脑组织参数近红外实时在位微创测量技术及其应用研究

论文摘要

脑组织光学、血氧和血流动力学参数的在位精确测量是生物医学领域中脑科学的重要研究内容,而这些参数的微创综合测量还未见报道,这些综合参数可能对脑组织类型识别、脑肿瘤定性分析、脑外科手术导航、脑功能基础研究等提供更丰富的参考信息。本文从双光纤微创探头在位测量的角度出发,以实现脑组织光学、血氧和血流动力学参数较高精度的微创综合测量为研究目标,在脑组织参数测量基础理论、脑组织内部光场分布、系统设计与定标、系统在基础医学中的应用等方面进行了深入研究。主要研究内容包括:基于小距离双光纤微创探头和稳定态光纤光谱仪设计一个多参数综合测量系统,并实现测量结果实时自动分析;有关测量参数的基础理论和经验公式研究,主要有吸收和漫反射光谱特征因子提取、人工神经网络和多元线性回归分析的特征因子建模、特征因子与光学、血氧和血流动力学参数关联等;系统在大鼠C6胶质瘤综合(光学、血氧与血流)参数测量中的应用研究。论文在一些关键性技术上取得了如下创新性成果:1.设计了生物组织参数实时在位微创测量实验系统,可以同时获取穿刺轨迹上生物组织的约化散射系数、吸收系数、血氧饱和度、总血红蛋白浓度、血流量和血容量。2.采用模型实验定标法获得双光纤微创系统约化散射系数、血氧饱和度和总血红蛋白浓度的经验公式,测试精度在动物实验中得到验证,结果准确可靠。3.在血氧饱和度的测试上,利用人工神经网络建立了光谱分析数学模型,测量精度和传统的脑组织血氧饱和度测试方法相比有了一定的提高。4.利用本系统在临床医学上进行了初步应用探索,主要研究了脑胶质瘤的近红外测试特征因子。实验中实时在位获得了SD大鼠C6胶质瘤的光学、血氧和血流动力学参数,发现这些参数在胶质瘤和正常脑组织间有较显著的差异性,为疾病诊断提供了参考。5.将近红外测试技术和MRI影像结合对胶质瘤的病理特性进行了探索,研究了SD大鼠C6胶质瘤近红外测试特征因子与胶质瘤病理分级的关联,提出了近红外测试特征因子用于胶质瘤分级的方案,为临床医学应用奠定了良好的基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和研究现状
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究现状
• 1.2 近红外光谱技术简介
• 1.3 研究目的及内容
• 1.3.1 研究目的
• 1.3.2 研究内容
• 1.3.3 论文结构
• 1.4 本章小结
• 第二章 生物组织参数及其测量基础理论
• 2.1 生物组织光学参数
• 2.1.1 吸收系数
• 2.1.2 散射系数
• 2.1.3 各向异性因子
• 2.1.4 折射率
• 2.2 生物组织血氧和血流动力学参数
• 2.2.1 血红蛋白浓度
• 2.2.2 血氧饱和度
• 2.2.3 血流量和血容量
• 2.3 吸收光谱测量技术
• 2.4 漫反射光谱测量技术
• 2.5 人工神经网络
• 2.6 本章小结
• 第三章 脑组织内光场分布及微创探头有效探测深度研究
• 3.1 光场分布的蒙特卡罗模拟
• 3.1.1 蒙特卡罗方法简介
• 3.1.2 蒙特卡罗模拟基础理论
• 3.1.3 光场分布模拟结果
• 3.2 双光纤微创探头的有效探测深度
• 3.2.1 蒙特卡罗模拟
• 3.2.2 模型实验分析
• 3.3 讨论
• 3.4 本章小结
• 第四章 双光纤微创自动测试系统设计
• 4.1 系统硬件构成
• 4.1.1 步进电机控制部分
• 4.1.2 光谱采集部分
• 4.2 系统软件设计
• 4.2.1 LabVIEW 编程软件介绍
• 4.2.2 软件的层次结构
• 4.2.3 程序流程图
• 4.2.4 系统功能模块具体实现
• 4.3 系统调试
• 4.3.1 背景噪声
• 4.3.2 光谱仪CCD 积分时间标定
• 4.3.3 系统校正
• 4.4 本章小结
• 第五章 双光纤微创自动测试系统定标
• 5.1 模型实验
• 5.1.1 模型实验材料与参数标定
• 5.1.2 实验系统组成
• 2、C_THB、C_HBO2、C_HB)'>5.2 血氧参数定标(SO₂、C_THB、C_HBO2、C_HB)
• 5.2.1 数据采集和预处理
• 5.2.2 混合溶液吸收光谱的分离
• 5.2.3 光谱特性与血氧参数的关系
• 5.2.4 人工神经网络建模
• 5.2.5 多元线性回归分析
• 5.3 血流动力学参数基础研究
• 5.4 光学参数定标
• 5.4.1 约化散射系数
• 5.4.2 吸收系数
• 5.5 本章小结
• 第六章 双光纤微创自动测试系统验证
• 6.1 模型实验验证
• 6.1.1 血氧参数经验公式验证
• 6.1.2 光学参数经验公式验证
• 6.1.3 讨论
• 6.2 动物实验验证
• 6.2.1 动物实验系统组成
• 6.2.2 实验方法
• 6.2.3 实验结果分析
• 6.3 结论
• 6.4 本章小结
• 第七章 在胶质瘤诊断中的应用初探
• 7.1 胶质瘤简介
• 7.2 胶质瘤常见的定性诊断方法
• 7.3 近红外胶质瘤诊断基础研究
• 7.3.1 C6 胶质瘤大鼠CT 扫描结果
• 7.3.2 C6 胶质瘤大鼠MRI 成像结果
• 7.3.3 C6 胶质瘤大鼠的光学、血氧和血流动力学参数测量结果
• 7.3.4 C6 胶质瘤大鼠的病理学检查结果
• 7.3.5 胶质瘤诊断可行方案
• 7.4 讨论
• 7.5 本章小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 全文内容总结
• 8.2 本文的主要创新点
• 8.3 未来研究设想
• 8.3.1 胶质瘤在位定性分析
• 8.3.2 与OCT 等组合实现功能成像
• 8.3.3 脑外科微创手术导航
• 8.3.4 图像重建
• 结束语
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文
• 附录