血氧脈搏儀設(shè)計(jì)含4張CAD圖及程序,脈搏,設(shè)計(jì),cad,程序
深度解析血氧飽和度雙波長(zhǎng)的光熱（DWP）光學(xué)相干斷層掃描測(cè)量
Roman V. Kuranov, Jinze1,2* Qiu, 2Austin B. McElroy2, Arnold Estrada2, Anthony Salvaggio2, Jeffrey Kiel, Andrew K. Dunn,2 Timothy Q. Duong,1,3 and Thomas E. Milner2
1眼科部門(mén),德克薩斯大學(xué)健康科學(xué)中心、圣安東尼奧德克薩斯78229,美國(guó)
2醫(yī)學(xué)工程部門(mén),得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校,德州78712,美國(guó)
3得克薩斯州南部退伍軍人衛(wèi)生保健系統(tǒng),圣安東尼奧德克薩斯78229,美國(guó)
*kuranov@uthscsa.edu
摘要:非侵入精確的測(cè)量血紅蛋白的氧飽和度(SaO2)水平,通過(guò)測(cè)量各個(gè)部位的血管，使疾的診斷和治療成為可能。我們介紹一種雙波長(zhǎng)成像（DWP）光學(xué)相干技術(shù)（OCT）用于無(wú)創(chuàng)式血紅蛋白的氧飽和度(SaO2)的精確測(cè)量，可以在非直接接觸血管的情況下進(jìn)行測(cè)量。DWP- OCT SaO2 是一種線(xiàn)性相關(guān)的血紅蛋白的氧飽和度測(cè)量方法。我們證明了使用DWP-OCT 800nm和765nm的波長(zhǎng)來(lái)測(cè)量的話(huà)，可以達(dá)到6.3%的精度。DWP- OCT血紅蛋白的氧飽和度水平的測(cè)量的不可靠性來(lái)源已得到確定。
?2011美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)
OCIS代碼：(170.1470)血液或組織成分進(jìn)行監(jiān)控；(170.4500)光相干斷層；(120.5050)相位測(cè)量；(170.6510)光譜、組織診斷；(300.1030) 吸收。
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1.介紹
組織含氧量是一種重要的生理參數(shù)。含氧量異常將導(dǎo)致組織和血液出現(xiàn)許多不可逆的傷害包括癌癥、炎癥和感染過(guò)程、糖尿病視網(wǎng)膜病變等[1],組織血氧含量可以通過(guò)有創(chuàng)式和無(wú)創(chuàng)式兩種方法來(lái)測(cè)量。
由于其在實(shí)踐和空間上固有的高精確度，最近利用光學(xué)的方法測(cè)量SaO2的水平已成為無(wú)創(chuàng)式測(cè)量的典型方法。含氧的血紅蛋白和不含氧的血紅蛋白之間對(duì)于可見(jiàn)光和紅外光譜的吸收存在明顯的差異，并且吸收的程度和血液中鮮紅的血紅蛋白的含量有關(guān)[2-11]。因?yàn)檫@些光譜方法提供動(dòng)脈和靜脈[2-8]和動(dòng)脈[9 - 11]SaO2平均水平通過(guò)相當(dāng)大量的組織、縱向和橫向的空間的測(cè)量。為了確定一個(gè)受損的組織特異性體積做出更準(zhǔn)確的的體內(nèi)評(píng)價(jià)。
鮮活血紅蛋白中德含氧量水平（SaO2）的縱、橫空間特異性對(duì)許多疾病的早期診斷和監(jiān)測(cè)是十分必要的,例如上皮組織癌癥,區(qū)域性發(fā)炎性及感染病、視網(wǎng)膜病,脈絡(luò)膜眼睛疾病和中風(fēng)等。例如,人類(lèi)的視網(wǎng)膜只有200μm厚,包括許多的良好分工的生理縱向?qū)雍陀袃蓚€(gè)獨(dú)立的氧氣供應(yīng)的血管(視網(wǎng)膜和脈絡(luò))。因?yàn)槊}絡(luò)膜血管供給血液流動(dòng)比視網(wǎng)膜高十倍甚至更高。不使用光學(xué)方法,很難測(cè)出SaO2縱向或橫向的特異性。
