CN121476552B - 一种可注射水凝胶伤口敷料降解速率检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及材料分析技术领域，公开一种可注射水凝胶伤口敷料降解速率检测系统，包括：水凝胶‑示踪剂复合结构，其示踪剂的释放由粒径与凝胶动态孔径的临界尺寸关系所控制，体外光学探头模块与数据处理模块，模块先通过光热效应响应进行在体自校准以确定真实初始基准，再基于该基准监测光学信号衰减以确定降解速率，本发明将难以直接观测的化学降解过程转化为可通过光学信号稳定表征的物理扩散事件，其不依赖特定化学成分，测量结果与材料结构完整性直接关联，解决了现有技术信息关联不直接与适用性受限的问题。

Description

一种可注射水凝胶伤口敷料降解速率检测系统

技术领域

本发明涉及一种可注射水凝胶伤口敷料降解速率检测系统，属于材料分析技术领域。

背景技术

当前，通过特定的物理或化学手段，对材料在特定应用环境中的性能变化进行表征，是该领域常规的技术手段，对于在生物体内使用的可降解材料，实时地获取其结构完整性的变化信息，对评估其功能周期和指导临床应用具有重要的技术意义。

当应用对象为可注射水凝胶一类的医用敷料时，常规的分析方式则存在局限，该类材料通常由高分子网络与水构成，其在体内降解时，分子链的断裂过程本身不产生可供体外检测设备识别的特征光学或声学信号，这使得依赖材料自身发出响应信号的传统监测原理难以有效适用，使其在体内的结构状态难以被准确获知。

为解决该问题，现有技术尝试采用医学影像学方法进行间接观测，但此类方法仅能反映材料的宏观体积变化，而材料体积变化与其网络结构的真实完整性之间缺乏精确的对应关系，例如组织水肿或材料溶胀均可引起体积改变，这就为准确判断材料是否因降解而发生结构性失效带来了不确定性；具体而言，现有技术主要存在以下技术问题：1、测量信息与材料降解的关联不直接，易受其他生理因素干扰；2、监测存在滞后性，通常难以实现材料结构完整性发生早期变化时的有效监测；3、适用性有限，体积变化与降解程度的关联并无普适规律，难以用于不同材料间的标准化评价，可见，现有技术路径未能解决监测信息源于材料内部、而材料本身在降解过程中不产生直接可用信号这一核心技术问题。因此，如何建立一种新的分析方式，使其能够在不改动通用型水凝胶材料化学组分的基础上，实时地获取与材料网络结构完整性直接关联的内部信息，成为本发明所要解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种可注射水凝胶伤口敷料降解速率检测系统，其主要目的在于解决现有技术无法对在体内的本身不产生特征信号的通用型水凝胶敷料进行无创实时且与结构完整性直接关联的降解状态监测的问题。

为实现上述目的，本发明提供的一种可注射水凝胶伤口敷料降解速率检测系统，包括：

水凝胶-示踪剂复合结构，水凝胶-示踪剂复合结构由可注射水凝胶前体与示踪剂颗粒物理混合后在体内固化形成，示踪剂颗粒的粒径与水凝胶网络在降解过程中动态演变的孔径之间，被设定为存在一个预设的物理临界尺寸对应关系，该对应关系使得仅当孔径演变至大于粒径的临界尺寸时，示踪剂颗粒才从被物理禁锢的状态转变为可释放的状态；体外光学探头模块，被配置为向植入有水凝胶-示踪剂复合结构的体内区域发射预定波长的电磁辐射，并检测由示踪剂颗粒浓度变化引起的光学信号；数据处理模块，被配置为：首先执行自校准模式，在该模式下控制体外光学探头模块发射高能量光脉冲，并依据所检测到的由示踪剂颗粒的光热效应引起的瞬态光学响应特征，确定一个表征水凝胶-示踪剂复合结构在体内真实初始状态的基准值；然后执行常规监测模式，在该模式下基于真实初始状态的基准值，确定光学信号随时间的衰减速率，并将衰减速率处理为水凝胶的降解速率。

优选的，数据处理模块还被配置为用于：对体外光学探头模块所检测的光学信号 进行频域分析，以在覆盖0.8Hz至2.5Hz的预设心率频率范围内提取一个表征局部组织血流 灌注状态的生理指标，其中，，其中，为光学信号在心率频率范围内的 信号能量，为光学信号的直流分量信号能量；并基于降解速率的加速与生理指标的持续 升高之间的协同变化，生成并发症风险预警。

优选的，示踪剂颗粒包含至少两种具有不同释放动力学特征的示踪剂组分，其中第一示踪剂组分为自由态示踪剂颗粒，第二示踪剂组分为被封装于可降解微球内的缓释态示踪剂颗粒；且数据处理模块被进一步配置为用于通过解析由至少两种示踪剂组分的序贯释放所形成的具有双相衰减形态的光学信号变化曲线，来确定水凝胶降解过程中的早期阶段与晚期阶段。

