1 浙江大学光电信息科学与工程学院，浙江 杭州 310027
2 浙江省医疗器械审评中心，浙江 杭州 310009
3 之江实验室类人感知研究中心，浙江 杭州 311100
采用蒙特卡罗模拟技术对血管组织在可见光波段的多光谱成像进行建模仿真，通过分析不同血氧饱和度下血液后向散射功率的绝对值、相对值、绝对差值和对比度，并考虑可能的干扰因素，优选出适合内窥环境下使用的450 nm、525 nm、630 nm和660 nm 4个成像波段。基于4个优选的成像波段展开了血氧饱和度检测的实验验证。在血管仿体组织上的实验结果表明，在95%的置信水平下，血氧饱和度的检测偏差为1.24%。研究结果验证了利用四波段进行内窥组织血氧饱和度检测的可行性。
医用光学 多光谱成像 内窥镜 血氧饱和度 蒙特卡罗仿真
1 北京理工大学光电学院, 北京 100081 精密光电测试仪器及技术北京市重点实验室, 北京 100081
2 北京理工大学光电学院, 北京 100081 精密光电测试仪器及技术北京市重点实验室, 北京 100081北京理工大学长三角研究院(嘉兴), 浙江 嘉兴 314019
组织血氧饱和度（StO2）是检测组织和血液中血液灌注和血液氧合变化的重要指标, 在临床及日常监测中具有重要意义。 高光谱成像以其非接触、 光谱信息丰富等优点, 成为一种评估StO2的新兴手段, 然而高光谱成像设备造价昂贵且操作复杂, 限制了其使用环境及发展。 传统工业相机获取皮肤组织的RGB图像空间分辨率高、 但其光谱分辨率低, 若能提高光谱分辨, 则其实现高精度生理参数测量成为可能。 提出了一种基于RGB图像高光谱重建的StO2评估方法。 该方法基于深度学习方法构建了从RGB图像到皮肤组织高光谱图像的重建模型, 获得了高物理可靠性皮肤组织高光谱图像, 并利用改进的朗伯比尔模型, 实现了区域StO2评估。 采用普通可见光相机与高光谱相机通过捆绑实验同时采集了49位受试者处于不同血液灌注状态下手部的RGB图像与高光谱图像作为数据集。 在对高光谱图像进行降维去噪的基础上, 根据含氧血红蛋白、 脱氧血红蛋白的特征光谱选取了450～600 nm（含31个光谱通道）波段作为重建光谱波段, 构建了基于深度学习的皮肤组织高光谱重建神经网络模型。 实验结果表明, 重建模型获得的皮肤反射光谱与高光谱相机直接采集的反射光谱曲线具有较高的一致性, 测试集中二者的平均绝对误差（MAE）为0.009 38, 均方误差（RMSE）为0.0148 1。 之后对重建模型得到的区域StO2测量结果与高光谱相机得到的测量结果二者的相似性进行了定量评估, 测试集样本中两种方法生成StO2空间分布图的二维相关系数均处于可靠范围内（大于94%）, 表明了本文提出的基于可见光图像高光谱重建的StO2评估方法具有较高的可靠性。 该研究利用普通彩色相机实现了区域StO2评估, 为各种疾病的临床诊断和监测提供了一种简单低成本的StO2监测方法。
组织血氧饱和度, RGB图像, 光谱重建, 深度学习 Tissue oxygenation RGB images Spectral reconstruction Deep learning 光谱学与光谱分析
2023, 43(10): 3193
武汉中旗生物医疗电子有限公司, 湖北武汉 430206
针对峰谷值法在低灌注下血氧饱和度测量准确度较低的缺点, 采用了一种基于卷积建模测量血氧饱和度的改进方法。该方法基于脉搏波具有周期性和稀疏性的特性, 通过对光电容积脉搏信号特征与其卷积信号特征进行分析, 使用其卷积信号代替脉搏信号测量血氧饱和度。实验结果表明, 提出的改进方法与峰谷值法在正常灌注指数下测量结果相近, 且在低灌注指数至 0.2%的条件下, 峰谷值法平均偏差和准确度分别为 5.304和 3.296, 改进方法的平均偏差和准确度分别为 1.224和 1.443, 改进方法的测量精度更高、稳定性更好, 为人体血氧饱和度测量提供了一种有效途径。
低灌注 光电容积脉搏信号 卷积建模 血氧饱和度 准确度 lowperfusion photoplethysmographysignal convolutionmodeling bloodoxygensaturation accuracy
1 华南师范大学生物光子学研究院激光生命科学教育部重点实验室，广东 广州 510631
2 华南师范大学生物光子学研究院广东省激光生命科学重点实验室，广东 广州 510631
3 南方医科大学附属广东省医学科学院广东省人民医院医学研究部，广东 广州 510080