傅里葉變換域譜光學(xué)相干斷層攝影術(shù)(FD-OCT) [12,13]可以同時(shí)反映高度和深度的不同和時(shí)間的不同，并且已應(yīng)用在血氧含量的測(cè)量[14– 18]。盡管同過(guò)光譜相干性測(cè)量血氧含量中可見(jiàn)光反映在虛擬的投影上，同時(shí)是吸收最大的地方[17]。在近紅外光譜法,提供更多的深度滲透,僅有一個(gè)于血氧含量相關(guān)的因素已被證實(shí)[16、18]。光譜成像在可見(jiàn)光的范圍是有限的探測(cè)深度淺組織幾百微m和面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)監(jiān)測(cè)眼部疾病由于高靈敏度的視網(wǎng)膜感光細(xì)胞和刺激枕葉的腦半球。挑戰(zhàn)運(yùn)用光譜成像測(cè)量血氧飽和度水平：1）較低的紅外光吸收的氧/脫氧血紅蛋白（6%能量吸收通過(guò)300μm直徑的血管在吸收800nm波長(zhǎng)）；交換的光譜之間寬度和深度分辨的分辨率[13,19]；由于高信號(hào)變異會(huì)產(chǎn)生散斑干涉效應(yīng)。
儀器在相位的變化在一個(gè)樣品的吸收引起的單波長(zhǎng)激發(fā)光源和測(cè)量相敏（PHS公共衛(wèi)生署（Public Health Service））OCT [20–23]被稱(chēng)為光學(xué)OCT [ 24–27 ]。光成像技術(shù)用于檢測(cè)的造影劑在體外[ 25]，[26 ]在活細(xì)胞和體外組織[24,27]可用于早期癌癥[26 , 27]和動(dòng)脈粥樣硬化斑塊診斷[24 ]。在本文中，我們引入一個(gè)雙波長(zhǎng)光學(xué)相干層析成像OCT（DWP -OCT），以激發(fā)和探測(cè)光的近紅外光譜區(qū)域的深度分辨血氧飽和度監(jiān)測(cè)在組織幻影。我們的方法適用于深度解析測(cè)量梯度SaO2 水平投影和不受信號(hào)的高變異的光譜成像方法.
2．材料與方法
實(shí)驗(yàn)裝置的dwp-oct（圖1）系統(tǒng)測(cè)量血氧飽和度水平，包含三個(gè)主要部分組成：1）激發(fā)激光（800nm或765nm）和光纖傳輸系統(tǒng)誘導(dǎo)nm級(jí)光學(xué)光程長(zhǎng)度變化的血液樣本；2）樣本組成的一個(gè)非吸收聚四氟乙烯（PTFE聚四氟乙烯）含導(dǎo)管血液可變的
圖1。雙波長(zhǎng)的光熱（DWP）- OCT可調(diào)諧鈦-鋁陶瓷激光是用來(lái)作為激勵(lì)源（765和800nm）。激光激發(fā)光強(qiáng)度調(diào)制在42赫茲的機(jī)械斬波器和運(yùn)送到血液樣本通過(guò)多模50μ核心直徑光纖（不適用=0.22）。相對(duì)強(qiáng)度的激發(fā)激光的血樣本是校準(zhǔn)4%部分反射。OCT探針光（1328nm）發(fā)射從單一模式光纖的重點(diǎn)是血液樣本從上部與自聚焦透鏡。參考反射鏡（5%）提供了OCT的參考光信號(hào)。鑲嵌在右上方角顯示吸收光譜的氧和脫氧血紅蛋白。虛線(xiàn)線(xiàn)表明激光激發(fā)波長(zhǎng)（765nm和800nm）被用在實(shí)驗(yàn)報(bào)告上。
梯度血氧飽和度水平；和3）相敏（PHS ）OCT系統(tǒng)[23]測(cè)量血氧飽和度依賴(lài)光學(xué)光程長(zhǎng)度的變化引起的激勵(lì)激光。
聚四氟乙烯管材的能力，保持恒定的血氧水平測(cè)試使用的是商業(yè)血氧檢測(cè)儀 (ITC, 1000E, Edison, NJ)。SaO2=97.6%是放置在聚四氟乙烯管在室溫下230分鐘；去除后，血氧檢測(cè)儀-measured SaO2級(jí)顯示減少1.7%，變成95.9%。
