基于扩散散斑衬比分析的脉搏波测量与拓扑成像方法

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血流是表征组织体健康水平的重要临床指标。足够高时间分辨率的血流信息还可以构建脉搏波形,在一定程度上反映心血管系统的生理和病理信息。因此,血流的检测对于诊断和治疗相关疾病具有重要意义。近年来,扩散散斑衬比分析(Diffuse Speckle Contrast Analysis,DSCA)技术凭借其易操作性、无创性、低成本、穿透深度高和时空分辨率高等优点在血流监测领域受到越来越多的关注。典型的DSCA系统由长相干近红外激光器、光纤、扫描振镜和阵列相机组成,通过计算采集到的散斑图案的散斑衬比度来提取血流信息,可分为单点式或多点式测量。其中,利用光纤的单点式测量能够以较高的时间分辨率检测人体单一部位的血流,但尚未被用来进行脉搏波的测量和分析;利用扫描振镜的多点式测量能够通过高灵敏度的阵列相机检测不同源探距离的血流信息,从而以较高的空间分辨率对区域血流进行成像,但成本需求较高,不利于推广。本文将单点式DSCA系统开发用于脉搏波测量,提出了一种基于多模光纤的DSCA(Multimode Fiber DSCA,MMF-DSCA)脉搏波测量系统,解决了现有技术检测部位要求严格、表征血管僵硬程度的脉搏波传导速度(Pulse Wave Velocity,PWV)测量难以操作等问题。MMF-DSCA系统利用多模源探光纤,能够以较高的时间分辨率(300Hz)提取人体瞬时脉动血流来绘制脉搏波。另外,本文在此基础上加以改进,应用50:50 1×2光纤分束器同时测量不同部位的脉搏波,结合互相关延时算法,方便地获得了PWV。针对多点式DSCA系统成本较高的问题,本文提出了一种DSCA拓扑成像系统,利用价格低廉的普通工业相机,通过检测多光源点固定源探距离下的散斑衬比度,结合拓扑成像的方法来重建区域血流图像。与之前系统相比,尽管重建图像的空间分辨率有所降低,但大大节约了系统的成本开支。为验证所提方法的有效性,本文分别对两个系统进行了仿体实验和在体实验。结果表明,MMF-DSCA系统可以实现脉搏波形和速度信息的测量。该系统结构简单,性价比高,可方便地对心率、脉搏波、PWV、血压等生命体征进行检测;DSCA拓扑成像系统的测量结果具有稳定性,能够对较深层次(5mm)的组织仿体进行流速分辨和区域血流成像,并具有对人体血流进行成像的能力。
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