优选的，体外光学探头模块还包括一个与电磁辐射发射源同轴集成的超声换能器；且数据处理模块还被配置为用于控制体外光学探头模块发射纳秒级脉冲光以在示踪剂颗粒处激发产生光声信号，通过超声换能器接收光声信号，并基于光声信号的幅度与频谱特征来甄别示踪剂颗粒是处于水凝胶网络内的禁锢态还是网络外的释放态，进而基于甄别结果对所确定的水凝胶的降解速率进行校正。

优选的，系统还被配置为用于响应于对体内区域施加的一次标准化的外部机械扰动，检测并分析由机械扰动在光学信号上引起的与水凝胶示踪剂复合结构宏观形变相关的瞬态响应波形，并基于瞬态响应波形的幅度与变化速率特征，来确定一个表征水凝胶示踪剂复合结构结构完整性的力学指标。

优选的，体外光学探头模块发射的电磁辐射为覆盖近红外波段的宽带电磁辐射；且数据处理模块还被配置为用于分析光学信号中在一个与水分子的吸收特征相关的预设波长处的信号强度，以及在一个参考波长处的信号强度，并基于二者的比值变化，来确定一个表征体内区域组织水肿状态的指标。

优选的，示踪剂颗粒为生物相容性的具有近红外吸收或散射特性的惰性颗粒。

优选的，体外光学探头模块包括一个用于发射电磁辐射的发光二极管，和一个用于检测光学信号的光电二极管。

优选的，瞬态光学响应特征为紧随高能量光脉冲之后出现的因示踪剂颗粒周围微环境发生瞬时热弹性形变而导致的背向散射光信号的波动回声。

优选的，数据处理模块被进一步配置为用于将光学信号的衰减速率，通过一个预设的校准模型，转换为水凝胶的等效质量损失速率。

相比于现有技术，本发明的有益效果是：

1、建立一种材料化学状态与物理信号之间的直接转换路径，通过将具有特定粒径的惰性光学示踪剂物理地禁锢于水凝胶固化后的网络中，利用凝胶降解过程中网络孔径的逐渐增大作为唯一的释放触发条件，使得一个原本在化学层面难以直接观测的分子链断裂过程，转化为一个在物理层面可通过光学信号变化速率进行表征的示踪剂扩散过程，这种方式避免了依赖降解产物与特定试剂发生化学反应的复杂性与不确定性，为监测材料结构完整性的演变提供了一个稳定且具有清晰物理意义的分析基础。

2、本发明的测量原理不依赖于特定水凝胶的化学成分或降解产物的特异性反应，而是将监测焦点转移至水凝胶网络三维结构的物理完整性变化上；由于光学示踪剂的释放行为仅由其自身粒径和凝胶网络孔径这两个物理参数之间的相对关系所决定，该系统可适用于任何满足物理禁锢条件的商用水凝胶敷料，为不同种类、不同配方的水凝胶材料提供了一个统一的可进行横向比较的降解状态评价方式，解决了现有检测方法通常需要针对特定材料进行特殊设计或标记的技术局限性。

3、该系统所获取的光学信号变化速率，直接表征了示踪剂从凝胶网络中逸出的物理过程速率，此物理过程的发生以网络孔径尺寸的演化为前提，因此该信号速率与水凝胶网络骨架的结构完整性衰减过程建立了紧密的时间同步的关联，相较于通过观察植入物体积变化等间接形态学指标的评价方式，本发明所监测的示踪剂流失事件与水凝胶网络完整性的丧失在时间与因果逻辑上更为贴近，排除了由组织水肿等非降解因素导致的体积变化对测量结果的干扰，使得对材料功能状态的判断建立在一个更为直接的物理过程之上。

附图说明

图1为本发明检测系统的工作原理框图；

图2为本发明系统运行状态变迁图；

图3为本发明风险预警的逻辑判断与生成时序图。

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，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式，基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