相位的測(cè)量提供了dwp-oct相關(guān)光學(xué)光程長(zhǎng)度（op）變化響應(yīng)的雙波長(zhǎng)（765nm和800nm）激發(fā)的血液樣本。光學(xué)光程長(zhǎng)度的變化（op=φλ/（4π））樣品中的光吸收氧和脫氧血紅蛋白血液中，在φ測(cè)量相位變化在一個(gè)特定的深度和λ=1328nm波長(zhǎng)的dwp-oct系統(tǒng)中心。測(cè)量op在765nm和800nm激光激發(fā)波長(zhǎng)是用來(lái)計(jì)算血氧飽和度水平的血液使用一個(gè)分析模型，描述在以下部分2.5。
2.1 樣品制備
新鮮豬動(dòng)脈血液收集，放置在一個(gè)密封的容器和儲(chǔ)存在4攝氏°抗凝，肝素鈉50單位每50毫升血液之后立即加入收藏。準(zhǔn)備樣品分級(jí)血氧飽和度水平dwp-oct測(cè)量分為相等的部分血液和一部分加入連二亞硫酸鈉5毫克每1毫升血液實(shí)現(xiàn)樣品與血氧飽和=0%。含氧動(dòng)脈血混合0%血氧飽和度的血液在不同的比例達(dá)到中級(jí)血氧飽和度水平的18.5%，58.4%，84.1%和92.8%。血液樣本所需的血氧飽和度水平保持在房間溫度（22°C）在2.5毫升密封比色杯至少20分鐘之前，dwp-oct避免小漂移測(cè)量氧[ 28]。聚四氟乙烯導(dǎo)管與330μm內(nèi)徑和外徑480μm（升華物subl-190，布倫特里科技股份有限公司）是固定的表面1毫m厚的玻璃幻燈片使用環(huán)氧樹(shù)脂和充滿(mǎn)血液時(shí)制備的血氧飽和度水平使用1毫升的注射器。其余的血液在注射器用于同時(shí)參考測(cè)量血氧飽和度的血氧檢測(cè)儀。生產(chǎn)廠家指定血氧飽和度的測(cè)量精度的血氧檢測(cè)儀（誤差）1%。dwp-oct后測(cè)量每個(gè)血液樣本，影像用蒸餾水沖洗和用空氣強(qiáng)行干燥。
2.2激光激發(fā)
一個(gè)900m拉的鈦氧化鋁激光系統(tǒng)（相干公司，圣克拉拉，加利福尼亞州）是用在連續(xù)
波模式誘導(dǎo)光學(xué)光程長(zhǎng)度（op）的變化，血液樣本（圖1）。首先，該激光調(diào)諧振蕩在765nm證實(shí)了光學(xué)光譜儀（USB-2000，海洋光學(xué)，達(dá)尼丁，佛羅里達(dá)州）。激光發(fā)出的光被耦合到0.22的50μm核心直徑多模光纖使用光纖準(zhǔn)直器（f=11.23毫m）。光輸出光纖準(zhǔn)直與雙凸鏡（f=25.4毫m）和強(qiáng)度調(diào)制（F=42赫茲）與機(jī)械斬波器。一小部分（4%）的激發(fā)光被用來(lái)作為一強(qiáng)度的參考和耦合到一個(gè)硅光電探測(cè)器（2032，新的重點(diǎn)，爾灣，加州）使用薄玻璃蓋片和透鏡（圖1）。強(qiáng)度參考信號(hào)從硅探測(cè)器是數(shù)字化，以14位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（usb-6009，國(guó)家儀器，奧斯汀，德克薩斯州）在100 S/秒存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)存，計(jì)算血氧飽和度水平。
