提出了利用光源-探测器小距离散射光谱进行疼痛测量的一种新方法。 首先, 基于修正的Beer-Lambert定律, 建立氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度变化与光源-探测器小距离探头所采集的散射光谱强度变化的关系式, 通过悬乳液血液混合液体模型实验, 将公式计算结果与组织血氧仪测量结果进行对比。 其次, 分别对7只大鼠的后肢注射福尔马林溶液以制造疼痛刺激, 用光源-探测器小距离光谱系统采集注射前、 后大鼠前扣带回的散射光谱, 同时, 用生物电信号采集系统获取注射前、 后大鼠前扣带回的局部放电信号。 最后, 计算氧合血红蛋白浓度、 脱氧血红蛋白浓度和总血红蛋白浓度的变化, 获取β波频段(13~30 Hz)每10 s的功率强度, 分析这些参数在注射前、 后的变化。 实验结果表明, 氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度变化的公式计算值与仪器测量值在液体模型实验中吻合较好, 其相对误差平均值与标准偏差为14%±5%, 因此, 利用光源-探测器小距离散射光谱进行氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度变化分析的准确度高。 在大鼠疼痛刺激实验中, 前扣带回的氧合血红蛋白浓度在注射后的5 min内出现短期增大, 随后单调减少。 反之, 脱氧血红蛋白浓度在注射后的5 min内出现短期减小, 随后单调增大。 总血红蛋白浓度在注射后没有显著性变化。 前扣带回局部电信号功率在注射后逐渐增大, 约20 min到峰值, 之后保持在峰值附近, 与注射前有显著性差异, 可以确认氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度的变化是与前扣带回功能激活高度相关的。 由此可见, 基于光源-探测器小距离探头的散射光谱系统可以有效地用于标记与疼痛处理相关的核团的功能激活和分析核团的神经-血管耦合机制, 为利用小动物模型增进对疼痛相关的脑血管功能的了解和疼痛测量提供了一种有效的新方式。
散射光谱 疼痛 血流动力学参数 光源-探测器小距离 Scattering spectrum Pain Hemodynamic parameters Small source-detector separation 光谱学与光谱分析
2020, 40(12): 3743
1 南通大学机械工程学院, 江苏 南通 226019
2 南京航空航天大学自动化学院, 江苏 南京 210046
考虑到激光间质热疗时激光从内置在组织中的光纤输出且光束为有限宽光束,建立了内插光纤的双层球体组织模型;基于蒙特卡罗法获得无限窄光束在组织内的吸收值,利用入射光强与格林函数进行卷积计算,获得有限宽光束的光传输方程;以高斯光束和平圆光束为例,分别对比分析了考虑与不考虑内插光纤时组织对有限宽光束吸收情况的变化。结果表明:组织对平圆光束的吸收值较小、对高斯光束的吸收值较大,内插光纤对组织吸收平圆光束的影响较小,而对光子出射中心附近组织吸收高斯光束的影响较大。因此,采用高斯光束进行激光间质热疗时应考虑内插光纤对组织吸收光能的影响。所提模型更加接近激光间质热疗的实际情况,对准确预估激光间质热疗的热毁损范围具有重要的意义。
医用光学 光传输 激光组织相互作用 蒙特卡罗法 卷积 光学学报
2020, 40(24): 2417001
1 南通大学机械工程学院, 江苏 南通 226019
2 南京航空航天大学自动化学院, 江苏 南京 210046
考虑到肿瘤的形状特征以及激光间质热疗时激光的传输方式为内置光源,首先建立了内插光纤的双层球体生物组织模型,然后假设光子从球体中心发射,建立了光子在组织内、球体边界及内插光纤表面的传输方式,最后采用Visual Studio软件编程,基于蒙特卡罗法对光在该组织模型中的传输进行仿真。仿真结果表明:光纤主要对光子出射端面附近的光子的运动产生影响;位于光子出射面下方的组织对光子能量的吸收大于出射面上方组织对光子能量的吸收;内层球体的半径越小,内边界的吸收值越大。与传统的蒙特卡罗方法相比,所建模型更接近于激光间质热疗的实际情况,对后续准确预估激光间质热疗的热毁损范围具有重要的实际意义。
