血氧脈搏儀設(shè)計含4張CAD圖及程序,脈搏,設(shè)計,cad,程序
深度解析血氧飽和度雙波長的光熱（DWP）光學(xué)相干斷層掃描測量
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,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
2醫(yī)學(xué)工程部門,得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校,德州78712,美國
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
*kuranov@uthscsa.edu
摘要:非侵入精確的測量血紅蛋白的氧飽和度(SaO2)水平,通過測量各個部位的血管，使疾的診斷和治療成為可能。我們介紹一種雙波長成像（DWP）光學(xué)相干技術(shù)（OCT）用于無創(chuàng)式血紅蛋白的氧飽和度(SaO2)的精確測量，可以在非直接接觸血管的情況下進(jìn)行測量。DWP- OCT SaO2 是一種線性相關(guān)的血紅蛋白的氧飽和度測量方法。我們證明了使用DWP-OCT 800nm和765nm的波長來測量的話，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量的不可靠性來源已得到確定。
?2011美國光學(xué)學(xué)會
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、炎癥和感染過程、糖尿病視網(wǎng)膜病變等[1],組織血氧含量可以通過有創(chuàng)式和無創(chuàng)式兩種方法來測量。
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)的方法測量SaO2的水平已成為無創(chuàng)式測量的典型方法。含氧的血紅蛋白和不含氧的血紅蛋白之間對于可見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@些光譜方法提供動脈和靜脈[2-8]和動脈[9 - 11]SaO2平均水平通過相當(dāng)大量的組織、縱向和橫向的空間的測量。為了確定一個受損的組織特異性體積做出更準(zhǔn)確的的體內(nèi)評價。
鮮活血紅蛋白中德含氧量水平（SaO2）的縱、橫空間特異性對許多疾病的早期診斷和監(jiān)測是十分必要的,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€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比視網(wǎng)膜高十倍甚至更高。不使用光學(xué)方法,很難測出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]可以同時反映高度和深度的不同和時間的不同，并且已應(yīng)用在血氧含量的測量[14– 18]。盡管同過光譜相干性測量血氧含量中可見光反映在虛擬的投影上，同時是吸收最大的地方[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]。光譜成像在可見光的范圍是有限的探測深度淺組織幾百微m和面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)監(jiān)測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300μm直徑的血管在吸收800nm波長）；交換的光譜之間寬度和深度分辨的分辨率[13,19]；由于高信號變異會產(chǎn)生散斑干涉效應(yīng)。
儀器在相位的變化在一個樣品的吸收引起的單波長激發(fā)光源和測量相敏（PHS公共衛(wèi)生署（Public Health Service））OCT [20–23]被稱為光學(xué)OCT [ 24–27 ]。光成像技術(shù)用于檢測的造影劑在體外[ 25]，[26 ]在活細(xì)胞和體外組織[24,27]可用于早期癌癥[26 , 27]和動脈粥樣硬化斑塊診斷[24 ]。在本文中，我們引入一個雙波長光學(xué)相干層析成像OCT（DWP -OCT），以激發(fā)和探測光的近紅外光譜區(qū)域的深度分辨血氧飽和度監(jiān)測在組織幻影。我們的方法適用于深度解析測量梯度SaO2 水平投影和不受信號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)測量血氧飽和度水平，包含三個主要部分組成：1）激發(fā)激光（800nm或765nm）和光纖傳輸系統(tǒng)誘導(dǎo)nm級光學(xué)光程長度變化的血液樣本；2）樣本組成的一個非吸收聚四氟乙烯（PTFE聚四氟乙烯）含導(dǎo)管血液可變的
圖1。雙波長的光熱（DWP）- OCT可調(diào)諧鈦-鋁陶瓷激光是用來作為激勵源（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)送到血液樣本通過多模50μ核心直徑光纖（不適用=0.22）。相對強(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。鑲嵌在右上方角顯示吸收光譜的氧和脫氧血紅蛋白。虛線線表明激光激發(fā)波長（765nm和800nm）被用在實(shí)驗(yàn)報告上。
梯度血氧飽和度水平；和3）相敏（PHS ）OCT系統(tǒng)[23]測量血氧飽和度依賴光學(xué)光程長度的變化引起的激勵激光。
聚四氟乙烯管材的能力，保持恒定的血氧水平測試使用的是商業(yè)血氧檢測儀 (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，血氧檢測儀-measured SaO2級顯示減少1.7%，變成95.9%。