端面的激發(fā)激光輸出光纖放在1毫m以下的玻璃幻燈片基本血液樣本給予900μm束直徑的影像。在較寬的激發(fā)光束口徑而允許容易配準(zhǔn)OCT和激光激發(fā)光束。從光的激光受阻時(shí)，dwp-oct快門(mén)數(shù)據(jù)不被記錄。在同時(shí)照射血液樣本和記錄參考信號(hào)的強(qiáng)度下，遮光片完全被打開(kāi)15- 20秒并且OCT數(shù)據(jù)被記錄同時(shí)記錄激發(fā)光（765nm）的沖擊對(duì)血液樣本的4 - 6秒。本測(cè)量程序使用765nm的激發(fā)光是重復(fù)三到五個(gè)連續(xù)的時(shí)間為每個(gè)血液樣本。當(dāng)時(shí)的激光調(diào)整到800nm和測(cè)量程序重復(fù)同一血液樣本為765nm的激發(fā)。以下激光激發(fā)在765nm800nm，血液中的影像被刪除，清潔管腔和取代血液準(zhǔn)備另一個(gè)血氧飽和度水平。測(cè)量程序重復(fù)刺激血液樣品在765nm和800nm和記錄雙方dwp-oct和激光激發(fā)強(qiáng)度的參考數(shù)據(jù)。平均激光激發(fā)在每個(gè)血液樣本固定在23兆瓦（765nm）和51千瓦（800nm）。高功率在800nm是由于有限的發(fā)射能力的激光波長(zhǎng)在765nm。
2.3. 相位敏感成像系統(tǒng)
相位敏感(PhS) OCT系統(tǒng)（圖1）是用來(lái)衡量nm、亞nm尺度變化光程樣本響應(yīng)激光激發(fā)。該phs-oct系統(tǒng)以前已有詳細(xì)介紹 [ 23]。簡(jiǎn)要的說(shuō)，(PhS) OCT系統(tǒng)使用20千赫席卷源激光中心波長(zhǎng)為1328nm和帶寬為100nm（hsl-2000桑特克，美國(guó)公司，哈肯薩克市，新澤西州）和采用共同路徑幾何相關(guān)。該系統(tǒng)提供了良好的穩(wěn)定階段（65pm在280μm深度）和低降解光學(xué)光程長(zhǎng)度敏感性與深度（0.16nm/mm）。采集和顯示的模式數(shù)據(jù)使用一個(gè)真正的均勻時(shí)間-頻率的時(shí)鐘信號(hào)。一個(gè)圖的影像，m-模式強(qiáng)度地圖，強(qiáng)度A-掃描和m-模式階段地圖的影像充滿(mǎn)血液是分別顯示在圖2A，圖2B，圖2C和圖2D。
圖2。A）血管影像幾何圖，M-型強(qiáng)度地圖，C）強(qiáng)度OCT A-掃描，和D）M型相位圖。線(xiàn)路常數(shù)相位的M型相位圖和峰值強(qiáng)度OCT 的地圖和一個(gè)掃描對(duì)應(yīng)：1–血管上表的空氣氧含量。（光學(xué)光程長(zhǎng)度，op =73μm），2–血管上表的空氣氧含量（op=187μm），3–下血管接口（op=572μm），4投影方向-環(huán)氧樹(shù)脂界面（op=676μm），5 -環(huán)氧玻璃幻燈片接口（op =749μm）。藍(lán)色箭頭的強(qiáng)度地圖表明邊界之間的紅細(xì)胞缺乏血液血漿和紅細(xì)胞沉降引起致密層。
2.4. 深度分辨光學(xué)成像信號(hào)
深度解析光熱成像信號(hào)相應(yīng)的變化，光學(xué)光程長(zhǎng)度（op）測(cè)量五個(gè)做好的血液樣本（圖2）：1–空氣與上血管接觸界面（op=73μm），2–上表層血液界面（op=187μm），3-下表層血液血管接觸面（op=572μm），4–血管膠層接觸面（op=676μm），5 –血管膠層-玻璃片接口（op =749μm）。強(qiáng)度的信號(hào)噪聲比（信噪比），規(guī)模的變化引起的激發(fā)激光近等吸收點(diǎn)（800nm）和信噪比的檢測(cè)op在五種深度的結(jié)果總結(jié)在表1
表1。典型的信號(hào)和噪音水平在五個(gè)深度的結(jié)果（SaO2 =18%）圖2所示。
在這里，分貝計(jì)算為20log 10?（信噪比）
