近红外光谱技术原理应用及发展

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1、近红外光谱技术(NIRS)原理、应用及发展1.近红外光谱技术2012-6-2612012-6-262散射光谱技术：大家并不陌生近红外光谱技术的开创性工作infraredmonitoringofcerebralandmyocardialoxygensufficiencyandcirculatoryparameters.Science,1977,198,1264–1267发现了近红外光谱(NIRS)测量光窗FransJöbsis（1929-2006）2012-6-2632012-6-264近红外光谱(NIRS)测量光窗测量窗口2012-6-2652012-6-2661组织与光的相互作

2、用水的吸收谱ink•可见光范围是透明的•近红外具有一定的吸收特性absorption(μa)watermilk/tissuemilkscattering(μs’)scatteringICGabsorptionfluorescencefluorescence(η,τ)2012-6-267*人体组织对光的吸收人体组织对光的散射•吸收系数(μa)•散射系数(μ)s–强度随其入射深度增加而减小的现象,单位是mm-1–光与介质中的粒子碰撞而向四面八方散开的现象称或cm-1作介质对光的散射,单位是mm-1或cm-1–物理意义是纯吸收介质中单位长度上一个光子被吸–物理意义是纯散射介质中单位长度

3、上一个光子发生收的概率，或者是大量光子在该介质中一个平均自散射的概率。由程的倒数。•散射定律•吸收定律dI=−μaIdxμa=εCln10dI=−μsIdx2012-6-2692012-6-2610散射的各向异性因子人体脑组织的光学参数•各向异性因子(g)–散射角余弦的平均值成人头部的几何和光学参数儿童头部的几何和光学参数–人体组织的前向散射性较强，其g接近于1，一般在0.6-0.99。（波长800nm）（波长800nm）组织厚度μμ’组织厚度μμ’（mm）as（mm）as头皮、颅骨100.0171.75头皮、颅骨60.0171.75脑脊液20.0010.01脑脊液10.0010

4、.01脑灰质40.0362.2脑灰质40.0480.5脑白质∞0.0149.1脑白质∞0.0371'约化散射系数μ=μ(1−g)ss2012-6-26112012-6-26122三种测量技术：2.频域法三种测量技术：1.时域法RadioFrequencyPointSpreadFunctionmodulatedinputlightAttenuated/phasedelayedImpulseinputtissue(TPSF)outputlighttissue直接测量组织的点扩散函数(TPSF)，根据延迟和TPSF形态计算吸收和散射特性根据波形的幅度衰减和相位延迟计算吸收和散射特性20

5、12-6-26132012-6-2614三种测量技术：3.连续波NIRS方法检测人体组织血氧参数的基本思路是：首先得到人体组织光学参数的有关信息，然后根据组织血氧参数与光学参数的关系，求解Attenuatedconstantinputlightoutputlight组织的血氧参数。tissue因此建立这两种参数的联系就至关重要。最简单的一种实现技术，但是不能区分吸收和散射特性2012-6-26152012-6-2616Lambert-Beer定律dI=−μaIdx吸收定律I=ILoaexp(−μ)解方程2.ΔC、ΔC、ΔC测量HbHbO2tHbOD=log(I/)I光密度oμ=ε

6、Cln10aOD=εCLLambert-Beer定律2012-6-26172012-6-26183双波长Lambert-Beer定律双波长修正Lambert-Beer定律ODλλ11==⋅με/ln10(λ1C+ελ1⋅C)LODλ1(ελ1Cελ1C)LD(λ)Gλ1aHbO22HbOHbHb=HbO2•HbO2+Hb•Hb••PF1+λλ22λ2λ2ODλ2(ελ2Cελ2C)LD(λ)Gλ2OD==⋅μεaH/ln10(bOCHbO+εHb⋅CHb)L=HbO2•HbO2+Hb•Hb••PF2+222012-6-26192012-6-2620计算ΔCHb、ΔCHbO2脑深层

7、信号提取Δ=OD()[λεελλ11ΔC+ΔC]()DλL•如何提取深层信号12HbHbHbOHbO2PF1–双探头Δ=OD()[λελλ22ΔC+εΔC]()DλL•近端：浅层信息22HbHbHbOHbO2PF2•远端：浅层+深层信息DifferentialPathlengthFactor(DPF)inAdultHead6.6⎡⎤ΔOD()λ6.51Δλλ−1⎢⎥6.4⎡⎤C⎡⎤εε12DL()λHb=HbHb⎢⎥PF16.3–算法：⎢⎥⎢⎥λλ6.2ΔCεε12⎢⎥ΔOD(