時頻分析和激光多普勒頻譜分解技術(shù)診斷皮膚血管并發(fā)癥

如今，基于光子學的技術(shù)被廣泛應(yīng)用于包括功能性臨床診斷、治療進展監(jiān)測和計量控制在內(nèi)的各種領(lǐng)域。事實上，在激光多普勒流量計（LDF）等光學方法的實際實施框架中，對探測信號進行定性解釋和定量評估，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，具有一定范圍的血流速度，通常以相對單位表示。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，芬蘭奧盧大學（University of Oulu）、俄羅斯奧廖爾國立大學（Orel State University）與英國阿斯頓大學（Aston University）的聯(lián)合研究團隊在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和奧廖爾國立大學的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確性。這項研究首次引入了一種新型信號處理方法，根據(jù)多普勒頻移的頻率分布來分解血流微血管振蕩，并在標準生理測試和有限的臨床試驗中驗證了該方法。

在這項研究中，科研人員探索了在功率譜窄頻率子帶（100-200 Hz）中進行血液灌注計算的優(yōu)點，并對時間序列記錄進行了諧波分析。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 為實現(xiàn)LDF測量開發(fā)的實驗裝置的流程圖

首先，科研人員通過一系列標準功能測試驗證了所提出的方法，證明其能夠以可預測且可重復的方式改變皮膚血液流動。為了驗證血流的顯著變化伴隨著計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)，科研人員使用了動脈閉塞試驗。應(yīng)用閉塞使科研人員能夠估計當皮膚血液流動被阻斷時所顯示的血液灌注信號水平。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。實驗在右中指背表面進行，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中測試了該研究提出的信號處理實驗裝置，這些臨床試驗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）對皮膚進行適度加熱。光纖探針在受試者足部的位置如圖3（a）所示。試驗控制條件為受試者攝入咖啡因和用餐后至少2小時并適應(yīng)室內(nèi)條件15分鐘，滿足控制條件后再對其進行測量。

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，適用于生理學研究和醫(yī)學診斷的多種應(yīng)用。該研究以系統(tǒng)的方式，展示了在窄光譜子帶中進行血液灌注分解，并通過多普勒頻移進行靈活濾波，從而發(fā)現(xiàn)并定量表征傳統(tǒng)LDF監(jiān)測儀在測量時被隱藏的信息。所開發(fā)的方法在健康受試者的閉塞試驗以及由探針在皮膚表面進行的局部壓力測試中得到了驗證。最后，通過有限的臨床試驗，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確性。

綜上所述，該研究所開發(fā)的LDF信號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，該研究所提出的信號處理技術(shù)和展示的實驗結(jié)果，對于蓬勃發(fā)展的可穿戴個性化傳感器行業(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