[发明专利]一种判别血红细胞含氧量的光声多普勒血液流速测量方法及测量系统

说明书

技术领域

本发明属于一种多普勒血流测量方法及其实现系统,该测量方法充分利用了生物医学光声成像的多光谱生物体识别特性,能够在应用光声多普勒效应测量血液流速分布的同时还能获得关于血红细胞含氧量的信息。

背景技术

光声效应是指当光吸收物质受到强度变化的光照时，由于部分光吸收转化成热而引起该物质受热膨胀从而向外辐射声波的现象。

多普勒效应是指当一定频率的波源和检测器有相对运动时，检测器测量到的波信号发生频移的现象。当波源与检测器相向运动时，测量到的频移为正；当波源与检测器相背运动时，测量到的频移为负。

光声多普勒效应是指当相对于超声换能器运动的光吸收物质样品吸收光时，在光照下由于光声效应和多普勒效应，被超声换能器检测到的声波有多普勒频移的现象。

基于光声多普勒效应的测流技术是利用了示踪颗粒的光吸收特性，这不同于激光多普勒测流技术和超声多普勒测流技术是利用了示踪颗粒的光散射或声散射特性，而血红细胞是一种内源性的光吸收性能良好的颗粒，其光吸收系数比一般的生物组织要高将近3个数量级。对血液流速测量而言，光声多普勒技术具有探测深度相对于激光多普勒测流技术要大，探测灵敏度相对于超声多普勒侧流技术要高的优点，适用于对血液微循环的测量研究(可参阅文献FangH,,MaslovK,,WangLV.PhotoacousticDopplereffectfromflowingsmalllight-absorbingparticles[J].PhysicalReviewLetters,2007,99:184501.)。

光声生物医学成像除了具有成像深度相对于纯光学方法大的优点外，还具有能利用生物体的吸收光谱特性来进行区分判别组织结构的优点，例如由于血红细胞随含氧量不同其吸收光谱会有特定的变化，因此利用多波长扫描的光声成像能测量出血管中血红细胞的血氧含量，并以此区分动静脉血管(可参阅文献ChenZ.,YangS,XiangD.Invivodetectionofhemoglobinoxygensaturationandcarboxyhemoglobinsaturationwithmultiwavelengthphotoacousticmicroscopy[J].OpticsLetters,2012,37:3414-3416.)。

目前还没有同时既能判定血红细胞的血氧含量又能根据多普勒效应精确测量血液流速的光声技术。

发明内容

本发明的目的是提出一种可应用于血液微循环测量研究的，判别血红细胞含氧量的光声多普勒血液流速测量方法及测量系统，可同时测量血液流速和血红细胞含氧量。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种判别血红细胞含氧量的光声多普勒血液流速测量方法，由以下几个功能环节构成：

对若干个波长为λ₁<λ₂<λ₃<...的激光束分别进行正弦波或方波强度调制，对各个调制频率进行编码分别设为f₀+Δf,f₀+2Δf,f₀+3Δf,...；

将这些激光束利用光纤耦合方法耦合成为一束光并进行聚焦，照射到待测血管上产生光声波；

利用中心频率为f₀的宽带聚焦型超声换能器收集待测血管所产生的光声波；

将超声换能器输出的光声信号放大后输入锁相放大器进行解调，输出光声多普勒信号；

对光声多普勒信号进行功率谱分析，获得关于血流的流动方向、血流的流速分布，和血红细胞的血氧含量信息；

其中光照射焦点与超声换能器焦点重合。

对所述的若干波长激光束进行正弦波或方波强度调制的各强度调制波形之间保持固定的相位关系。

在对若干不同波长激光束进行等频率间隔调制频率编码时，设置f₀等于收集光声波用的超声换能器的中心频率，设置Δf处于一定范围。

进一步的，对以上所述的Δf的范围设置，首先要求满足Δf/f₀>2v_max/c，其中v_max代表带测血流的最大流速，c代表在生物组织中的声速，另外要求满足Δf＜f_d＜(2n)，其中n代表所用的不同波长激光束的数目,f_d为频谱总宽，且f_d＝1/Δt,Δt为测量步长，即相邻两次探测之间的时间间隔。