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《吉林大学》 2017年
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结合CWNIRS和ICG色素浓度谱的脑血流动力学检测关键技术研究

查雨彤  
【摘要】:大脑作为人体耗氧量最大的神经生理器官,其新陈代谢所依赖的氧气供应来自于充足的血液循环。一旦血氧供给无法满足脑组织微循环的代偿需要,则神经细胞将由于摄能不足而发生不可逆的组织损伤。特别需要指出的是,尽管脑组织耗能量巨大,但其自身几乎不具备供氧的储备功能,因此造成脑组织对缺血和缺氧的耐受力极低。目前,临床上脑血管局部循环代偿功能多采用脑血流动力学作为诊断依据。脑血流动力学主要包括颅内局部血流量、血流速、灌注压和血氧饱和度等参数,它们集中反映了脑组织血流灌注的动态特性。脑血流动力学参数作为临床缺血和缺氧引起的脑卒中和脑栓塞等典型脑血管疾病的重要诊断指标,其相关检查结果可用于定位颅脑损伤病灶以及对病情发展进行评估等。常规脑血流动力学检测方法包括数字减影血管造影成像技术(Digital Subtraction Angiography,DSA),正电子发射层析成像(Positron Emission Tomography,PET)和磁共振断层血管成像技术(Magnetic Resonance Tomography Angiography,MRTA)等。虽然这些检测方法空间分辨率较高,但存在放射性辐射,操作复杂和价格昂贵的缺点,因此无法实现长时间的床边脑血流动力学参数检查。近红外光谱法(Near Infrared Spectroscopy,NIRS)作为一种基于光扩散原理的非接触式测量技术,其工作的波长范围是780-1100nm,这恰好契合人体浅层组织吸光度测量的“生物窗口”,从而避免了水和脂肪等人体组织强吸光物质对测量结果的影响,显著提高了光谱信号的信噪比。人体在外部近红外光源的照射作用下,其内部的血红蛋白Hb(Hemoglobin)等组织成分发生光吸收和光散射等物理过程。通过建立生物组织光谱响应的数学模型,可以对血流量和血容积等血流动力学参数做定性和定量分析。NIRS具有较高的时间分辨率,近几年开始,其在脑科学研究领域的重要性愈发突出。连续波近红外光谱法(Continuous Wave Near-infrared Spectroscopy,CWNIRS)是一种利用恒定光强的近红外光源作为入射光的NIRS技术,具有系统结构简单、成本低和使用方便的特点,在临床监护和穿戴式医疗领域具有广泛的应用前景。吲哚菁绿(Indocyanine Green,ICG)是一种在近红外波段具有理想光谱吸收特性的无毒副作用的色素染料。依据其药代动力学特征,在医疗诊断过程中ICG常作为指示剂,利用光学方法测量其浓度变化,可以反映心血管供血和肝脏储备功能等生理机能。本文从临床上对于脑血流动力学状态非侵入且实时检测的需求出发,以组织光吸收理论和ICG指示剂稀释理论为基础,提出一种结合CWNIRS和ICG色素浓度谱的脑血流动力学无创检测方法(CWNIRS-ICG)。论文从理论基础、模型建立、方法优化、系统实现和实验验证等方面开展研究,构建ICG在脑组织和脑动脉中的浓度谱,以此为基础,完成脑血流动力学的检测系统设计及实验测试分析。具体研究内容包括:1、抗皮下血流扰动的脑组织ICG色素浓度谱模型研究。基于CWNIRS在组织中的光传播理论,针对表皮血流和组织背景光对于脑组织色素浓度谱的影响,研究一种探测深度差分的三波长光电检测方法。对包含皮下血流信息的光吸收信号与包含浅层脑组织和皮下毛细血管的复合光吸收信号进行回归和差分处理后,基于修正朗伯-比尔定律(Modified Lambert-Beer Law,MLBL)建立脑组织中ICG色素浓度谱的修正模型。2、抗血氧扰动的脑动脉ICG色素浓度谱模型研究。