时频分析和激光多普勒频谱分解技术诊断皮肤血管并发症

如今，基于光子学的技术被广泛应用于包括功能性临床诊断、治疗进展监测和计量控制在内的各种领域。事实上，在激光多普勒流量计（LDF）等光学方法的实际实施框架中，对探测信号进行定性解释和定量评估，仍然是至关重要且迫切需要的。在传统的激光多普勒流量计方法中，关键测量参数、微循环指数和灌注率，与诊断体内红细胞（RBC）的平均浓度和平均流速成正比。这些参数构成了来自不同血管床的混合信号，具有一定范围的血流速度，通常以相对单位表示。

据麦姆斯咨询报道，近日，芬兰奥卢大学（University of Oulu）、俄罗斯奥廖尔国立大学（Orel State University）与英国阿斯顿大学（Aston University）的联合研究团队在IEEE Transactions on Biomedical Engineering期刊上发表了以“Diagnosis of Skin Vascular Complications Revealed by Time-Frequency Analysis and Laser Doppler Spectrum Decomposition”为主题的论文。该论文第一作者为奥卢大学和奥廖尔国立大学的Evgeny Zherebtsov。

本研究假设，联合选择血液灌注振荡的频率范围与多普勒展宽谱可以显著提高检测血液微血管病理改变的准确性。这项研究首次引入了一种新型信号处理方法，根据多普勒频移的频率分布来分解血流微血管振荡，并在标准生理测试和有限的临床试验中验证了该方法。

在这项研究中，科研人员探索了在功率谱窄频率子带（100-200 Hz）中进行血液灌注计算的优点，并对时间序列记录进行了谐波分析。为此，科研人员开发了一种内部构建装置，能够全面表征活体组织中的血液灌注变化，并灵活分析多普勒频移不同子带的功率谱重新分布。开发该装置的流程图如图1所示。

图1 为实现LDF测量开发的实验装置的流程图

首先，科研人员通过一系列标准功能测试验证了所提出的方法，证明其能够以可预测且可重复的方式改变皮肤血液流动。为了验证血流的显著变化伴随着计算出的血流灌注在多普勒频谱频率上的重新分布这一假设，科研人员使用了动脉闭塞试验。应用闭塞使科研人员能够估计当皮肤血液流动被阻断时所显示的血液灌注信号水平。此外，在正常情况下，该测试能可靠地引发皮肤充血，并在闭塞解除后立即增大血液灌注。

其次，为了研究这些影响如何转化为多普勒光谱不同范围内的血流记录，科研人员开发了一种3D打印压力分布工具（PDT），该工具与所使用的光纤探针相匹配，并为其配备了一组砝码。实验在右中指背表面进行，PDT与探针同轴放置（如图2）。

图2 与光纤探针同轴放置的3D打印PDT：1-PDT、2-光纤探针、3-探针中心导向管、4-砝码、5-光纤探针尖端。

最后，科研人员在一系列临床试验中测试了该研究提出的信号处理实验装置，这些临床试验涉及两组不同年龄的健康受试者和 2型糖尿病患者。足背表面被选择作为测试区域。在这项研究中，为了使血管反应差异最大化，科研人员使用了热测试方案。通过调节水冷Peltier元件的金属垫（与LDF通道的光纤探针同轴组装）对皮肤进行适度加热。光纤探针在受试者足部的位置如图3（a）所示。试验控制条件为受试者摄入咖啡因和用餐后至少2小时并适应室内条件15分钟，满足控制条件后再对其进行测量。

图3（a）光纤探针在受试者足部的位置（b）皮肤热测试研究方案

该研究介绍了一种适用于大多数现代LDF监测仪的新型信号处理方法。研究结果表明，该方法的灵活性更高、信息量更大，适用于生理学研究和医学诊断的多种应用。该研究以系统的方式，展示了在窄光谱子带中进行血液灌注分解，并通过多普勒频移进行灵活滤波，从而发现并定量表征传统LDF监测仪在测量时被隐藏的信息。所开发的方法在健康受试者的闭塞试验以及由探针在皮肤表面进行的局部压力测试中得到了验证。最后，通过有限的临床试验，科研人员证明了该方法可以显著提高检测2型糖尿病患者足部皮肤微血管变化以及随年龄特异性变化的诊断准确性。

综上所述，该研究所开发的LDF信号分解方法为血流和血液微循环提供了重要的新信息，并且在与各类疾病相关血管并发症的诊断中具有巨大潜力。同时，该研究所提出的信号处理技术和展示的实验结果，对于蓬勃发展的可穿戴个性化传感器行业也有积极影响。目前，LDF测量正在从配备光纤探针的桌面式设备逐步过渡发展到配备嵌入式节能单模VCSEL的无光纤、超紧凑型设备。

审核编辑：刘清