本发明公开了一种可注射水凝胶伤口敷料降解速率检测系统，其由水凝胶-示踪 剂复合结构、体外光学探头模块及数据处理模块构成；工作中，水凝胶-示踪剂复合结构作 为被测对象，体外光学探头模块用于采集光学信号，数据处理模块则对采集的信号进行处 理以确定降解速率，共同构成一个用于测定材料物理性质变化的完整系统；在对植入体内 的水凝胶敷料进行状态监测的应用中，一项技术问题在于难以建立准确的测量基准，具体 而言，临床操作中的手动混合与注射过程，可导致植入体内的示踪剂颗粒的实际初始浓度 与其理论值之间存在偏差，进而引入系统性测量误差；为应对此问题，本发明的数据处理模 块被配置为在常规监测前，首先执行一项自校准规程；在该规程下，数据处理模块控制体外 光学探头模块中的发光二极管，向植入区域发射一束高能量光脉冲，例如，持续时间为 50ms、总能量为100mJ的光脉冲；该光脉冲的能量被水凝胶-示踪剂复合结构中的示踪剂颗 粒吸收后产生光热效应，引起示踪剂颗粒周围微环境发生瞬时热弹性形变；此形变在体外 光学探头模块的光电二极管上，产生一个紧随高能量光脉冲之后出现的背向散射光信号的 波动回声；数据处理模块捕捉此波动回声波形，并计算其积分面积这一瞬态光学响应特征， 依据预先标定的该积分面积数值与示踪剂颗粒真实浓度之间的函数关系，解算出一个表征 体内真实初始状态的基准值；通过执行该自校准规程，可为后续的速率分析建立一个 源于在体物理测量的初始基准，用以修正因初始状态不确定性引入的测量偏差。

考虑到不同个体或不同植入部位的上覆组织的光学特性差异，会对此瞬态光学响 应特征的测量引入变量，为消除此变量对基准值确定的影响，所述的函数关系被构建 为一个包含组织光学参数的多变量校准模型；该模型的建立规程如下：在离线标定阶段，使 用一系列具有不同且已知的有效光衰减系数的组织仿体，在每一特定的组织仿体 下，制备并测量多组具有不同已知示踪剂浓度的水凝胶样品，并记录其瞬态光学响应特征 值S，由此获得一组包含(,,)的三维数据集，其中为示踪剂颗粒的真实浓度；采用 响应面法等多元回归分析技术对该数据集进行拟合，以建立校准模型；在执 行在体自校准时，系统在发射高能量光脉冲之前，先通过空间分辨漫反射测量法快速无创 地获取当前植入点上覆组织的有效光衰减系数，随后再通过高能量光脉冲激发获得瞬 态光学响应特征值，最终将该现场测得的(，,)数据对代入上述校准模型中，解算出 经个体化组织特性校正后的真实初始状态基准值。

在建立了真实初始状态的基准值之后，系统进入常规监测模式，在该模式下，体外 光学探头模块周期性地发射低功率探测光，并检测由示踪剂颗粒浓度变化引起的光学信号；数据处理模块基于基准值，计算归一化的光学信号衰减速率，并依据一个预设 的校准模型，将该光学信号的衰减速率转换为水凝胶的等效质量损失速率；水凝胶-示踪剂 复合结构，其制备在于将示踪剂颗粒与可注射水凝胶前体物理混合后在体内固化形成，其 中水凝胶网络作为待分析的基体材料，而示踪剂颗粒，例如生物相容性的具有近红外吸收 或散射特性的惰性颗粒，则作为信号探针；其中对示踪剂颗粒的粒径的设定，需遵循一项 标定规程以建立一个物理临界尺寸对应关系；该规程要求对目标水凝胶材料进行结构表 征，通过扫描电子显微镜等分析方法，确定其在未降解状态下的平均网络孔径与在 预设功能失效点的平均网络孔径；示踪剂颗粒的粒径的选择，其依据在于满足的约束条件；若粒径小于，示踪剂在凝胶固化初期即会泄漏， 若粒径大于，则在凝胶功能已显著丧失后仍无法释放，该粒径范围可使物理禁锢- 临界释放机制有效运作，将化学降解过程转化为一个可通过光学信号表征的物理扩散过 程。

为将所述预设功能失效点与一个确定的临界网络孔径进行关联，并由此 为示踪剂颗粒的粒径提供一个可量化的选择窗口，需执行以下离线标定规程；首先，依据 该水凝胶敷料的预期力学应用场景，确定其功能失效的量化指标，例如将其储能模量下 降至初始值的20%定义为失效阈值；随后，通过在体外加速降解实验中制备一系列具有不同 降解时间点的水凝胶样品，并对每一个样品同步进行两项测量：通过流变仪测定其储能模 量，并通过扫描电子显微镜图像分析获得其平均网络孔径；进而，将所获得的多组数据对进行函数拟合，建立起储能模量与平均网络孔径之间的定量关系模型；最终，将预设的储能模量失效阈值，即初始值的20%，代入该关系模型中，计算 出唯一对应的临界网络孔径，该值与水凝胶在未降解状态下的初始平均网络孔径共同构成了对示踪剂颗粒粒径的约束条件，即，此规程将 粒径选择从功能性描述转化为一个基于客观物理量测量的确定性过程。

