時(shí)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(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(cè)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(cè)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(cè)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(lái)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(xún)報(bào)道，近日，芬蘭奧盧大學(xué)（University of Oulu）、俄羅斯奧廖爾國(guó)立大學(xué)（Orel State University）與英國(guó)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(guó)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(cè)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(lái)分解血流微血管振蕩，并在標(biāo)準(zhǔn)生理測(cè)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(kāi)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(kāi)發(fā)該裝置的流程圖如圖1所示。

圖1 為實(shí)現(xiàn)LDF測(cè)量開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)裝置的流程圖

首先，科研人員通過(guò)一系列標(biāo)準(zhǔn)功能測(cè)試驗(yàn)證了所提出的方法，證明其能夠以可預(yù)測(cè)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(cè)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(kāi)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(cè)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(cè)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(cè)試方案。通過(guò)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(cè)量。

圖3（a）光纖探針在受試者足部的位置（b）皮膚熱測(cè)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(cè)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(guò)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(cè)儀在測(cè)量時(shí)被隱藏的信息。所開(kāi)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(cè)試中得到了驗(yàn)證。最后，通過(guò)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(cè)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(kāi)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(lèi)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(cè)量正在從配備光纖探針的桌面式設(shè)備逐步過(guò)渡發(fā)展到配備嵌入式節(jié)能單模VCSEL的無(wú)光纖、超緊湊型設(shè)備。

審核編輯：劉清