基于显微成像和MonteCarlo生物组织光学仿真的微血管生理参数测定.pdfVIP

摘要

心血管系统在人体中起着至关重要的作用，同时心血管疾病是最常见的疾病之一，严重

威胁着人类的生命健康。心血管系统的主要功能是完成身体与外界的物质交换，维持体内代

谢平衡。微循环作为心血管系统的重要组成部分，其血氧饱和度、红细胞流速和氧代谢速率

是表征微循环健康状态的重要生理参数。

目前的微血管生理监测设备只能对应测量一种微血管的生理参数，且对测量环境具有特

定的要求。如激光多普勒血流仪主要测量微血管的红细胞流速，而常见的脉搏波血氧仪仅测

量动脉血氧饱和度；另外，测量微血管生理参数的照明方式较多采用红外光，由于其具有热

效应，可能会干扰生理测量。

为了克服微血管生理参数测量环境的局限性，以及在一种成像方法中实现多个生理参数

的测量，本研究采用甲襞微循环显微镜作为微血管成像设备来测量微血管生理参数。该显微

镜以可见光为照明光源，可以清晰地观察到微血管和红细胞，这种光源的优点是更接近于日

常照明方法，并可以降低测量环境对微血管成像的限制。

本研究使用MonteCarlo方法模拟了不同血氧饱和度条件下可见光在微血管生理组织中

的传播，其模拟结果用于建立RGB颜色空间强度与血氧饱和度之间的关系。在测量范围内，

2

血氧饱和度与R通道和B通道两者强度之比具有良好的相关性(r=0.571,P=0.039)，由此证

明通过RGB颜色空间分析血氧饱和度的可能性。

本研究通过甲襞微循环显微镜采集微血管图像，并对图像进行预处理。通过脉搏波血氧

仪对图像进行校准，拟合确定了颜色通道强度与血氧饱和度的关系式。测量微血管中微动脉

至微静脉的血氧饱和度，结果显示动脉血氧饱和度持续下降至80%，与微血管中红细胞向组

织输送氧气的过程一致。

最后，采用甲襞微循环显微镜测量微血管内红细胞流速和氧代谢速率。结果得到红细胞

在微动脉中的流动速度(1000-2000μm/s)快于微静脉(700-1200μm/s)。另外，微血管顶端区域

的氧代谢速率[2.0-3.5(1/s)]是顶端两侧[0.3-2.0(1/s)]的2至3倍，这表明甲襞微血管的顶端位

置是主要的氧气交换区域。

综上所述，本研究提出一种使用可见光照明和甲襞微循环显微镜来测量多个微血管生理

参数的新方法，这种方法能降低测量环境的限制，并在一种单独的成像方法中实现多个生理

参数的测量。这有助于心血管疾病的早期筛查和制定有效的治疗策略。

关键词：微血管成像、Monte-Carlo仿真、血氧饱和度、红细胞流动速度、氧代谢速率

ABSTRACT

Thecardiovascularsystemplaysacrucialroleinthehumanbody,andcardiovasculardiseaseis

oneofthemostcommondiseases,whichseriouslythreatenshumanlifeandhealth.Themainfunction

ofthecardiovascularsystemistocompletetheexchangeofsubstancesbetweenthebodyandthe

outsideworldandmaintainthemetabolicbalanceinthebody.Asanimportantpartofthe

cardiovascularsystem,thebloodoxygensaturation,redbloodcellflowrateandoxygenmetabolism

rateofmicrocirculationareimportantphysiologicalparameterstoindicatethehealthof

microcirculation.

Thecurrentmicrovascularphysiologicaldevicescanonlymeasurethephysiolog