一种光声成像技术评估血氧饱和度的方法及装置制造方法及图纸

公开一种光声成像技术评估血氧饱和度的方法及装置，方法包括：（1）采用手持式PA/US双模态成像系统评估仿体内100%、90%、80%、70%血氧饱和度的仿血溶液的模拟血氧饱和度；（2）比格犬麻醉后使用面罩持续通入混合气体，光声成像实时检测不同降氧状态下犬股动脉SO2，与血氧仪监测的犬舌SO2对比；（3）受试者平卧面罩给氧，血氧仪监测右手中指SO2，光声检测右前臂桡动脉SO2，调整面罩内氧气浓度使血氧水平到达5个指定平台并维持稳定时间大于30秒，比较实时光声相对SO2值和血氧仪SO2测值的结果；（4）比较受试者桡动脉在不同深度的光声SO2测值与脉搏血氧仪结果。搏血氧仪结果。搏血氧仪结果。

【技术实现步骤摘要】
一种光声成像技术评估血氧饱和度的方法及装置


[0001]本专利技术涉及医学图像处理的
，尤其涉及一种光声成像技术评估血氧饱和度的方法，以及光声成像技术评估血氧饱和度的装置，其主要用于验证手持式光声/超声双模态成像系统实时监测血氧饱和度水平的可行性和稳定性。

技术介绍

[0002]氧是维持人体正常生命活动的物质基础。氧气在肺中与血液内血红蛋白结合形成氧合血红蛋白（oxyhemoglobin, HbO2），通过动脉系统到达外周组织毛细血管，将氧释放，维持组织细胞的新陈代谢。缺氧可引起组织出现功能性和器质性损伤, 严重时危及生命。当组织或机体缺氧时，会产生一系列不良影响，如组织坏死、甚至死亡等，反之，许多疾病的发生发展也会引起组织缺氧，间接反映疾病的发展进程和程度，影响临床中的疾病诊疗及预后。了解生物体感知氧气和调控的过程及机制，就能通过控制其中的变量进行辅助治疗，继而有望于为贫血、心血管疾病和肿瘤等多种疾病开辟新的临床治疗途径。血氧饱和度（oxyhemoglobin saturation, SO2）是表征人体组织代谢和功能的重要生理参数，不仅能够反映心血管和呼吸系统的功能，在手术麻醉、危重症和新生儿监护等方面也有广泛的应用。在一些病理过程中，缺氧也具有重要意义。既往研究提示，恶性肿瘤如乳腺癌，其内部血流相比良性肿瘤多14%
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54%，比周边组织多5倍，呈富血供表现。但由于肿瘤细胞代谢旺盛，耗氧量增加，肿瘤内部氧含量反而低于正常组织，表现为富血乏氧的代谢特性。此外，肿瘤微环境的乏氧表现也被证明与肿瘤进展、侵袭性和对放疗和化疗的抵抗性有关。因此，准确地评估血液及组织的含氧水平，对疾病的诊断、治疗和预后评估具有重要意义。
[0003]目前临床常用的检测血氧浓度的方式分为有创和无创两种。有创检测抽取动脉血，利用血气分析法或在分光光度计测定光密度的基础上计算SO2，被认为是测量SO2的金标准。不足之处在于有创、有感染风险，且不能提供连续实时的数据。无创的方式为脉搏血氧饱和度检测。血液中脱氧血红蛋白（deoxy
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hemoglobin, Hb）和HbO2在红光及红外光区（600
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1000nm）有独特的吸收光谱，动脉的搏动能够引起区域血液流量的变化，进而引起光吸收量的变化。脉搏式血氧饱和度测量技术利用这个特点，通过监测血液容量波动引起的光吸收量的变化来获得SO2，按照传感器采样方式的不同，分为透射式、反射式两种。脉搏血氧饱和仪具有无创、安全、有效和连续实时监测的特点，已在手术室、监护室、急救病房、患者术后恢复和呼吸睡眠的研究方面得到广泛的应用。然而，目前临床常用的脉搏血氧饱和度监测设备通常置于富有动脉搏动的指（趾）端，耳垂或鼻翼等部位，反映的是动脉血氧饱和度而非组织血氧饱和度，且易受到周围光线、检测部位皮肤温度、厚度及色素沉着、局部组织灌注等因素的制约。