測(cè)量OP的變化在一個(gè)給定的樣本深度的結(jié)果積累,光學(xué)光程長(zhǎng)度的變化探測(cè)光的傳播通過(guò)覆層[ 24]。到測(cè)量血氧飽和度水平在血液樣本，影響光學(xué)光程長(zhǎng)度變化覆層必須排除和需要測(cè)量差分光學(xué)光程長(zhǎng)度（Δop）兩者之間的縱向點(diǎn)的距離。測(cè)量血氧飽和度水平的血管中光流量，通過(guò)下表層血液血管接觸面（3）和上表層血液血管接觸面（2）的光學(xué)光程長(zhǎng)度差Δop來(lái)計(jì)算。計(jì)算值表示血液中的血氧飽和度水平的血管光流量。作為參考，血氧飽和度水平也計(jì)算Δop之間的深度1和5
它提供更高的信噪比，OCT信號(hào)強(qiáng)度（表1）。獲得dwp-oct數(shù)據(jù)需要8- 12秒。在DWP-OCT數(shù)據(jù)采集時(shí)間內(nèi)打開(kāi)快門(mén)，使血液樣本的接收激光輻射的4- 6秒。一秒鐘的時(shí)間間隔對(duì)dwp-oct數(shù)據(jù)包括激光激發(fā)樣品用于計(jì)算血氧飽和度水平。在一段時(shí)間間隔至少1秒后開(kāi)放的快門(mén)消除瞬態(tài)效應(yīng)。在減去線(xiàn)性趨勢(shì)后，這1秒的時(shí)間內(nèi)的DWP-OCT-數(shù)據(jù)（圖3）是傅里葉變換計(jì)算振幅差分光學(xué)光程長(zhǎng)度在42赫茲（Δop（F=42hz），圖3）。
圖3。A）光學(xué)光程長(zhǎng)度（op）的變化在深度5（線(xiàn)性趨勢(shì)消減）的反應(yīng)激光激發(fā)（血-氣飽和度=18.5%，在800nm激勵(lì)在42赫茲）。B）振幅變化的op在水深1- 5與激發(fā)激光調(diào)制頻率（灰色軌跡圖B中是根據(jù)A中快速傅里葉變換的op描繪的）。
2.5 . 血氧飽和度（SaO 2）水平
光熱OCT能夠測(cè)量激光誘導(dǎo)變異op上的nm級(jí)散射物體如人體組織 [24–27]。在dwp-oct，激光激發(fā)波長(zhǎng)是用來(lái)誘導(dǎo)光學(xué)光程長(zhǎng)度（op）樣品中的變化。差異吸收光譜之間的氧和脫氧血紅蛋白的光譜區(qū)域（765nm和800nm，看到輸入在圖1）可利用dwp-oct確定血氧水平（血氧飽和度）。
由于光學(xué)光程長(zhǎng)度（op）的變化引起反應(yīng)臨床有關(guān)的激發(fā)激光輻射水平（兆瓦和數(shù)十兆瓦）減?。?.2nm–2nm），線(xiàn)性關(guān)系之間存在光程差（Δop）和照射激發(fā)光吸收血液在半個(gè)周期（τ=1 /2 fo）的激光激發(fā)：
其中L是血管直徑，Δopl（2）是由于激光激發(fā)在第2層和3層（血管）之間的差分光學(xué)光程長(zhǎng)度，（下標(biāo)1代表激光激發(fā)在λ1 =765nm，下標(biāo)2代表激光激發(fā)在λ2 =800nm），K是一個(gè)常系數(shù)，I1（2）τ-影響激發(fā)光在血管中的吸收量，τ=1 /2 fo=0.012秒是半周期調(diào)制激光激發(fā)光的強(qiáng)度，I1（2）是激勵(lì)幅值對(duì)入射光的吸收量，μal（2）–血液樣本在765nm（1）和800nm（2）的吸收系數(shù)。忽略吸收血液中的任何成分除血紅蛋白，使代數(shù)表達(dá)式的吸收系數(shù)在765nm和800nm的血中
其中Co是血紅蛋白含氧量濃度（mM），Cd是脫氧血紅蛋白的濃度（mM），αol（2）是查表得到的的摩爾消光的含氧血紅蛋白（cm?1mM，看圖1的入口），αdl（2）是摩爾消光脫氧血紅蛋白（cm?1mM）。根據(jù)血氧飽和度(SaO2 = co/( co + cd))和總血紅蛋白濃度(SaO2 = co/( co + cd))， 方程（2）可以被重寫(xiě)成：
當(dāng)吸收激發(fā)光更長(zhǎng)的長(zhǎng)度比容器直徑
（μa1,2l <
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