CN117796792A - 一种基于光学相干层析成像技术的皮下脂肪测量方法 - Google Patents

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CN117796792A CN202311844875.5A CN202311844875A CN117796792A CN 117796792 A CN117796792 A CN 117796792A CN 202311844875 A CN202311844875 A CN 202311844875A CN 117796792 A CN117796792 A CN 117796792A
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李笑然
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张蕾
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张岩
吴焱
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Abstract

本发明公开了一种基于光学相干层析成像技术的皮下脂肪测量方法,通过建立OCT系统用于测量皮下脂肪厚度,用于评估检测对象的营养状态,其包括:系统搭建,设计和搭建一套频域OCT系统;数据采集,对实验对象的身体某一位置进行OCT扫描获取数据集;数据获取,用图像分割算法获得皮下脂肪厚度;通过OCT技术测量小鼠皮下脂肪厚度,并构建神经母细胞瘤小鼠模型。本发明利用光学相干断层成像(OCT)技术,实现对皮下脂肪厚度进行高重复性、高精度测量的技术需求。

Description

一种基于光学相干层析成像技术的皮下脂肪测量方法
技术领域
本发明涉及测量皮下脂肪技术领域,具体地说,涉及一种基于光学相干层析成像技术的皮下脂肪测量方法。
背景技术
测量皮下脂肪可以评估一个人的体成分,特别是身体脂肪含量。皮下脂肪是人体内的一种脂肪储存形式,过量的皮下脂肪储存会增加肥胖、心血管疾病、糖尿病、高血压等慢性疾病的风险;而皮下脂肪的减少则与癌症患者死亡风险的提高和生存时间的缩短有关。通过测量皮下脂肪的厚度,可以评估一个人的身体脂肪含量、体型和健康状况。这些信息可以帮助营养师、健身教练或个人制定适当的营养和运动计划,以维持或改善身体健康。此外,在临床上,测量皮下脂肪厚度也可以用于评估一些疾病的进展和治疗效果,例如肥胖症、糖尿病、高血压、癌症等。因此,测量皮下脂肪对了解身体健康状况和观察疾病进展、评价营养治疗干预效果具有一定的重要性。皮下脂肪厚度可以通过多种方法进行测量,常见方法包括:皮褶厚度测量法,常用的测量部位包括肱三头肌、肩胛部和腹部等;生物电阻抗分析法是通过测量身体对电流的阻抗来评估体成分,包括皮下脂肪。这种方法需要使用专门的生物电阻抗仪器进行测量。这两种方法存在着准确性低,可重复性差,测量结果受人体状态影响等不同缺点。临床上常用的测量技术有B超测量法,多用于测量腹部皮下脂肪层的厚度。虽然成本较低且无辐射,但需要由经验丰富的技术人员操作;磁共振成像(MRI,Magnetic Resonance Imaging)和计算机断层扫描(CT,Computed Tomography)可以提供比其他方法更精确的测量结果,但需要使用昂贵的仪器进行测量,测量部位也受到一定限制,且CT存在辐射量较高的问题;双能X射线吸收法(DXA,Dual-energy X-rayAbsorptiometry)虽然被称为分子水平上体成分分析的金标准,具有准确、可重复、快速、成本较低,对患者的辐射剂量极低等优点,但仍具有一定的辐射暴露,故禁止用于儿童身上。