在一些需要对降解过程进行阶段性分析的应用中，示踪剂颗粒可被配置为包含至 少两种具有不同释放动力学特征的示踪剂组分；例如，第一示踪剂组分为自由态示踪剂颗 粒，如粒径为500nm的二氧化硅微球，第二示踪剂组分为相同的示踪剂颗粒但被封装于平均 粒径为5µm且降解速率较慢的可降解微球（如PLGA微球）内，形成缓释态示踪剂颗粒；植入 后，随水凝胶网络初步降解，当其孔径增大到足以释放自由态示踪剂颗粒时，产生第一波光 学信号衰减；随后，PLGA微球自身降解破裂，释放内部的示踪剂颗粒，形成第二波光学信号 衰减；数据处理模块通过对所形成的具有双相衰减形态的光学信号变化曲线进行解析，例 如，采用双指数衰减函数对曲线进行拟合，通过拟合参数 与分别确定水凝胶降解过程中的早期与晚期阶段的特征速率；为应对示踪剂伪释放或伪 聚集可能导致的信号伪影，体外光学探头模块还可包括一个与电磁辐射发射源同轴集成的 超声换能器；数据处理模块相应地被配置为周期性地执行状态甄别，在该流程中，控制体外 光学探头模块发射纳秒级脉冲光以在示踪剂颗粒处激发光声信号；示踪剂颗粒的光声转换 效率与其微环境的声阻抗和热容特性相关；当示踪剂颗粒被禁锢于水凝胶网络内时，其热 弹性膨胀受束缚，产生的光声信号具有高幅度和特定的高频频谱特征，而当其被释放到周 围体液中或被细胞吞噬后，其光声信号的幅度和频谱会发生改变；超声换能器接收此光声 信号，数据处理模块则基于光声信号的幅度与频谱特征来甄别示踪剂颗粒处于禁锢态还是 释放态，并基于此甄别结果生成权重系数，对常规监测模式下确定的降解速率进行校正。

本系统的数据处理模块还可被配置为提取并发症风险相关的参数，其算法逻辑在 于，对体外光学探头模块检测的原始光学信号进行频域分析，由于心跳驱动的微血管搏动 会在光学信号上叠加微弱的光体积描记（PPG）信号；数据处理模块通过快速傅里叶变换，在 覆盖0.8Hz至2.5Hz的预设心率频率范围内，提取一个表征局部组织血流灌注状态的生理指 标，其定义为，其中，为光学信号在该心率频率范围内的信号能量，而为光学信号的直流分量信号能量；当发生细菌感染等并发症时，局部组织因炎症反应出 现持续性血流灌注增强，表现为生理指标的基线持续升高；数据处理模块基于所计算的 降解速率的加速与生理指标的持续升高之间的协同变化，生成并发症风险预警，输出一个 需要专业人员进一步解读的中性风险参数；另一个扩展的实现方式是，体外光学探头模块 发射的电磁辐射可配置为覆盖近红外波段的宽带电磁辐射，数据处理模块则并行执行水含 量分析逻辑；该逻辑基于水分子在近红外波段约970nm处有一特征吸收峰的物理原理，数据 处理模块分析宽带光学信号中，在与水分子吸收特征相关的预设波长（970nm）处的信号强 度，以及在一个参考波长（850nm）处的信号强度，并基于二者的比值的变化，来确定一个表征体内区域组织水肿状态的指标；此外，为表 征水凝胶的宏观结构完整性与力学性能，本系统还可被配置为执行主动式力学性能探查； 该流程响应于对体内区域施加的一次标准化的外部机械扰动，例如，由操作者通过体外光 学探头模块对皮肤表面施加一个由10克增加至50克的预设压力；在此扰动下，下方的水凝 胶-示踪剂复合结构发生宏观形变，此形变过程改变光路长度与散射特性，在光学信号上引 起一个与机械扰动同步的瞬态响应波形；数据处理模块检测并分析此瞬态响应波形的幅度 与变化速率等特征，并基于这些特征，确定一个表征水凝胶-示踪剂复合结构结构完整性的 力学指标，为材料的功能状态评估提供了一个与化学降解正交的物理维度信息。

实施例1：在一个术后不规则创腔填充的应用中，使用了包含有示踪剂颗粒的可注 射水凝胶敷料，用以监测该敷料在体内的结构完整性变化；初期，常规影像学分析显示植入 区域的材料体积发生改变，但无法区分此体积改变是由材料自身的降解溶胀引起，还是由 周围组织的炎性水肿所致，使得对材料网络结构是否保持完整的判断，缺少直接的物理量 支撑；为获取与材料网络结构直接关联的参数，将本发明检测系统应用于该场景；在首次测 量时，将体外光学探头模块贴敷于创腔表面的皮肤上，数据处理模块首先执行自校准规程， 该规程控制探头内的发光二极管发射高能量光脉冲，并依据所检测到的由示踪剂颗粒的光 热效应引起的瞬态光学响应特征，确定了一个表征该水凝胶-示踪剂复合结构在体内初始 状态的基准值；此步骤为后续所有的测量提供了一个经过在体校准的初始信号基准， 随后系统转入常规监测模式，周期性地记录光学信号，并基于基准值计算出水凝 胶的等效质量损失速率。