在基于脉搏分光光度原理和朗伯-比尔定律(Lambert-Beer Law,LBL)建立脑动脉中ICG色素浓度谱的基础上,针对脑血管病变时局部脑血氧和血红蛋白Hb浓度波动对脑动脉中ICG色素浓度谱的影响,依据MLBL建立血红蛋白Hb浓度变化曲线并利用其对ICG浓度谱线进行修正,以提高脑动脉色素浓度谱的测量精确度。3、基于SSE-EEMD的光电容积脉搏波PPG(Photoplethysmography)去噪处理及特征分量提取方法研究。针对脉搏指示剂光密度法采集到的PPG信号强度极弱、常规滤波手段难以有效去噪并提取出去除生理干扰的交、直流分量的问题,根据颅内PPG信号频率特征,提出一种基于奇异谱熵(Singular Spectrum Entropy,SSE)分析的集合经验模态分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition,EEMD)自适应脉搏特征信号提取方法SSE-EEMD,通过对脑动脉指示剂光密度信号进行EEMD处理,以重构信号的SSE数值最低为目标条件,自动筛选分解过程中叠加高斯噪声强度的最优值,使对应的包含脉搏特征信息的重构信号冗余度最低,从而提高脑动脉中血氧及指示剂浓度谱的测量精度。4、基于CWNIRS-ICG的脑血流动力学参数模型研究。针对单独以脑组织或脑动脉色素浓度谱均难以建立完整和准确的脑血流动力学模型的问题,基于组织光吸收理论和脉搏分光光度法,建立外源色素ICG在脑组织和脑动脉中的浓度变化曲线,从中分别计算出组织中的示踪剂积累量和动脉中的示踪剂引入量。此外,根据ICG的药代动力学特征,计算示踪剂峰值时间(Time to Peak,TTP)、血流指数(Blood Flow Index,BFI)和脑血氧饱和度(Cerebral Oxygen Saturation,c SO2)等参数;再次,基于菲克原理(Fick’s Principle)计算脑血流量(Cerebral Blood Flow,CBF)和脑血容积(Cerebral Blood Volume,CBV)等血流参数;最后,采用“黑盒”分析方法计算平均通过时间(Mean Transit Time,MTT)等参数。5、基于CWNIRS-ICG的脑血流动力学检测系统设计与实现。为实现脑组织和脑动脉中ICG色素浓度谱的同步数据采集,设计基于CWNIRS-ICG原理的脑血流动力学检测系统。系统采用上、下位机的结构设计,下位机由基于探测深度差分原理的光电传感测量装置、基于时分复用技术设计的光源信号调制模块、多波长混合生理信号调理模块及控制电路构成,上位机由C#和MATLAB共同开发。检测系统能够实现脑组织和脑动脉中修正色素浓度谱无创、同步和实时测量,以达到脑血流动力学自动检测分析的目标。6、高碳酸血症病理模型的动物实验及论文研究成果评价。通过对实验动物在不同CO2浓度配比混合气体条件下行机械通气,构建脑血流血氧异常状态的高碳酸血症病理模型。采用上述检测系统对血碳酸正常和不同程度高碳酸血症的动物模型进行脑血流动力学检测,并对脑血流动力学参数与血气分析相关参数进行一致性分析。分析结果表明CBF和CBV等参数测量结果与动脉血二氧化碳分压(Partial Pressure of Carbon Dioxide,Pa CO2)的变化密切相关,变化趋势具有较高的一致性,但MTT无变化一致性显现,与文献记录的生理变化对比结果吻合。另外,随着CO2浓度的升高,c SO2的测量值变化规律也与血气分析仪的参考值变化规律具有一致性。综上,论文研究的结合CWNIRS和ICG色素浓度谱的脑血流动力学检测方法,及基于此原理设计完成的脑血流动力学检测系统,能够为脑血流血氧的异常状态定量分析评价和脑血管病的病情评估提供切实依据。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:R318

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