[0004]组织的氧饱和度是组织中微动脉、微静脉和毛细血管中血液血氧饱和度的加权平均。可反映局部组织氧供应与氧消耗的动态平衡，具有重要的临床意义。近红外光谱技术(near
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infrared spectroscopy imaging，NIRS)是一种新型的血氧饱和度监测方法，其基于光子吸收的Lambert
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Beer定律和光子散射理论，利用光纤传导检测系统对局部组织进行
无创、实时的监测血氧饱和度，能够提供现有指端脉搏血氧饱和度仪器所不能提供的信息，适合于监测脑、皮瓣、肌肉等局部区域的血运，并且在心血管搏动微弱以及实施体外循环时也能正常工作，在神经外科、心外科、儿科、运动医学科等领域具有重要的应用前景。与脉搏式血氧饱和仪不同，NIRS不受低氧血症、低温的因素的制约，但仍受到血容量、血红蛋白浓度及动脉血氧饱和度等因素的影响。此外，在监测深部组织如脑组织血氧浓度时，外层组织如颅骨等对检测准确度亦有不可忽视的影响。可见，NIRS仍存在着一定的影响因素和不足之处，有待进一步改进。同时，单纯的光学成像技术虽有较高的血氧检测水平，但由于空间分辨率和穿透深度的制约，对局部区域病灶的显示和定位能力不足，也限制了技术的临床应用。
[0005]血氧水平依赖功能磁共振成像（blood oxygen level dependent
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functional magnetic resonance imaging, BOLD
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fMRI）利用分析组织局部血液中氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白比例的变化，反映局部组织的活动功能，具有较高的空间和时间分辨率。已成为研究脑功能的强有力的技术手段。然而，功能磁共振成像费用过于昂贵，检查限制较多，亦无法实现实时动态的监测。
[0006]光声成像（photoacoustic imaging, PAI）是目前国内外热门的新型成像技术之一，近年来发展迅速。PAI可提供基于组织多光谱吸收获得的功能代谢信息，实时定量反映组织中不同生物分子（如血红蛋白、黑色素、脂类等）的含量，并同时具备非侵入性、无电离辐射、多功能成像等多种特点。由于PAI可对脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白进行区分，因此可检测组织血管中的血氧饱和度，进而反映缺血、缺氧等病生理状态的特征，在皮肤及浅表器官肿物、骨骼肌肉病变、肠道疾病、动脉斑块等多个方面的临床前和临床应用中具有广阔的潜力。因此，光声成像检测人体组织血管中的血氧饱和度的准确性亟待验证。相比传统血氧仪，光声成像PAI虽然可以实时、定性和定量评估相对更深层组织中的SO2。但成像深度仍是限制PAI临床实用性的一个关键因素。信号衰减是光声成像目前所面临的重要问题。激光在组织传输过程中产生的衰减在很大程度上限制了位于较深位置的吸收体所能吸收到的光能量，制约了光声信号的初始强度，从而影响了光声成像系统的成像深度以及成像质量。