系统运行至第48小时，数据处理模块所计算的等效质量损失速率出现非预期的加 速；需要说明的是，仅凭这一维度的信息，尚无法判断该加速是源于个体代谢差异的过程， 还是源于并发症所引发的降解；此时，数据处理模块的另一项并行分析逻辑，即对同一原始 光学信号进行的频域分析，显示出一个协同变化，该分析逻辑持续追踪在0.8Hz至2.5Hz心 率频率范围内的信号能量变化，并计算出表征局部组织血流灌注状态的生理指标，数据 显示，在该等效质量损失速率出现加速之前的12小时内，生理指标的基线已呈现持续的 单向上升的趋势；数据处理模块基于降解速率的加速与生理指标的持续升高这两个物理量 之间已建立的协同变化关系，输出一个并发症风险预警；此预警并非临床诊断，而是一个材 料分析层面的技术指标，其表征了材料的物理化学状态变化与其所处微环境的物理状态变 化之间出现了关联；该信息为后续的干预决策，提供了一个在其他体征出现之前的客观数 据参考，此种方式将一个原先依赖间接形态学观察的分析问题，转化为一个可通过两个独 立物理参数的协同变化进行交叉验证的定量分析过程。

实施例2：为验证本发明检测系统在量化水凝胶降解速率方面的准确性，并将其与 间接测量方法及缺少校准环节的系统进行性能对比，进行本实施例的试验；试验目的在于， 通过在体外受控环境中模拟材料降解过程，将系统输出的等效质量损失速率，与材料的实 际质量损失以及常规的体积变化指标进行比较；试验平台由一个恒温水浴装置，一套光学 测量系统以及一套基准数据采集系统构成；其中，恒温水浴装置用于提供37.0的稳定环 境，内部盛有含胶原酶的模拟体液，用以降解水凝胶；光学测量系统即为本发明检测系统， 其体外光学探头模块包含一个峰值波长为808nm的近红外发光二极管和一个采样率为 100Hz的硅光电二极管；基准数据采集系统包括一台精度为0.1mg的分析天平，用于通过冻 干称重法测定水凝胶的实际质量损失，以及一套由500万像素相机和图像分析软件组成的 体积测量装置。

试验样品的制备过程如下，将平均粒径为500nm的二氧化硅微球作为示踪剂颗粒， 与一种明胶-甲基丙烯酰基水凝胶前体溶液物理混合，形成待测混合物；试验共设置三个样 组，分别为本发明样组，对照组A和对照组B；其中，本发明样组在制备时，每一样品的混合物 体积在1.0mL上下浮动10%，用以模拟临床注射操作中的剂量差异；对照组A的制备方式与本 发明样组相同；对照组B则不进行光学测量，仅用于体积和实际质量的基准测量；试验开始 时，将所有样组置于恒温水浴装置中；对于本发明样组，在0时刻，系统首先执行自校准规 程，通过施加高能量光脉冲并分析所产生的瞬态光学响应特征，为每一个样品独立确定其 真实初始状态基准值；对于对照组A，则不执行自校准规程，其数据处理模块采用一个 基于理论浓度的固定初始信号值进行后续计算；此后，在12h、24h、36h、48h、60h、72h、84h及 96h的时间点，分别对各样组进行测量；本发明样组与对照组A通过各自的计算方式输出等 效质量损失速率；在每个时间点，从各样组中取出一个样品，通过冻干称重法测定其真实的 质量损失，同时对B组样品进行拍照以计算其体积变化；试验数据记录如表1所示。

表1：为各样组在不同时间点的测量数据对比表。

时间(h)	实际质量损失(%)	本发明样组-计算值(%)	对照组A-计算值(%)	对照组B-体积变化(%)
					0	0.0	0.0	8.1	5.2
12	8.5	8.3	16.5	3.1
					24	19.2	19.5	27.8	-2.5
36	31.8	31.5	40.2	-11.6
					48	45.1	44.7	53.9	-22.8
60	58.6	59.1	67.8	-35.1
					72	70.3	69.8	79.5	-46.7
84	81.2	81.9	90.1	-58.2
					96	89.5	88.7	97.4	-69.4

数据分析显示，本发明样组的计算值与通过冻干称重法测得的实际质量损失值， 在整个监测周期内的线性拟合决定系数大于0.99；对照组A由于缺少初始状态的在体校 准，其计算值在0时刻即存在一个由样品剂量差异引起的初始误差，且该误差在后续的计算 中持续存在；对照组B的体积变化数据显示，在降解初期0-12h区间，样品因吸水溶胀，其体 积增大，该变化趋势与实际的质量损失趋势相反，后续的体积减小速率也与质量损失速率 不成固定比例关系，表明基于体积变化的间接测量方式，其测量信息与材料网络结构的完 整性之间缺乏直接的对应关系；试验结果表明，本发明检测系统，通过执行初始状态的自校 准，能够对因操作引入的变量进行修正，提供一个与材料实际质量损失直接关联的定量的 降解速率分析方法，其数据准确性高于缺少校准环节的系统以及基于形态学变化的间接测 量方法。

