如今，基于光子學(xué)的技術(shù)被廣泛應(yīng)用于包括功能性臨床診斷、治療進(jìn)展監(jiān)測和計(jì)量控制在內(nèi)的各種領(lǐng)域。事實(shí)上，在激光多普勒流量計(jì)（LDF）等光學(xué)方法的實(shí)際實(shí)施框架中，對(duì)探測信號(hào)進(jìn)行定性解釋和定量評(píng)估，仍然是至關(guān)重要且迫切需要的。在傳統(tǒng)的激光多普勒流量計(jì)方法中，關(guān)鍵測量參數(shù)、微循環(huán)指數(shù)和灌注率，與診斷體內(nèi)紅細(xì)胞（RBC）的平均濃度和平均流速成正比。這些參數(shù)構(gòu)成了來自不同血管床的混合信號(hào)，具有一定范圍的血流速度，通常以相對(duì)單位表示。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，芬蘭奧盧大學(xué)（University of Oulu）、俄羅斯奧廖爾國立大學(xué)（Orel State University）與英國阿斯頓大學(xué)（Aston University）的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在IEEE Transactions on Biomedical Engineering期刊上發(fā)表了以“Diagnosis of Skin Vascular Complications Revealed by Time-Frequency Analysis and Laser Doppler Spectrum Decomposition”為主題的論文。該論文第一作者為奧盧大學(xué)和奧廖爾國立大學(xué)的Evgeny Zherebtsov。

本研究假設(shè)，聯(lián)合選擇血液灌注振蕩的頻率范圍與多普勒展寬譜可以顯著提高檢測血液微血管病理改變的準(zhǔn)確性。這項(xiàng)研究首次引入了一種新型信號(hào)處理方法，根據(jù)多普勒頻移的頻率分布來分解血流微血管振蕩，并在標(biāo)準(zhǔn)生理測試和有限的臨床試驗(yàn)中驗(yàn)證了該方法。

在這項(xiàng)研究中，科研人員探索了在功率譜窄頻率子帶（100-200 Hz）中進(jìn)行血液灌注計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)，并對(duì)時(shí)間序列記錄進(jìn)行了諧波分析。為此，科研人員開發(fā)了一種內(nèi)部構(gòu)建裝置，能夠全面表征活體組織中的血液灌注變化，并靈活分析多普勒頻移不同子帶的功率譜重新分布。開發(fā)該裝置的流程圖如圖1所示。

圖1 為實(shí)現(xiàn)LDF測量開發(fā)的實(shí)驗(yàn)裝置的流程圖

首先，科研人員通過一系列標(biāo)準(zhǔn)功能測試驗(yàn)證了所提出的方法，證明其能夠以可預(yù)測且可重復(fù)的方式改變皮膚血液流動(dòng)。為了驗(yàn)證血流的顯著變化伴隨著計(jì)算出的血流灌注在多普勒頻譜頻率上的重新分布這一假設(shè)，科研人員使用了動(dòng)脈閉塞試驗(yàn)。應(yīng)用閉塞使科研人員能夠估計(jì)當(dāng)皮膚血液流動(dòng)被阻斷時(shí)所顯示的血液灌注信號(hào)水平。此外，在正常情況下，該測試能可靠地引發(fā)皮膚充血，并在閉塞解除后立即增大血液灌注。

其次，為了研究這些影響如何轉(zhuǎn)化為多普勒光譜不同范圍內(nèi)的血流記錄，科研人員開發(fā)了一種3D打印壓力分布工具（PDT），該工具與所使用的光纖探針相匹配，并為其配備了一組砝碼。實(shí)驗(yàn)在右中指背表面進(jìn)行，PDT與探針同軸放置（如圖2）。

圖2 與光纖探針同軸放置的3D打印PDT：1-PDT、2-光纖探針、3-探針中心導(dǎo)向管、4-砝碼、5-光纖探針尖端。

最后，科研人員在一系列臨床試驗(yàn)中測試了該研究提出的信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)裝置，這些臨床試驗(yàn)涉及兩組不同年齡的健康受試者和 2型糖尿病患者。足背表面被選擇作為測試區(qū)域。在這項(xiàng)研究中，為了使血管反應(yīng)差異最大化，科研人員使用了熱測試方案。通過調(diào)節(jié)水冷Peltier元件的金屬墊（與LDF通道的光纖探針同軸組裝）對(duì)皮膚進(jìn)行適度加熱。光纖探針在受試者足部的位置如圖3（a）所示。試驗(yàn)控制條件為受試者攝入咖啡因和用餐后至少2小時(shí)并適應(yīng)室內(nèi)條件15分鐘，滿足控制條件后再對(duì)其進(jìn)行測量。

圖3（a）光纖探針在受試者足部的位置（b）皮膚熱測試研究方案

該研究介紹了一種適用于大多數(shù)現(xiàn)代LDF監(jiān)測儀的新型信號(hào)處理方法。研究結(jié)果表明，該方法的靈活性更高、信息量更大，適用于生理學(xué)研究和醫(yī)學(xué)診斷的多種應(yīng)用。該研究以系統(tǒng)的方式，展示了在窄光譜子帶中進(jìn)行血液灌注分解，并通過多普勒頻移進(jìn)行靈活濾波，從而發(fā)現(xiàn)并定量表征傳統(tǒng)LDF監(jiān)測儀在測量時(shí)被隱藏的信息。所開發(fā)的方法在健康受試者的閉塞試驗(yàn)以及由探針在皮膚表面進(jìn)行的局部壓力測試中得到了驗(yàn)證。最后，通過有限的臨床試驗(yàn)，科研人員證明了該方法可以顯著提高檢測2型糖尿病患者足部皮膚微血管變化以及隨年齡特異性變化的診斷準(zhǔn)確性。

綜上所述，該研究所開發(fā)的LDF信號(hào)分解方法為血流和血液微循環(huán)提供了重要的新信息，并且在與各類疾病相關(guān)血管并發(fā)癥的診斷中具有巨大潛力。同時(shí)，該研究所提出的信號(hào)處理技術(shù)和展示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于蓬勃發(fā)展的可穿戴個(gè)性化傳感器行業(yè)也有積極影響。目前，LDF測量正在從配備光纖探針的桌面式設(shè)備逐步過渡發(fā)展到配備嵌入式節(jié)能單模VCSEL的無光纖、超緊湊型設(shè)備。

審核編輯：劉清