技术实现思路

[0007]为克服现有技术的缺陷，本专利技术要解决的技术问题是提供了一种光声成像技术评估血氧饱和度的方法，其能够实现更接近临床应用的实时和动态的在体血氧饱和度评估，验证了PAI在评估不同实验对象（仿体、动物和人）中血氧饱和度的准确性，验证了PAI评估血液血氧饱和度的可行性和稳定性，在25mm深度水平实现了对仿体血液的光声血氧评估；优化验证流程和步骤，节省了验证成本。
[0008]本专利技术的技术方案是：这种光声成像技术评估血氧饱和度的方法，其包括以下步骤：（1）采用手持式光声/超声双模态光声成像系统评估仿体内100%、90%、80%、70%这些血氧饱和度的仿血溶液的模拟血氧饱和度；将100%SO2水平的仿血溶液注入15 mm, 20 mm和25 mm三个深度的硅管中；行灰阶超声检查定位硅管，分别显示每个硅管的完整纵切面；行光声成像检查，分别显示硅管的纵切面和横切面；在每个硅管的四个5等分点处测量仿血SO2，测量三次计算平均值；替换其他模拟血氧饱和度的仿血溶液重复上述操作；
（2）比格犬麻醉后使用面罩持续通入混合气体，逐步调节氧气比例，光声成像实时检测不同降氧状态下犬股动脉血氧饱和度，并本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光声成像技术评估血氧饱和度的方法，其特征在于：其包括以下步骤：（1）采用手持式光声/超声双模态光声成像系统评估仿体内100%、90%、80%、70%这些血氧饱和度的仿血溶液的模拟血氧饱和度；将100%、90%、80%、70%这些血氧饱和度的仿血溶液分别执行以下操作：将仿血溶液注入15 mm, 20 mm和25 mm三个深度的硅管中；行灰阶超声检查定位硅管，分别显示每个硅管的完整纵切面；行光声成像检查，分别显示硅管的纵切面和横切面；在每个硅管的四个5等分点处测量仿血SO2，测量三次计算平均值；（2）比格犬麻醉后使用面罩持续通入混合气体，逐步调节氧气比例，光声成像实时检测不同降氧状态下犬股动脉血氧饱和度，并与血氧仪监测的犬舌血氧饱和度对比；（3）受试者平卧面罩给氧，血氧仪监测右手中指血氧饱和度，光声检测右手臂桡动脉血氧饱和度，调整面罩内氧气浓度使受试者血氧水平到达5个指定平台并维持稳定时间大于30秒，比较实时光声相对血氧饱和度值和血氧仪血氧饱和度的结果；（4）比较受试者桡动脉在不同深度的光声血氧饱和度测值与脉搏血氧仪结果。2.根据权利要求1所述的光声成像技术评估血氧饱和度的方法，其特征在于：所述步骤（1）中，仿体模拟乳腺组织，由0.1%的TiO2和凝胶蜡组成，制备方法如下：将凝胶蜡在170℃下加热至液态后放入超声波清洗器，100℃下进行水浴；之后将TiO2加入凝胶蜡溶液中进行混合和脱气；待TiO2颗粒或气泡消失时，将混合溶液在70℃下缓慢倒入丙烯酸容器中；采用3根外径1mm，内径0.5mm的硅管模拟血管，分别放置于仿体的15 mm, 20 mm和25 mm深度；仿血采用硫酸镍溶液作为含氧血红蛋白仿体，硫酸铜溶液作为脱氧血红蛋白仿体，二者按照不同比例混合，在光声成像中呈现不同血氧饱和度表现，分别制成代表100%、90%、80%、70%血氧饱和度的仿血，墨水用作归一化能量参考物。3.根据权利要求2所述的光声成像技术评估血氧饱和度的方法，其特征在于：所述步骤（1）中，手持式光声/超声双模态光声成像系统带有手持L9
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3PAU线阵探头，超声和光声系统的水平和垂直分辨率均小于1mm，探头共有192个阵元，阵元宽度为0.2mm,中心频率为5.8MHz；采用一种光学参量振荡器可调谐激光器，其在10 Hz下产生调谐范围为680~980nm的信号光，检查对象表面的光通量为4mj/cm2，波动小于5%；用实时记录的激光能量对PA信号进行归一化处理，以反映激光能量的波动，对于所有PA图像，应用最大像素值35%的阈值来拒绝强度过低的信号以减少干扰。4.根据权利要求3所述的光声成像技术评估血氧饱和度的方法，其特征在于：所述步骤（1）、（2）、（3）中，光声成像的血氧饱和度为：其中，C
Hb, C
HbO2
分别代表Hb和HbO2的含量，，，，分别代表Hb和HbO2在波长λ1和λ2下的消光系数，A
λ1
和A
λ2
分别代表在波长λ1和λ2下的获得的光声信号强度信息。5.根据权利要求4所述的光声成像技术评估血氧饱和度的方法，其特征在于：所述步骤（2）中，肌肉注射麻醉比格犬，使用面罩持续通入混合气体；将监护仪血氧监测探头固定于犬舌上，实时监测动脉血SO2作为参考SO2；将犬右后腿剃毛，灰阶超声寻找股动脉；光声成像检测动脉血氧值，同时有间隔地逐步改变混合气体比例，并记录相应时间点血氧饱和度，比
格犬的股动脉深度为5
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8mm；首先，通过面罩提供氧浓度高于21%的混合气体，将SO2保持在90%以上；通过逐步增加氮气的比例，使得动脉SO2减少至70%；按比例降低氮气的比例，使动脉SO2上升至基线；记录两个装置实时评估的血液SO2；在每个动脉SO2平台处测量两次PAI SO2，然后记录平均值。6.根据权利要求5所述的光声成像技术评估血氧饱和度的方法，其特征在于：所述步骤（3）中，首先，提供氧气浓度21%以上的空气，使受试者动脉血氧饱和...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨萌，姜玉新，张睿，刘思锐，王铭，赵瑞娜，刘华祯，纪菲，
申请(专利权)人：中国医学科学院北京协和医院，
类型：发明
国别省市：