实施例3：本实施例结合图1至图3，对一种可注射水凝胶伤口敷料降解速率检测系统说明，如图1所示，位于体内环境的水凝胶示踪剂复合结构作为核心信号源，其示踪剂的释放由凝胶网络孔径的动态变化所控制，体外探头部分的体外光学探头模块向植入区域发射探测光，并检测因示踪剂浓度变化引起的返回光学信号，数据处理部分则首先通过在体自校准模块，利用原始光学信号执行监测任务前的自校准，通过发射高能光脉冲并分析瞬态光学响应，确定一个表征真实初始状态的基准值，随后，在常规监测中，光学信号衰减率分析模块基于已校准的初始基准值，持续计算光学信号随时间的衰减率，并将其转换为材料的等效质量损失速率，从而得到与材料结构完整性直接关联的定量的水凝胶降解速率，与此同时，并发症风险预警分析模块对原始光学信号进行频域分析，提取心率频率范围内的能量作为生理指标，通过该指标的持续升高与降解速率加速的协同变化进行分析，最终生成并发症风险预警的分析结果。

如图2所示，系统启动后首先进入待机/就绪状态，等待操作员下达开始监测指令，接收到指令后，系统进入在体自校准状态，执行高能光脉冲发射与瞬态响应分析以建立测量基准，当校准完成并获取真实初始基准后，系统自动转换至常规监测状态，在该状态下，系统启动低功率周期性探测，并持续采集光学信号以分析降解速率与生理指标，若监测到降解加速与生理指标持续升高的预设风险条件，系统则从常规监测状态迁移至并发症风险预警状态并向用户发出警示信号，该预警状态在风险条件消失或操作员确认后，将返回至常规监测状态，而无论系统处于常规监测还是风险预警状态，一旦接收到操作员的停止监测指令，系统均将结束当前任务。

如图3所示，该流程由监测系统、降解速率分析、血流灌注分析、风险评估及预警输出五个逻辑单元协同完成，其中，监测系统首先向降解速率分析单元传输光学信号，该单元计算当前速率后与24小时平均值进行比较，若满足条件则向风险评估单元发出速率加速状态信号，同时，监测系统向血流灌注分析单元传输PPG信号，该单元通过频域分析计算生理指标并与基线值比较，若满足条件则向风险评估单元发出灌注增强状态信号，风险评估单元在接收到上述两个状态信号后，进入判断流程，仅当双重异常持续6小时的条件被满足时，才确认协同变化并向预警输出单元生成风险预警指令，最终由预警输出单元向外输出预警信号，随后系统返回并继续常规监测，若双重异常条件未满足，系统则直接维持正常状态并继续常规监测。

实施例4：为确保本发明系统在应用于不同配方的水凝胶材料及不同个体组织条件时，其输出的分析结果具有一致性与可比性，需要执行一套标准化的离线标定与模型建立规程；该规程的目的在于，通过在体外可控条件下，为系统内置的数据处理模型提供确定的参数，从而将原始的物理信号与待测材料的特定物理状态进行关联；该标定规程在一套由组织模拟体模和标准力学测试架构成的实验平台上执行；首先，为建立用于甄别示踪剂颗粒物理状态的光声信号特征模型，需制备三组样品：第一组为将示踪剂颗粒物理禁锢于未降解水凝胶网络中，用以代表禁锢态；第二组为将同种示踪剂颗粒悬浮于模拟体液中，用以代表网络外的释放态；第三组则将示踪剂颗粒与巨噬细胞共培养后制成样品，用以代表被细胞吞噬后的状态；随后，采用本发明包含超声换能器的体外光学探头模块，对三组样品分别进行激发与接收，以获取各自的光声信号。