医用光学 生物组织 蒙特卡罗法 球体模型 激光间质热疗
1 南通大学机械工程学院， 江苏 南通 226019
2 南京航空航天大学生物医学工程系， 江苏 南京 210016
以波长为720 nm处的散射光强I720为评估光学参数，探讨了激光热毁损过程中用远中心处双点光学参数实时评估近中心处热毁损效果的可行性。首先，对离体猪肝进行激光热毁损实验，实时采集距离毁损中心4，8，12 mm处的I720，当8 mm处的I720上升至初值的6倍时停止加热，共进行20组实验（A组），构建加热时间、8 mm和12 mm处I720上升倍数与4 mm处I720上升倍数的数学模型；然后，分别以4 mm处I720上升至初值的3、4、5、6倍为停止加热的条件，重复上述热毁损实验和实时数据采集，每种条件下各进行10组实验，共40组（B组）；最后，对B组实验的样本进行切片分析，建立I720上升倍数与毁损效果的对应关系。实验表明，利用加热时间、8 mm和12 mm处I720上升倍数估算4 mm处I720上升倍数的准确率可达90%以上。可用远离加热中心的双点光学参数实时评估近中心处激光热毁损效果。
医用光学 光谱分析 激光生物学 热毁损 实时评估
1 南通大学机械工程学院, 江苏 南通 2260019
2 南京航空航天大学生物医学工程系, 江苏 南京 210016
提出了利用近红外散射光谱对生物组织热毁损程度进行实时鉴别的一种新方法。 实验首先分别用功率3.5, 5, 6.5和8 W的808 nm脉冲激光对新鲜离体猪肝进行热毁损, 在距离毁损中心10 mm处实时采集近红外散射光谱和温度, 以最小二乘法拟合得到波长830～900 nm处的光谱斜率(S830～900), 将其不同上升幅度为条件结束加热。 其次, 对光谱采集点附近的组织作病理切片, 根据组织学特征进行评分, 采用3级评分制(3分为完全毁损, 2分为部分毁损, 1分为无效毁损)评估毁损程度。 最后, 分析加热期S830～900最大上升幅度、 降温后S830～900最终稳定值与病理分析的毁损程度之间的关联。 结果表明, 一般情况下, 若加热期S830～900上升至初值的4倍以上、 降温后最终稳定于3.5倍以上, 对应组织为完全毁损; 若S830～900加热期上升2～5倍, 降温后最终稳定于1～1.5倍, 对应组织为无效毁损; 其余为部分毁损。 根据分析结果, 首次建立了光谱因子与热毁损程度的关联, 利用加热期S830～900的最大上升幅度与降温后的最终稳定值来鉴别组织毁损程度, 可以很好的降低实验对象个体差异性对判断结果的影响, 具有很好的鉴别效果, 其准确率达到90%以上, 实现了组织热毁损程度实时、 准确的鉴别, 为组织热毁损实时监控提供了一种新思路。
激光热毁损 离体猪肝 散射光谱 实时监控 Laser thermal damage In vitro porcine liver Scattering spectroscopy Real-time monitor 光谱学与光谱分析
2017, 37(10): 3083
1 南通大学机械工程学院, 江苏 南通 226019
2 南京航空航天大学生物医学工程系, 江苏 南京 210016
探讨了基于可见-近红外光谱的生物组织激光热毁损实时监测的可行性。采用5 W、 808 nm激光对新鲜离体猪肝进行了热毁损实验,在距离毁损中心4、8、12 mm处实时采集可见-近红外光谱(330～1100 nm), 选取波长720 nm的散射光强(R d 720)作为评判因子。结果表明:加热初期R d 720随组织温度升高而快速增强,光 谱测量点与毁损中心距离越小, R d 720上升越快；达到有效毁损后,若保持加热,则温度继续上升 而R d 720趋于平稳;停止加热后,组织温度逐渐恢复到室温,而R d 720微降后基本保持不变且远高于初始值。 由此可见,生物组织的可见-近红外散射光强可以作为激光热毁损实时监测的一项重要参数。
光谱学 激光热毁损 可见-近红外光谱 实时监测 spectroscopy laser thermal damage visible and near-infrared spectrum real-time monitoring