建立了小鼠原位肝癌模型，利用活体荧光成像系统激发的荧光信号对肿瘤进行了定位，通过光声显微成像系统观察了正常肝小叶、肿瘤中心和癌旁的微血管结构特征和血氧功能。结果表明，正常的血管分布均匀、分化良好，而肿瘤的血管分布不均匀且混乱，分支直径增加，更适合低氧环境。光声技术在研究肝细胞癌方面展现出巨大的潜力，可以为肿瘤抗血管生成治疗和诸多肝脏相关疾病的诊断提供更深入的见解。
医用光学 光声成像 肝细胞癌 肿瘤微环境 血氧饱和度 抗血管生成治疗 中国激光
2023, 50(15): 1507105
暨南大学光子技术研究院广东省光纤传感与通信技术重点实验室，广东 广州 510632
光声功能成像利用动静脉血在光学吸收谱上的差异，通过多波长光声激发与探测来获得生物组织内血氧饱和度的空间分布，为医学研究与疾病诊断提供了重要的功能信息。 受限于压电传感器的超声探测灵敏度，小型化光声成像技术的血氧饱和度测量误差大，功能成像能力难以满足医学需求。针对这一问题，提出利用分布反馈布拉格光纤激光器作为敏感元件对微弱光声信号进行探测，利用两正交激光模式之间的拍频来读取超声引起的扰动。通过光学放大有效克服激光器的频率噪声，从而获得活体脑组织和直肠内壁血管的高空间分辨率的功能成像结果。
医用光学 光声成像 血氧饱和度 光纤传感器 信噪比 光学学报
2022, 42(20): 2017001
1 安徽工程大学人工智能学院，安徽 芜湖 241000
2 重庆医科大学附属第二医院妇产科，重庆 400010
3 中国科学技术大学苏州高等研究院，江苏 苏州 215009
为了比较外阴硬化萎缩性苔藓（VLS）组织和正常外阴组织高光谱的差别，得出各自的特点和规律，本研究通过高光谱成像技术定量分析了40位VLS患者外阴皮肤组织中黑色素含量和血氧含量。实验结果表明，VLS组织中黑色素含量指数和血氧含量指数均在统计学上低于正常外阴组织。因此，通过量化正常外阴组织和VLS组织中黑色素含量指数和组织血氧饱和度指数之间的差异，高光谱成像技术为实现对VLS的在体辅助诊断提供了可能。
激光与光电子学进展
2022, 59(6): 0617027
1 北京大学工学院生物医学工程系, 北京 100871
2 北京大学第一医院眼科, 北京 100034
3 北京大学深圳研究生院生物医学工程研究所, 广东 深圳 518055
4 深圳湾实验室, 广东 深圳 518052
利用视网膜功能测量仪对眼底进行结构成像来直接观察体内丰富的循环系统,并对视网膜的血氧饱和度及血管直径进行无创、定量的功能性成像测量。对糖尿病患者和健康人群进行视网膜功能成像并作定量比较分析,结果表明,在糖尿病患者中,视网膜动脉血氧饱和度相比健康人群有显著性提高,视网膜动静脉血氧饱和度差值有显著性增大,视网膜黄斑中心凹无灌注区面积也有显著增大。此外,在糖尿病患者和健康人群中,视网膜动静脉的直径均存在差异,且静脉直径总大于动脉直径。研究结果表明通过视网膜功能成像可以检测糖尿病患者的视网膜氧代谢和灌注率等参数的临床变化,帮助医生更好地观察、评估糖尿病患者视网膜微血管的病理改变,并在糖尿病患者眼科并发症的早期诊断和预后评估方面具有一定的应用潜力。
医用光学 视网膜功能成像 血氧饱和度 血管直径 眼底成像 糖尿病 激光与光电子学进展
2020, 57(5): 051701
1 河南大学 物理与电子学院, 物理与电子国家级实验教学示范中心, 开封 河南 475004
2 北京邮电大学 电子工程学院, 北京 100876
为研究光密度空间分布的规律, 分析了近红外光经过人体组织时的漫射路径, 研究了基于近似漫射解的组织血氧饱和度算法, 提出了检测光密度空间分布的方法并搭建系统进行测试。结果表明: 不同波长的近红外光在手臂组织中有不同的光密度空间分布, 对于波长为850、940 nm的近红外光, 光密度空间分布的线性区分别在20~40 mm、20~35 mm。传感器中光源到探测器的距离应选择在光密度空间分布的公共线性区。研究结果对探究组织中光密度的空间分布和设计组织血氧传感器结构具有指导意义。
漫射近似解 光密度空间分布 漫射光强 组织血氧饱和度 血氧传感器 diffuse approximate solution optical density spatial distribution diffuse light intensity tissue oxygen saturation blood oxygen sensor