数据处理模块对所采集的各组光声信号进行处理，其算法路径如下：第一步，对每 个光声信号时域波形进行傅里叶变换，得到其对应的频谱；第二步，从频谱中提取峰值幅度 与能量质心频率这两个特征参数；通过对三组样品的数据进行统计分析，建立一个状态分 类规则，一个光声信号在满足其峰值幅度大于预设幅度阈值，且其能量质心频率大于预 设频率阈值时，其所对应的示踪剂颗粒被判定为处于禁锢态；此处的阈值与，是 通过采用支持向量机（SVM）的分类算法对校准数据集进行训练后得到的分类边界参数，该 规程将状态甄别问题，转化为一个基于客观测量与统计模型的分类过程；其次，为确定表征 水凝胶结构完整性的力学指标的计算参数，需建立其与材料力学性能的关联；该过程首先 制备一系列处于不同降解程度，即实际质量损失分别为0%、20%、40%、60%、80%的水凝胶样 品，并采用流变仪测量并记录每一个样品对应的储能模量作为其结构完整性的基准值； 随后，对每一个样品执行本发明标准化的外部机械扰动，并记录在此扰动下光学信号所产 生的瞬态响应波形；数据处理模块从该波形中提取最大变化幅度与上升沿斜率 两个特征；通过对所有样品的值与对应的数据对进行多元线性回归分析， 可确定计算公式中的权重系数与；需要说明的是，此处 的力学指标与储能模量的单位不同，但通过该回归标定，建立了二者之间的映射 关系；完成上述规程后，数据处理模块中用于状态甄别的分类阈值以及用于计算力学指标 的权重系数均被确定；经过此标定流程的任一检测系统，其后续在常规监测模式下输出的 降解速率在经过光声信号校正后，可修正伪释放和伪聚集等因素的干扰，同时其输出的力 学指标也与材料的实际力学性能建立了关联，使其对材料状态的综合分析建立在一个可溯 源的经过标定的数据模型之上。

实施例5：在将本发明检测系统应用于一种新的水凝胶材料配方之前，需执行一项 离线标定规程，以建立该特定材料的光学信号衰减速率与其等效质量损失速率之间的定量 校准模型；该规程通过制备多组包含有示踪剂颗粒的新配方水凝胶样品，并将其置于体外 加速降解环境中，在多个预设时间点，同步采用本发明系统测量其光学信号衰减速率，并采用冻干称重法测量其真实的质量损失速率，从而获得一系列数据对，通过对这些数据对进行多项式回归拟合，以确定函数关系，该函数关系及其拟合系数即构成预设的校准模型，并被存储于数据处 理模块中，与该特定水凝胶材料配方的标识符相关联。

相应地，在对特定监测目标进行常规监测任务之前，为修正个体组织光学特性对 组织水肿状态指标测量的影响，需执行一项现场基线确定规程；在该规程中，于水凝胶-示 踪剂复合结构植入后常规监测开始前，操作者将体外光学探头模块置于监测目标邻近的一 处未受创伤影响的健康组织区域，系统采用宽带电磁辐射进行一次测量，并计算出该健康 组织的吸水指数；该测量值被数据处理模块存储为该监测目 标的个性化基准值，在后续的常规监测中，系统所报告的组织水肿状态指标，即 为当前测得的吸水指数与该基准值的差值，从而提供一个已针对个 体基线进行归一化的差分测量结果。

实施例6：为使双峰序贯释放示踪剂体系在解析特定水凝胶降解过程时，其早期与 晚期阶段的信号具有最优的时间分离度，需执行一项离线优化寻参规程；该规程首先通过 体外降解试验，确定目标水凝胶材料在预设降解环境下的半衰期，即其质量损失达到50%的 时间；相应地，制备多批次将示踪剂颗粒封装于其中的可降解微球，各批次的微 球采用不同分子量或单体比的聚乳酸-羟基乙酸共聚物材料，并通过体外释放试验确定每 一批次微球的半衰期；最终，选择其半衰期与目标水凝胶半衰期最为接近的那一批次微球，作为实现该优化目标的组合。

为建立并发症风险预警功能所依赖的基线参考模型及异常状态的量化判断依据， 数据处理模块被配置为执行以下判断规程：首先，将当前测得的等效质量损失速率与 24小时前的速率滑动平均值进行比较，当大于该平均值的1.5倍时，判定降解过程进入 加速状态；其次，将当前测得的生理指标的12小时滑动平均值与初始24小时的基线值进 行比较，当该平均值持续高于基线值的1.2倍时，判定局部血流灌注进入持续增强状态；仅 当降解加速状态与血流灌注持续增强状态同时出现，且该双重状态的持续时间超过6小时， 系统的数据处理模块才最终输出并发症风险预警。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例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等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种可注射水凝胶伤口敷料降解速率检测系统，其特征在于，包括：

水凝胶-示踪剂复合结构，水凝胶-示踪剂复合结构由可注射水凝胶前体与示踪剂颗粒物理混合后在体内固化形成，示踪剂颗粒的粒径与水凝胶网络在降解过程中动态演变的孔径之间，被设定为存在一个预设的物理临界尺寸对应关系，该对应关系使得仅当孔径演变至大于粒径的临界尺寸时，示踪剂颗粒才从被物理禁锢的状态转变为可释放的状态；

