脑血流中的血红蛋白有两种: 氧合血红蛋白(HbO2)和还原血红蛋白(HbR)。 这两种血红蛋白在脑血流中浓度的变化可以反应脑部神经活动, 提取其浓度变化信号可以为如癫痫病灶定位、 抑郁等相关疾病的诊断和治疗提供依据和参考。 目前, 使用近红外光谱提取脑血流信号的算法有EEMD-ICA法主成分分析法(PCA)、 独立成分分析法(ICA)、 相干平均法、 自适应滤波等, 这些算法在对近红外脑神经活动信号提取时都有各自的特点和优势, 但都重视如呼吸、 眼动等各种生理干扰, 忽视了测量过程中符合高斯分布的测量干扰, 如仪器精密度、 信号传输中的串扰等。 为了提取脑血流中氧合血红蛋白(HbO2)和还原血红蛋白(HbR)浓度变化信号, 设计了功能性近红外光谱(fNIRS)的脑血流参数采集装置, 选择波长为750和830 nm的二极管近红外光源采集脑部血流变化信号, 采用扩展的卡尔曼滤波(EKF)算法, 把生理干扰和测量干扰建立对应的数学模型, 使用基于误差平方和最小的原理进行递归计算, 通过对下一时刻系统的初步状态估计以及测量得出的反馈相结合, 得到该时刻无限逼近真实值的状态估计, 结合修正的朗伯比尔定律(Lambert-Beer law), 将光密度信号的变化转换为氧合血红蛋白(HbO2)和还原血红蛋白(HbR)浓度变化信号。 结果表明: 所提方法可以有效去除符合高斯分布的测量干扰, 在Valsava实验和视觉诱发实验中, 可以提取出脑血流中氧合血红蛋白(HbO2)和还原血红蛋白(HbR)浓度变化曲线, 和主流的EEMD提取脑信号算法比对其RMSE值提高了0.96%, r值提高了0.6%, 表明提出的方法有一定的优越性。 所提方法为相关脑部疾病诊断等提供了有效的脑神经活动探测方法。

采用传统的热稀释法和指示剂稀释法测量脑血流参数（cerebral blood flow，CBF）需要导管插植和定时采血，会对机体造成一定的损伤。本文针对上述测量方法存在的有创且操作复杂等问题，提出了一种基于Fick定律和朗伯比尔定律的快速、无创脑血流测量方法。该方法基于脉搏色素法/近红外光谱术（PDD-NIRS）技术，选用吲哚氰绿（indocyanine green,ICG）作为指示剂，通过对脑部和动脉ICG引入量的计算得到CBF。为验证模型的正确性，采用成年白兔进行了动物实验。对白兔静脉快速推注ICG色素，应用PDD-NIRS方法测量其CBF，然后计算出CBF值。 实验显示；应用PDD-NIRS方法测得的CBF相对误差为2%~4%，验证了该方法测量CBF的可行性；临床对比测量显示其平均误差满足临床诊断要求。该方法为临床诊断心脑血管疾病以及临床脑血流监护提供了有益的参考手段。

临床上脑血流量(cerebral blood flow, CBF)等脑血管血流动力学参数是脑血氧水平及脑血管储备功能诊断依据, 现有检测手段存在技术复杂及相应试剂或设备不适用于所有诊断人群等缺点。 为解决以上问题, 利用近红外光谱技术(NIRS)结合吲哚青绿(indocyanine green, ICG)脉搏色素浓度法, 研究了一种无创、 快速、 可重复测量的脑血流量床旁检测方法NIRS-ICG。 该方法根据静脉注射ICG后脑组织及脑动脉血流中三种主要吸光色团氧合血红蛋白(oxygenated hemoglobin, HbO2)、 还原血红蛋白(reduced hemoglobin, HbR)及ICG的浓度变化情况, 建立脑组织及脑动脉血流中ICG积累量及引入量模型, 以获得脑血氧及CBF等脑血流动力学参数。 为验证该方法的可行性, 将NIRS-ICG应用于血碳酸正常及高碳酸血症病理模型的实验猪的脑血流情况检测。 具体方法是: 分别对四组实验猪用按0%, 3%, 6%, 9%比例调制的CO2和空气混合气体施行机械通气, 静脉快速推注ICG后, 利用NIRS-ICG方法测量CBF、 脑动脉血氧饱和度(cerebral arterial oxygen saturation, SaO2)及脑血管管床平均循环时间(mean transit time, MTT)。 实验结果表明, NIRS-ICG测得的CBF随CO2比率升高而升高, SaO2随着CO2比例的升高而降低, MTT并无显著变化, 与生理变化一致。 因此, 该方法可为脑血氧及脑血管储备功能诊断提供可靠依据。

血流动力学参数检测一直是临床医学研究的热点。 针对临床上测量血流动力学参数的方法存在有创、 操作复杂、 不适合重复测量的问题, 研究了一种结合指示剂稀释理论与近红外光谱技术的指示剂光密度测量法, 实现了血流动力学参数的无创检测。 通过体外注射吲哚氰绿（ICG）色素指示剂, 建立其在血液循环系统中稀释代谢的动力学模型, 利用近红外发光探头在指端分时发送735, 805和940 nm三个波长的近红外光, 同时在手指对侧实时接收携带脉搏波信息的透射光信号, 将测得的信号上传至计算机进行分析处理得到随时间变化的ICG浓度并将其绘制成连续的色素浓度曲线, 根据该曲线确定色素平均传输时间MTT及初始色素含量Ct0等中间变量, 进一步推算出心排出量CO及循环血容量CBV两项血流动力学参数。 将该方法与临床上测量上述两种参数的“金标准”—热稀释法、 碘-131同位素标记法进行临床试验对比, 测得10组CO及CBV的试验对比数据, 经误差分析得到两项参数的相对误差最大值分别为8.88%和4.28%, 平均相对误差值均低于5%, 满足临床检测的精度要求, 为临床上血流动力学参数的测量提供了一种安全性强、 连续性好、 适应范围更为广泛的方法。

研究了一种近红外光谱抗扰动脑血氧分析仪, 用于解决常规脑血氧测试方法检测过程复杂、抗干扰措施繁琐等问题。分析与探讨了影响脑血氧检测精度的因素, 选择了合适的三波长近红外探测光源(735 nm/805 nm/850 nm)用于该系统。利用氧合血红蛋白和还原血红蛋白在近红外光波段的吸收特性, 得到这两种物质的浓度变化量, 推算出了影响血氧检测精度的源端干扰表达式。同时, 在检测端同步检测环境光, 消除了漏光干扰。最后对上位机得到的原始数据与干扰数据进行处理, 实现对大脑前额叶脑血氧波动的实时监测。设计了屏气实验以及源端干扰实验, 检验了仪器实验结果的正确性。结果表明: 本文所设计的脑血氧分析仪可以有效地检测血红蛋白的变化并能通过源端校正算法抑制源端干扰, 干扰抑制比可达70%以上, 基本实现了对人体无创、实时、准确监测的目的。