目前市面上还没有一款操作简单,可以测量人体各个部位,同时测量精度较高、可重复性高的皮下脂肪厚度测量装置。在专利号CN111862070A一种基于CT图像测量皮下脂肪厚度的方法,其采用深度学习,精确的提取脂肪内外两层曲线特征,再通过多方向计算求平均的方式较为准确地计算出皮下脂肪厚度,但CT图像对人体测量同样存在辐射的问题,且对测量部位具有一定限制。我们采用光学相干断层成像(OCT,Optical CoherenceTomography)技术用来测量皮下脂肪厚度。OCT是一种非接触、非侵入式的高分辨率层析成像技术。它是基于相干光干涉仪的原理,通过收集从生物组织返回的背向反射或散射信号,得到二维或者三维结构图像。目前已经作为一种较为成熟的技术,广泛地应用在眼科、皮肤科和牙科等医学领域。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足,本发明利用光学相干断层成像(OCT)技术,实现对皮下脂肪厚度进行高重复性、高精度测量的技术需求。
(二)技术方案
本为实现上述目的,本发明提供如下技术方案,一种基于光学相干层析成像技术的皮下脂肪测量方法,通过建立OCT系统用于测量皮下脂肪厚度,用于评估检测对象的营养状态,其包括:
系统搭建,设计和搭建一套频域OCT系统;
数据采集,对实验对象的身体某一位置进行OCT扫描获取数据集;
数据获取,用图像分割算法获得皮下脂肪厚度。
作为优选方案,所述OCT系统采用光纤型系统或自由空间型系统的任意一种。
作为优选方案,通过OCT技术测量小鼠皮下脂肪厚度,并构建神经母细胞瘤小鼠模型,其实验流程包括如下步骤:
S1、选用AJ雄性小鼠12只,6周龄,体重约为19g;
S2、对S1中所用的小鼠中随机选出6只作为实验组在左后方皮下接种神经母细胞瘤细胞(Neuro-2a细胞系),剩余6只作为对照组同样在左后方皮下接种50%PBS,50%基质胶溶液0.1ml,无细胞;
S3、对S2中小鼠以接种细胞第三天为基线在小鼠的左右腹股沟部位采集3次光学相干断层成像图,采集图像前要对采集部位进行剃毛处理。
S4、对上述步骤小鼠第21天按照实验室动物伦理规范处死解剖,取左右腹股沟内侧皮肤标本进行HE染色,制作皮肤病理切片,切片用数字切片扫描仪PRECICE 500进行扫描,对扫描获得的图片进行分析并与OCT结果进行对比。
作为优选方案,所述S2中实验组小鼠接种细胞稀释浓度为107个细胞每毫升溶液(50%PBS,50%基质胶),小鼠接种剂量为每只接种0.1ml。
作为优选方案,OCT图像中每个像素代表的实际厚度是固定的(设为u),通过计算一张OCT图像中蓝线和绿线之间的垂直像素数量(设为y),则某个位置的皮下脂肪厚度(设为l)则可通过公式(1)计算得到:
l=y×u
作为优选方案,再对N个位置进行厚度计算,然后做平均,即可得到皮下脂肪的平均厚度(laver):
作为优选方案,所述对照组、实验组的12只小鼠接种后第3、17、21天进行图像采集,第4天为基线,第17天为小鼠体重下降5-8%,第21天为实验终点。
作为优选方案,实验操作为将小鼠麻醉后放置于设备固定位置并用胶带固定其四肢,确定图像采集部位后进行扫描采集图像。
(三)有益效果
与现有技术相比,本发明提供了一种基于光学相干层析成像技术的皮下脂肪测量方法,相对于传统的磁共振成像和计算机断层扫描的测试方式,本发明采用OCT系统具有以下优势:
1)高精准度:具有高分辨率的特点(1-5μm),可以对皮下脂肪的微小结构进行成像,能够精确地测量皮下脂肪层的厚度和密度;
2)实时成像:OCT可以在几秒钟内完成一次测量,并且可以实时成像,能够及时反馈测量结果;
3)全面性:OCT可以对全身不同部位的皮下脂肪进行测量,能够全面反映身体的脂肪分布情况;
4)易于操作:OCT可以通过手持式探头进行测量,操作简单易行,不需要昂贵的仪器或专业人员进行测量;
5)高重复性:OCT成像结果几乎不受环境温度、湿度等因素影响,可以多次测量。
附图说明
图1为本发明光纤型OCT系统示意图;
图2为本发明自由空间型OCT系统示意图;
图3为本发明小鼠腹股沟OCT图像,图3a为原始图像,图3b为相应分割图像;
图4为本发明对照组的第一只小鼠的三轮测量结果示意图;
图5为本发明实验组的第一只小鼠的三轮测量结果示意图;
图6为本发明对照组小鼠和实验组小鼠腹股沟皮肤病理切片HE染色结果图;
图7为本发明对照组的六只小鼠的三轮测量结果,包括皮下脂肪的厚度和小鼠体重;
图8为本发明实验组的六只小鼠的三轮测量结果,包括皮下脂肪的厚度和小鼠体重。