体外光学探头模块，被配置为向植入有水凝胶-示踪剂复合结构的体内区域发射预定波长的电磁辐射，并检测由示踪剂颗粒浓度变化引起的光学信号；

数据处理模块，被配置为：首先执行自校准模式，在该模式下控制体外光学探头模块发射高能量光脉冲，并依据所检测到的由示踪剂颗粒的光热效应引起的瞬态光学响应特征，确定一个表征水凝胶-示踪剂复合结构在体内真实初始状态的基准值；然后执行常规监测模式，在该模式下基于真实初始状态的基准值，确定光学信号随时间的衰减速率，并将衰减速率处理为水凝胶的降解速率；

以及，系统在发射高能量光脉冲之前，先通过空间分辨漫反射测量法快速无创地获取当前植入点上覆组织的有效光衰减系数，随后再通过高能量光脉冲激发获得瞬态光学响应特征值，最终将该现场测得的(，,)数据对代入校准模型中，解算出经个体化组织特性校正后的真实初始状态基准值；

其中，校准模型的建立规程如下：在离线标定阶段，使用一系列具有不同且已知的有效光衰减系数的组织仿体，在每一特定的组织仿体下，制备并测量多组具有不同已知示踪剂浓度的水凝胶样品，并记录其瞬态光学响应特征值S，由此获得一组包含(,,)的三维数据集，其中为示踪剂颗粒的真实浓度；采用响应面法等多元回归分析技术对该数据集进行拟合，以建立校准模型。

2.根据权利要求1所述的一种可注射水凝胶伤口敷料降解速率检测系统，其特征在于，数据处理模块还被配置为用于：对体外光学探头模块所检测的光学信号进行频域分析，以在覆盖0.8Hz至2.5Hz的预设心率频率范围内提取一个表征局部组织血流灌注状态的生理指标，其中，，其中，为光学信号在心率频率范围内的信号能量，为光学信号的直流分量信号能量；并基于降解速率的加速与生理指标的持续升高之间的协同变化，生成并发症风险预警。

3.根据权利要求1所述的一种可注射水凝胶伤口敷料降解速率检测系统，其特征在于，示踪剂颗粒包含至少两种具有不同释放动力学特征的示踪剂组分，其中第一示踪剂组分为自由态示踪剂颗粒，第二示踪剂组分为被封装于可降解微球内的缓释态示踪剂颗粒；且数据处理模块被进一步配置为用于通过解析由至少两种示踪剂组分的序贯释放所形成的具有双相衰减形态的光学信号变化曲线。

4.根据权利要求1所述的一种可注射水凝胶伤口敷料降解速率检测系统，其特征在于，体外光学探头模块还包括一个与电磁辐射发射源同轴集成的超声换能器；且数据处理模块还被配置为用于控制体外光学探头模块发射纳秒级脉冲光以在示踪剂颗粒处激发产生光声信号，通过超声换能器接收光声信号，并基于光声信号的幅度与频谱特征来甄别示踪剂颗粒是处于水凝胶网络内的禁锢态还是网络外的释放态，进而基于甄别结果对所确定的水凝胶的降解速率进行校正。

5.根据权利要求1所述的一种可注射水凝胶伤口敷料降解速率检测系统，其特征在于，系统还被配置为用于响应于对体内区域施加的一次标准化的外部机械扰动，检测并分析由机械扰动在光学信号上引起的与水凝胶-示踪剂复合结构宏观形变相关的瞬态响应波形，并基于瞬态响应波形的幅度与变化速率特征，来确定一个表征水凝胶-示踪剂复合结构结构完整性的力学指标。

6.根据权利要求1所述的一种可注射水凝胶伤口敷料降解速率检测系统，其特征在于，体外光学探头模块发射的电磁辐射为覆盖近红外波段的宽带电磁辐射；且数据处理模块还被配置为用于分析光学信号中在一个与水分子的吸收特征相关的预设波长处的信号强度，以及在一个参考波长处的信号强度，并基于二者的比值变化，来确定一个表征体内区域组织水肿状态的指标。

7.根据权利要求1所述的一种可注射水凝胶伤口敷料降解速率检测系统，其特征在于，示踪剂颗粒为生物相容性的具有近红外吸收或散射特性的惰性颗粒。

8.根据权利要求1所述的一种可注射水凝胶伤口敷料降解速率检测系统，其特征在于，体外光学探头模块包括一个用于发射电磁辐射的发光二极管，和一个用于检测光学信号的光电二极管。

9.根据权利要求1所述的一种可注射水凝胶伤口敷料降解速率检测系统，其特征在于，瞬态光学响应特征为紧随高能量光脉冲之后出现的因示踪剂颗粒周围微环境发生瞬时热弹性形变而导致的背向散射光信号的波动回声。

10.根据权利要求1所述的一种可注射水凝胶伤口敷料降解速率检测系统，其特征在于，数据处理模块被进一步配置为用于将光学信号的衰减速率，通过一个预设的校准模型，转换为水凝胶的等效质量损失速率。