Method of measuring blood oxygenation based on spectroscopy of diffusely scattered light

基于漫散射光譜的血液氧合測量方法

來源：Quantum Electronics, Volume 47, Issue 4, 2017, Pages 355-360

《量子電子學》，第47卷，第4期，2017年，第355-360頁

 

摘要

本研究開發并實現了一種測量血氧合的新方法，該方法基于一種原創的兩步算法，從不同距離測量的漫散射光光譜中重建生物發色團（如血紅蛋白、水、脂質）的相對濃度。數值實驗和生物模型驗證表明，該方法能高精度重建物體的光學特性，并在存在加性噪聲且無需測量設備校準的情況下正確計算血紅蛋白氧合。動物實驗結果表明，該方法與以往其他研究組的結果一致，證明了將其應用于腫瘤組織血氧監測的可行性。

 

研究目的

本研究的主要目的是開發一種非侵入性、低成本的測量血氧合的方法，特別是用于腫瘤組織，以解決現有方法（如極譜法）的局限性，如侵入性、操作復雜和成本高。具體目標是利用漫散射光譜技術，實現對腫瘤微環境中血氧合的動態監測，為癌癥診斷和治療提供新工具。

 

研究思路

研究思路是基于漫散射光譜技術，通過測量生物組織表面不同距離（1.5毫米和3毫米）的漫散射光光譜，使用擴散近似模型重建組織的吸收系數和散射系數。然后，通過線性組合已知發色團（氧合血紅蛋白、脫氧血紅蛋白、水、脂質）的吸收光譜，計算它們的濃度，并最終根據公式（血氧合=氧合血紅蛋白濃度/總血紅蛋白濃度）確定血氧合水平。算法采用迭代方案和Levenberg-Marquardt優化，以處理噪聲和校準誤差。

 

測量的數據及研究意義

1. 漫散射光光譜強度數據：測量在不同距離（1.5毫米和3毫米）和不同氧分壓下的光譜強度，如圖2a和圖4a所示。研究意義：這些數據是重建光學性質的基礎，驗證了方法在噪聲環境下的魯棒性，顯示光譜變化能敏感反映氧合狀態。

 

 

2. 吸收系數光譜重建數據：從漫散射光光譜重建的吸收系數，如圖2b、圖3和圖5a所示。研究意義：通過近似發色團吸收光譜，成功分離各成分貢獻，證實方法能準確量化組織組成，即使在校準不完整時也能保持相對準確性。

 

 

3. 血氧合值計算數據：在生物模型和動物實驗中計算的血氧合值，如圖4b和圖5b所示。研究意義：生物模型數據與文獻氧合曲線一致，動物實驗顯示腫瘤生長中血氧合下降，驗證了方法在真實組織中的適用性，為腫瘤缺氧監測提供依據。

 

結論

本研究提出的基于漫散射光譜的血氧合測量方法，通過兩步算法有效重建了組織光學性質和血氧合，數值實驗和實驗驗證表明該方法具有高精度、抗噪聲能力強且無需復雜校準。結果證實了其在腫瘤血氧監測中的潛力，為臨床應用奠定了基礎。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

在生物模型實驗中，使用丹麥Unisense公司的Clark型OX-N微電極測量氧分壓（pO2），作為金標準對照，以驗證光學方法的準確性。具體研究意義在于：1. 提供準確基準：Unisense電極直接測量溶液中的氧分壓，為光學方法重建的血氧合值提供客觀驗證，確保結果可靠性，如圖4b所示，重建氧合曲線與電極測量值一致。2. 校準驗證：通過比較電極數據與光學數據，證實了方法在無需設備校準下的有效性，降低了系統誤差。3. 增強可信度：電極的高精度測量強化了該方法在生物環境中應用的可行性，為腫瘤缺氧研究提供了多模態驗證手段。總之，Unisense電極的應用為本研究提供了關鍵的金標準數據，是驗證光學方法準確性和推動其臨床轉化的重要支撐。