具体实施方式
下面结合具体实施例和说明书附图对本发明做进一步阐述和说明:
请参阅图1-8,本发明:一种基于光学相干层析成像技术的皮下脂肪测量方法,通过建立OCT系统用于测量皮下脂肪厚度,用于评估检测对象的营养状态,其包括:
系统搭建,设计和搭建一套频域OCT系统;
数据采集,对实验对象的身体某一位置进行OCT扫描获取数据集;
数据获取,用图像分割算法获得皮下脂肪厚度。
具体的,本发明的总体方案可分为两部分,下面将结合具体实施例进行阐述:
实施例1
光学系统方面,采用频域OCT系统,实现一次扫描获得有皮肤和皮下脂肪组织信息的光谱,OCT系统可以是光纤型系统,也可以为自由空间型系统。光纤型系统如说明书附图1所示,光源是一个近红外宽带SL(Super-LuminescentDiodes)。光源的光被一个光纤耦合器发射到参考臂和样品臂。在两个干涉仪臂中,光被准直器转换成平行光束。在样品臂中,光束通过准直器后,使用2DGalvo扫描仪用以实现光束的扫描,扫瞄镜放在物镜的前焦点位置,样品放在物镜的后焦点位置,从而对样品进行扫描。参考臂上的光依次经过物镜和参考镜,反射光原路返回到光纤耦合器。从样品和参考镜返回的光信号在光纤耦合器上混合并发生干涉,光信号通过收集臂被光谱仪接收,把光信号转化成电信号。光谱仪部分主要由三个部件组成:透射光栅、柱透镜和光电接收器(相机)。
实施例2
自由空间型系统示意图如说明书附图2所示,与光纤型的系统区别在于,光纤耦合器被一个分束镜替代,分束镜把光束发射到参考臂和样品臂。从样品和参考镜返回的光信号在光谱仪前面的物镜聚焦,进入光谱仪。在本明中系统采用光纤型系统或自由空间型系统的任意一种。
实施例3
在本发明中是以小鼠作为实验样品,用OCT测量小鼠的左右腹股沟部位,通过图像分割算法处理获得的OCT图像,得到皮下脂肪的厚度,本发明通过OCT技术测量小鼠皮下脂肪厚度,并构建神经母细胞瘤小鼠模型,其实验流程包括如下步骤:
S1、选用AJ雄性小鼠12只,6周龄,体重约为19g;
S2、对S1中所用的小鼠中随机选出6只作为实验组在左后方皮下接种神经母细胞瘤细胞(Neuro-2a细胞系),细胞稀释浓度为107个细胞每毫升溶液(50%PBS,50%基质胶),小鼠接种剂量为每只接种0.1ml,剩余6只作为对照组同样在左后方皮下接种50%PBS,50%基质胶溶液0.1ml,无细胞;
S3、对S2中小鼠以接种细胞第三天为基线在小鼠的左右腹股沟部位采集3次光学相干断层成像图,采集图像前要对采集部位进行剃毛处理。(对照组、实验组的12只小鼠接种后第3、17、21天进行图像采集)(注:第4天为基线,第17天为小鼠体重下降5-8%,第21天为实验终点)(实验操作:将小鼠麻醉后放置于设备固定位置并用胶带固定其四肢,确定图像采集部位后进行扫描采集图像)。
S4、对上述步骤小鼠第21天按照实验室动物伦理规范处死解剖,取左右腹股沟内侧皮肤标本进行HE染色,制作皮肤病理切片。切片用数字切片扫描仪PRECICE 500进行扫描,对扫描获得的图片进行分析并与OCT结果进行对比。
进一步的,如说明书附图3所示,以小鼠作为实验样品,用OCT测量小鼠的左右腹股沟部位,通过图像分割算法处理获得的OCT图像,得到皮下脂肪的厚度。附图中展示了小鼠腹股沟部位OCT的皮肤和皮下脂肪图像,其中图3a为原始图像,图3b为相应分割图像,图中白色加粗虚线表示层与层之间的分界线,第一层表示皮肤区域,第二层表示皮下脂肪区域,第二层以下的是筋膜和肌肉区域。OCT图像中每个像素代表的实际厚度是固定的(设为u),通过计算一张OCT图像中蓝线和绿线之间的垂直像素数量(设为y),则某个位置的皮下脂肪厚度(设为l)则可通过公式(1)计算得到:
l=y×u
再对N个位置进行厚度计算,然后做平均,即可得到皮下脂肪的平均厚度(laver):
更进一步的,说明书附图4和附图5分别展示了对照组小鼠和实验组小鼠的三轮测量结果。其图4a、图4c和图4e分别是左腹股沟的三轮OCT图像和分割结果,图4b、图4d和图4f分别是右腹股沟的三轮OCT图像和分割结果;图5a、图5c和图5e分别是左腹股沟的三轮OCT图像和分割结果,图5b、图5d和图5f分别是右腹股沟的三轮OCT图像和分割结果,其图5e和图5f因为皮下脂肪几乎消失,所以没有展示皮下脂肪分割结果。通过对图4和图5的对比可得,明显可见实验组小鼠,随着肿瘤的发展和恶化,其皮下脂肪厚度逐渐变薄。