1 南通大学机械工程学院, 江苏 南通 226019
2 南京航空航天大学生物医学工程系, 江苏 南京 210016
3 东南大学附属中大医院, 江苏 南京 210009
探讨了利用功能近红外光谱（FNIRS）实时在体监测激光诱导肿瘤间质热疗(LITT)进行疗效评估的可行性。实验采用新鲜离体猪肝和肝癌小鼠皮下移植瘤模型，按不同激光功率和加热时间进行LITT毁损热疗，利用FNIRS监测系统同时监测热疗过程中约化散射系数s。结果表明，FNIRS监测系统获取的约化散射系数在LITT热疗过程中呈上升趋势，起始阶段上升较快，达到一定数值后趋于稳定。激光功率越大，s上升越快。组织成分不一样时，约化散射系数的变化趋势一致，曲线形态有所不同。因此，FNIRS可以用于LITT实时在体疗效评估，s可以作为一种新的LITT术中实时在体疗效评估因子，通过监测s的变化将有助于指导临床热疗。
激光生物学 激光热疗 功能近红外光谱 约化散射系数 疗效评估
1 南通大学机械工程学院， 江苏 南通 226019
2 南京航空航天大学生物医学工程系， 江苏 南京 210016
利用光纤光谱仪和光纤探头建立脑组织血氧饱和度(hemoglobin oxygen saturation, SO2)微创在位测量系统。将悬乳液和全血的混合溶液作为生物组织模型，获取模型在不同SO2下可见光区实时吸收光谱与血氧分析仪所测SO2数据的样本集，将吸收光谱作归一化处理后取得500nm～600nm区间的4个光谱特征参量，通过统计分析建立特征参量与血氧饱和度的经验公式。结果表明：利用该系统获得了30只大鼠脑皮层不同深度的血氧饱和度SO2，其范围为64%～76%。这种方法有助于脑外科微创手术中实时在位测试脑组织血氧饱和度研究。
血氧饱和度 光谱仪 光纤探头 脑组织 hemoglobin oxygen saturation spectrometer fiber probe brain tissue
1 南通大学机械工程学院,江苏 南通 226019
2 南京航空航天大学生物医学工程系,江苏 南京 210016
分析了脑局部皮层的近红外漫反射光谱在研究脱水剂脱水作用中的可行性。将60只SD大鼠随机 分成A、B、C三组,每组分别在尾静脉推注0.9% NaCl、20%甘露醇和7.5% NaCl (均为10 ml/kg), 利用双光纤微 创探头实时在位采集推注前后大鼠局部脑皮质的近红外漫反射光谱,分析光谱变化。A组(0.9% NaCl) 推注前后光谱未见明显变化,B组(20%甘露醇)和C组(7.5% NaCl)推注后近红外区光谱斜率绝对值的相对变化率 分别上升 (5.5±1.2)%和(10.5±2.5)%, 三组间的差别存在统计学意义。可见,脑局部皮质的漫反射光谱可作为一 种评估脱水剂脱水作用的新方法。
光谱学 脱水作用评估 近红外漫反射光谱 脑皮层 大鼠 spectroscopy anhydration effect estimation near infrared diffusion spectrum cortex rat
1 南通大学 机械工程学院, 江苏 南通 226019
2 南京航空航天大学 生物医学工程系, 南京 210016
约化散射系数是生物组织光学研究中的一个重要的组织光学参数。利用微光纤探头与光纤光谱仪组成漫反射光谱采集系统对脑组织约化散射系数的实时在位测量进行研究。通过悬乳液与模拟胶模型实验推导了700~850nm波段约化散射系数与漫反射光谱斜率绝对值的关系式, 用模型对公式的计算精度进行验证, 利用该系统实时在位测量了20只大鼠脑组织在700nm、750nm和800nm处的约化散射系数。经统计分析, 大鼠脑白质约化散射系数在上述波长处分别为 30±5 cm-1、28±5 cm-1和25±6 cm-1, 脑灰质约化散射系数则分别为14±3 cm-1、13±3cm-1和12±3cm-1。脑组织约化散射系数实时在位测量对脑外科微创手术中的组织识别具有重要的参考意义。
约化散射系数 漫反射光谱 模拟胶 悬乳液 脑组织 reduced scattering coefficient diffusion spectrum phantom intralipid brain tissue