相位的測量提供了dwp-oct相關(guān)光學(xué)光程長度（op）變化響應(yīng)的雙波長（765nm和800nm）激發(fā)的血液樣本。光學(xué)光程長度的變化（op=φλ/（4π））樣品中的光吸收氧和脫氧血紅蛋白血液中，在φ測量相位變化在一個特定的深度和λ=1328nm波長的dwp-oct系統(tǒng)中心。測量op在765nm和800nm激光激發(fā)波長是用來計算血氧飽和度水平的血液使用一個分析模型，描述在以下部分2.5。
2.1 樣品制備
新鮮豬動脈血液收集，放置在一個密封的容器和儲存在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)備樣品分級血氧飽和度水平dwp-oct測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%。含氧動脈血混合0%血氧飽和度的血液在不同的比例達(dá)到中級血氧飽和度水平的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)氧樹脂和充滿血液時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參考測量血氧飽和度的血氧檢測儀。生產(chǎn)廠家指定血氧飽和度的測量精度的血氧檢測儀（誤差）1%。dwp-oct后測量每個血液樣本，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)光被用來作為一強(qiáng)度的參考和耦合到一個硅光電探測器（2032，新的重點(diǎn)，爾灣，加州）使用薄玻璃蓋片和透鏡（圖1）。強(qiáng)度參考信號從硅探測器是數(shù)字化，以14位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（usb-6009，國家儀器，奧斯汀，德克薩斯州）在100 S/秒存儲在計算機(jī)內(nèi)存，計算血氧飽和度水平。
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，dwp-oct快門數(shù)據(jù)不被記錄。在同時照射血液樣本和記錄參考信號的強(qiáng)度下，遮光片完全被打開15- 20秒并且OCT數(shù)據(jù)被記錄同時記錄激發(fā)光（765nm）的沖擊對血液樣本的4 - 6秒。本測量程序使用765nm的激發(fā)光是重復(fù)三到五個連續(xù)的時間為每個血液樣本。當(dāng)時的激光調(diào)整到800nm和測量程序重復(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)備另一個血氧飽和度水平。測量程序重復(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]。簡要的說，(PhS) OCT系統(tǒng)使用20千赫席卷源激光中心波長為1328nm和帶寬為100nm（hsl-2000桑特克，美國公司，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)使用一個真正的均勻時間-頻率的時鐘信號。一個圖的影像，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 的地圖和一個掃描對應(yīng)：1–血管上表的空氣氧含量。（光學(xué)光程長度，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
深度解析光熱成像信號相應(yīng)的變化，光學(xué)光程長度（op）測量五個做好的血液樣本（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op在五種深度的結(jié)果總結(jié)在表1
表1。典型的信號和噪音水平在五個深度的結(jié)果（SaO2 =18%）圖2所示。
在這里，分貝計算為20log 10?（信噪比）
測量OP的變化在一個給定的樣本深度的結(jié)果積累,光學(xué)光程長度的變化探測光的傳播通過覆層[ 24]。到測量血氧飽和度水平在血液樣本，影響光學(xué)光程長度變化覆層必須排除和需要測量差分光學(xué)光程長度（Δop）兩者之間的縱向點(diǎn)的距離。測量血氧飽和度水平的血管中光流量，通過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)光程長度差Δop來計算。計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算Δop之間的深度1和5
它提供更高的信噪比，OCT信號強(qiáng)度（表1）。獲得dwp-oct數(shù)據(jù)需要8- 12秒。在DWP-OCT數(shù)據(jù)采集時間內(nèi)打開快門，使血液樣本的接收激光輻射的4- 6秒。一秒鐘的時間間隔對dwp-oct數(shù)據(jù)包括激光激發(fā)樣品用于計算血氧飽和度水平。在一段時間間隔至少1秒后開放的快門消除瞬態(tài)效應(yīng)。在減去線性趨勢后，這1秒的時間內(nèi)的DWP-OCT-數(shù)據(jù)（圖3）是傅里葉變換計算振幅差分光學(xué)光程長度在42赫茲（Δop（F=42hz），圖3）。
圖3。A）光學(xué)光程長度（op）的變化在深度5（線性趨勢消減）的反應(yīng)激光激發(fā)（血-氣飽和度=18.5%，在800nm激勵在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能夠測量激光誘導(dǎo)變異op上的nm級散射物體如人體組織 [24–27]。在dwp-oct，激光激發(fā)波長是用來誘導(dǎo)光學(xué)光程長度（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）減小（0.2nm–2nm），線性關(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）是激勵幅值對入射光的吸收量，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）可以被重寫成：
當(dāng)吸收激發(fā)光更長的長度比容器直徑
（μa1,2l <
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