参照说明书附图6所示,展示了对照组小鼠和实验组小鼠腹股沟皮肤病理切片HE染色结果图。通过皮肤病理切片HE染色结果图可得实验组小鼠皮下脂肪基本消失,而对照组小鼠皮下脂肪层较厚。从图7和图8结果可以看出,对照组中,正常小鼠在第二轮和第三轮的体重比第一轮体重增加,脂肪层厚度则并没有明显一致的变化趋势;实验组中,肿瘤小鼠的体重普遍呈递减趋势(第五只小鼠除外),脂肪层厚度变化也符合体重变化的趋势,特别是最后一轮OCT图像中,第一到第四只小鼠几乎观察不到脂肪层。
从实验结果可以看出OCT由于高分辨率、非侵入和易于操作等优点,适合用于测量皮下脂肪厚度,用于评估检测对象的营养状态。
最后应当说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对本发明保护范围的限制,尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明,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实质和范围。

Claims (8)

1.一种基于光学相干层析成像技术的皮下脂肪测量方法,通过建立OCT系统用于测量皮下脂肪厚度,用于评估检测对象的营养状态,其特征在于,包括:
系统搭建,设计和搭建一套频域OCT系统;
数据采集,对实验对象的身体某一位置进行OCT扫描获取数据集;
数据获取,用图像分割算法获得皮下脂肪厚度。
2.根据权利要求1所述的一种基于光学相干层析成像技术的皮下脂肪测量方法,其特征在于:所述OCT系统采用光纤型系统或自由空间型系统的任意一种。
3.根据权利要求2所述的一种基于光学相干层析成像技术的皮下脂肪测量方法,其特征在于:通过OCT技术测量小鼠皮下脂肪厚度,并构建神经母细胞瘤小鼠模型,其实验流程包括如下步骤:
S1、选用AJ雄性小鼠12只,6周龄,体重约为19g;
S2、对S1中所用的小鼠中随机选出6只作为实验组在左后方皮下接种神经母细胞瘤细胞(Neuro-2a细胞系),剩余6只作为对照组同样在左后方皮下接种50%PBS,50%基质胶溶液0.1ml,无细胞;
S3、对S2中小鼠以接种细胞第三天为基线在小鼠的左右腹股沟部位采集3次光学相干断层成像图,采集图像前要对采集部位进行剃毛处理。
S4、对上述步骤小鼠第21天按照实验室动物伦理规范处死解剖,取左右腹股沟内侧皮肤标本进行HE染色,制作皮肤病理切片,切片用数字切片扫描仪PRECICE 500进行扫描,对扫描获得的图片进行分析并与OCT结果进行对比。
4.根据权利要求3所述的一种基于光学相干层析成像技术的皮下脂肪测量方法,其特征在于:所述S2中实验组小鼠接种细胞稀释浓度为107个细胞每毫升溶液(50%PBS,50%基质胶),小鼠接种剂量为每只接种0.1ml。
5.根据权利要求3所述的一种基于光学相干层析成像技术的皮下脂肪测量方法,其特征在于:OCT图像中每个像素代表的实际厚度是固定的(设为u),通过计算一张OCT图像中蓝线和绿线之间的垂直像素数量(设为y),则某个位置的皮下脂肪厚度(设为l)则可通过公式(1)计算得到:
l=y×u
6.根据权利要求5所述的一种基于光学相干层析成像技术的皮下脂肪测量方法,其特征在于:再对N个位置进行厚度计算,然后做平均,即可得到皮下脂肪的平均厚度(laver):
7.根据权利要求3所述的一种基于光学相干层析成像技术的皮下脂肪测量方法,其特征在于:所述对照组、实验组的12只小鼠接种后第3、17、21天进行图像采集,第4天为基线,第17天为小鼠体重下降5-8%,第21天为实验终点。
8.根据权利要求7所述的一种基于光学相干层析成像技术的皮下脂肪测量方法,其特征在于:实验操作为将小鼠麻醉后放置于设备固定位置并用胶带固定其四肢,确定图像采集部位后进行扫描采集图像。
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