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
南京航空航天大学生物医学工程系, 江苏 南京 210016
脊柱的治疗非常重要, 其中螺钉的准确植入是其内固定术的一个重要影响因素。 但由于椎骨外形差异较大, 很容易在螺钉植入过程中出现误植, 从而引起并发症。 因此, 需要寻找一种准确的椎弓根螺钉植入检测与监测方法。 提出了一种联合近红外参数和CT影像方法, 该方法可应用于椎弓根螺钉的植入过程中, 将计划植钉路径上椎骨组织的近红外参数和CT值进行研究, 提高术中植钉的准确率。 首先以猪椎骨为实验模型, 规划手术中的典型螺钉植入路径; 然后采用相关系统测量植入针道上的光谱, 计算光谱分析得到最佳近红外参数, 将其定义为特征因子; 进一步将规划路径上的CT值与特征因子进行关联, 建立三维空间CT值与近红外参数的转换模型。 结果表明CT值与特征因子具有线性关系, 为椎弓根螺钉植钉手术中的螺钉位置实时监测提供了参考依据, 该模型可以用于螺钉植入术中监测和误植预警。 论文提出的联合近红外参数和CT影像的椎弓根螺钉植入术中监测方法, 为临床手术中植钉准确率的提高奠定了基础。
近红外参数 椎弓根螺钉 CT影像 关联模型 导航 Near-infrared parameter Pedicle screw CT image Correlation model Navigation
南京航空航天大学自动化学院, 江苏 南京 210016
研究光诱发和静息两种状态下的脑功能网络的信息传输枢纽、网络聚合能力和信息传输的最小路径的差异性。采用小世界网络理论对脑功能网络进行建模，通过对脑功能网络连接度、簇系数和最小路径进行分析，得出光诱发状态下的信息传输重要枢纽为岛叶、后扣带回功能区；丘脑、海马两处功能网络有较大聚合能力。光诱发过程从额上回经颞中回传输到枕中回。静息状态下的信息传输重要枢纽为楔叶、舌回；中央旁小叶、颞上回脑功能网络有较大聚合能力。静息状态下的左半区最佳信息传输路径为左额上回、左颞中回、右楔叶最后到左枕中回；右脑半区的为右额上回、右前扣带回、左枕下回最后到右枕中回。光诱发状态与静息状态的最佳传输路径有明显的区别。
医用光学 光诱发 功能磁共振 小世界网络 簇系数
南京航空航天大学 自动化学院 生物医学工程系, 南京 210016
运用光谱技术研究了椎骨组织不同位置的特征识别因子.光谱采集系统由双光纤手钻一体式探头(光纤芯径200 μm，中心距离0.5 mm)、卤素光源(波长360~2 000 nm)、光纤光谱仪(检测波长为200~1 100 nm)和计算机组成，可以同时获得生物组织的漫反射光谱和约化散射系数.以猪椎骨为实验对象，测量椎弓根螺钉植入针道上不同骨组织的漫反射光谱和约化散射系数，并对光谱进行特定波长的峰值、面积、斜率分析，获得特性识别因子.研究发现,椎弓根钉植入针道上不同骨组织的光谱表现出不同的变化特性.其中峰值的变化比约化散射系数的变化高1.88倍，面积的变化比约化散射系数的变化高2.05倍.在495~505 nm处，骨密质和骨疏质的光谱斜率都为正值；在520~535 nm处，骨密质光谱的斜率为正值，而骨疏质光谱的斜率为负值.结果表明，通过光谱特性分析获得的峰值、面积和斜率因子能够有效地区分针道上骨密质与骨疏质的差异.
