接收器组成，LED和两个光接收器位于同一平面同一直线上。LED分时发出波长分别为λ1和λ2的光，远近两个光接收器分时分别得到两种波长的信号。需要说明的是，所述血氧监测探头可使用本公司发明的多通道组织血氧检测探头，也可采用现有技术中其他具有上述结构的血氧监测探头。
在本发明中，所述血氧监测探头的远端和近端波长均采用等吸收点的波长，利用等吸收点处光波对氧合血红蛋白和还原血红蛋白吸收系数相等的特点，有效排除血氧饱和度变化对灌注度指标的影响，获取灌注度的绝对值。
血液(动脉、静脉和毛细血管)中，主要的吸收物质为Hb和HbO2，定义吸光系数为μa(λ)：
Figure BDA0003481197000000039
式中：εHbO2和εHb分别为氧合血红蛋白和还原血红蛋白在波长λ处的吸光系数；CHbO2和CHb分别为氧合血红蛋白和还原血红蛋白的浓度。
则修正的朗伯-比尔定律可以简写为：
OD(t,λ)＝μa(λ)*r*DPFλ+G(λ) (3)
式中：OD(t,λ)为波长λ经过组织反射得到的光密度；r为光接收器与发光点的直线距离；DPFλ为差分路径因子；G(λ)为背景吸收。
远近两个光接收器做空间差分即可得到深层组织的光密度：
ΔOD(t,λ)＝OD2-OD1＝μa(λ)*Δr*DPFλ+ΔG(λ) (4)
动脉血管舒张和收缩会引起光通过血管的长度呈现周期性脉动变化，因此，实际光路由两部分构成：
L＝L0+Lac (5)
式中：L0为没有脉搏时，光通过血管的有效光路；Lac为动脉搏动引起的光路变化量；
由此，公式(4)可重新写为：
ΔOD(t,λ)＝μa(λ)*(L0+Lac)+ΔG(λ) (6)
根据公式(6)可知，μa(λ)即为经过脉搏波(PPG)调制的波幅值，从ΔOD(t,λ)中分离出交流分量即为：
ΔODac(t,λ)＝μa(λ)*Lac (7)
血液中主要有氧合血红蛋白和还原两种吸收体，结合(2)、(7)式可知，ΔODac(t,λ)的幅度主要由总吸光系数μa(λ)和动脉的脉动幅度决定。脉动幅度大小反映了局部组织的灌注强弱，因此可作为局部组织灌注度的指标。总吸光系数由氧合血红蛋白和还原血红蛋白两种物质的吸光系数加权得到，而在等吸收点两种物质的权重相等，因此总的吸光系数不随氧饱和度的变化而变化。
另外，通过上述检测原理，还能使得本发明能够检测深层组织的灌注度，使其不受表层血流的影响。
在一个具体的实施例中，以某人体为例，采用本发明所述的基于近红外光谱的深层组织灌注度计算方法计算该人体的深层脑前叶组织血流灌注度，具体包括以下步骤：
(1)利用血氧监测探头监测等吸收点810nm处该人体在平静状态下，30s的人体前额数据，结果如图1所示。
(2)对图1所示的近端红外光信号
Figure BDA0003481197000000041
和远端红外光信号
Figure BDA0003481197000000042
做低通滤波，滤波器截至频带为[4Hz]，分别得到信号
Figure BDA0003481197000000043
和
Figure BDA0003481197000000044
结果如图2所示。
(3)根据公式(1)计算得到光密度差值ΔOD(t,λ)，结果如图3所示。
(4)对所述光密度差值ΔOD(t,λ)做带通滤波得到信号D，滤波器截至频带为[0.5-4Hz]；结果如图4所示。
(5)以图5所示的某5s数据为例，对信号
Figure BDA0003481197000000051
做自相关得到信号H，结果如图6所示。
(6)对信号H做N点FFT变换并得到最大幅度点的索引index＝0.9766Hz，结果如图7所示。
(7)对步骤(4)得到的信号D做N点FFT变换，并在频域取index＝0.9766Hz处的能量值，结果如图8所示。从图8可以看出该处的能量值PI＝1.309，四舍五入得到本实施例该人体的深层脑前叶组织血流灌注度为1.3。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种基于近红外光谱的深层组织灌注度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：对近端红外光信号
Figure FDA0003481196990000011
和远端红外光信号
Figure FDA0003481196990000012
进行低通滤波，得到信号
Figure FDA0003481196990000013
和
Figure FDA0003481196990000014
所述近端红外光信号
Figure FDA0003481196990000015
与远端红外光信号
Figure FDA0003481196990000016
的波长λ相同，均采用等吸收点的波长；
S2：根据所述信号
Figure FDA0003481196990000017
和
Figure FDA0003481196990000018
计算ΔOD(t,λ)信号；
S3：对所述ΔOD(t,λ)信号做带通滤波得到信号D；
S4：对所述信号
Figure FDA0003481196990000019
做自相关得到信号H；
S5：对所述信号H做N点FFT变换，并得到最大能量点索引值index；
S6：对所述信号D做N点FFT变换，并在频域取所述最大能量点索引值index处的能量值，所述能量值即为所述深层组织灌注度。
2.根据权利要求1所述的基于近红外光谱的深层组织灌注度计算方法，其特征在于，步骤S1中，进行低通滤波时，滤波器截至频带为4Hz。
3.根据权利要求1所述的基于近红外光谱的深层组织灌注度计算方法，其特征在于，步骤S1中，所述等吸收点的波长为810nm或805nm。
4.根据权利要求1所述的基于近红外光谱的深层组织灌注度计算方法，其特征在于，步骤S2中，所述ΔOD(t,λ)信号通过下式进行计算：
Figure FDA00034811969900000110
式中：ΔOD(t,λ)为波长λ下的空间差分光密度；
Figure FDA00034811969900000111
为波长λ下近端光强度；
Figure FDA00034811969900000112
为波长λ下远端光强度。
5.根据权利要求1所述的基于近红外光谱的深层组织灌注度计算方法，其特征在于，步骤S3中，进行带通滤波时，滤波器频带为0.5-4Hz。
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