椎弓根 光谱 骨组织 特征识别因子 Pedicle of vertebra Spectrum Bone tissue Characteristic identification factor
1 南京航空航天大学生物医学工程系， 江苏 南京 210016
2 东南大学附属中大医院， 江苏 南京 210009
利用功能近红外光谱技术(fNIRS)监测颅脑创伤(TBI)模型的大鼠脑组织。在大鼠左头部建立急性局灶性脑挫裂伤模型，以功能近红外光谱技术监测并记录颅脑创伤后大鼠脑部组织的优化散射系数，并利用核磁共振影像学、干湿比重法、有创颅内压(ICP)监测技术监测大鼠颅脑创伤后脑水肿和ICP的变化。实验结果显示创伤后脑部组织的优化散射系数、干湿比重法测量的脑水含量(BWC)和创ICP监测仪测量的ICP，三者在颅脑创伤后随时间的变化规律一致，大鼠脑组织的优化散射系数与BWC和ICP均存在正相关，且对颅脑创伤后脑组织的变化更为敏感。这说明优化散射系数是颅脑创伤监测的良好指标参数。
医用光学 功能近红外光谱 优化散射系数 脑水肿 颅内压 颅脑创伤 中国激光
2011, 38(s1): s104004
1 南京航空航天大学 自动化学院 生物医学工程系， 南京 210016
2 南京邮电大学 通信与信息工程学院，南京 210046
激光诱导间质热疗疗效评估的前提是必须获得准确的激光在不同功率、不同照射时间的生物组织温度场分布.利用多物理场直接耦合分析软件COMSOL Multiphysics构建了在组织光学参量不变情况下的三维有限元传热模型.该模型基于Pennes生物传热方程和轴对称高斯形状的激光光束热源方程，参量针对离体猪肝组织，考虑到了生物组织热物性密度、比热和热导率随温度变化的情况.仿真获得激光功率为0.77 W、0.95 W、1.23 W，照射时间为10~90 s，径向距离0~2 mm范围和轴向距离0~4 mm范围的温度场数据集.利用拟合算法，获得了自变量为激光功率、照射时间、径向距离和轴向距离的生物组织温度场分布模型.将功率为0.88 W和1.05 W时的结果与Pennes方程结果相比较，两者误差在5%以内.
激光诱导间质热疗 温度场 有限元 Pennes生物传热方程 Laser-induced interstitial thermotherapy Temperature distribution Finite element Pennes bio-heat transfer equation
南京航空航天大学 自动化院 生物医学工程系, 南京 210016
采用近红外光谱技术实现颅脑损伤的无损监测过程中,存在着检测深度不明确的问题.利用Monte Carlo模拟光子在生物组织中的传输过程，建立有效检测深度模型，对光纤探头在大鼠创伤性脑水肿模型中的有效检测深度规律进行了研究.采用不依赖于模板的阈值分割和窄带水平集分割方法，将大鼠头部MRI图像分为头皮、头骨、脑脊液、灰质和白质五部分，建立真实的大鼠脑组织三维模型，使Monte Carlo仿真结果更加准确.改进复杂组织光场分布仿真的tMCimg软件，使其能够实时记录光子在组织中的位置和光子被检测器接收时的能量，从而计算出探头在组织中的有效检测深度.分析了不同光源和检测器的中心距、光源芯径对有效检测深度的影响，结果表明光在大鼠脑组织中的有效检测深度小于或者等于光源和检测器中心距的一半，并随光源芯径的增大逐渐增大.建立大鼠脑水肿模型，验证了仿真结果的正确性.研究结果对于无创脑水肿模型的光纤探头的设计和脑水肿区域的判定有着重要的意义.
创伤性脑水肿 蒙特卡洛 有效检测深度 图像分割 Traumatic brain edema Monte Carlo Effective detection depth Image segmentation
1 南京航空航天大学 生物医学工程系，南京 210016
2 南京工程学院 自动化系，南京 210009
提出了基于近红外光电技术的脑水肿无创监测方法，对大鼠脑水肿的程度进行无创监测.阐述了监测设备的测量原理和系统组成，并对大鼠实验数据结果进行了分析.监测系统光源选用760 nm和程序850 nm的双波长发光二极管，通过恒流源电路驱动进行驱动.选用OPT101作为检测器，用锁相放大电路和滤波电路对所测信号进行处理.在LabVIEW环境下通过数据采集卡进行数据采集，并进行后期处理，该系统能够实时测量大鼠脑组织的血氧变化.利用该系统测量脑水肿模型的大鼠，分析了光强、血氧参量的变化与脑水肿变化的关系.研究结果表明近红外光电技术可应用于对大鼠脑水肿程度进行无损监测.
脑水肿 近红外 血氧含量 锁相放大 Brain edema Near infrared Blood oxygen content Phase-locked amplifier
1 南京航空航天大学生物医学工程系， 江苏 南京 210016
2 东南大学附属中大医院， 江苏 南京 210009
利用近红外光谱（NIRs）技术和米氏(Mie)理论对生物组织射频毁损散射特性进行了研究。首先通过近红外光谱技术对不同参数射频毁损术中大鼠进行实时监测，探索生物组织的约化散射系数(RSC)s与其热凝固程度的关系。然后利用米氏理论分析热凝固前后生物组织在形态方面的变化，探索热凝固导致生物组织光学参数改变的基本机理。生物组织的约化散射系数与生物组织的热凝固程度有着密切的关系，可以通过生物组织的约化散射系数反应生物组织的热凝固程度；生物组织热凝固后约化散射系数增大，平均等效散射颗粒半径减小，颗粒体密度增大，各向异性因子减小。
生物医学光子学 射频毁损 近红外光谱 米氏理论 约化散射系数 散射颗粒 光学学报
2010, 30(s1): s100411
