实时在位微创生物组织参数测试系统开发及以应用研究

论文摘要

生物组织参数微创测量是组织光学的一项重要研究内容,测试系统是研究的基本手段。本文主要研究目的是开发一套生物组织光学参数、血氧参数和血流动力学参数的实时在位测试系统,为组织参数的研究提供一套实用工具。测试系统包括硬件和软件两部分。其中硬件由步进电机控制系统与数据采集系统两部分组成。步进电机控制部分由运动控制卡和步进电机驱动以及步进电机三大部分组成;生物组织光学信号采集部分由光纤光谱仪、光纤探头和卤素光源三部分组成。软件开发采用NI公司LabVIEW虚拟仪器开发平台,可以实现实时在位数据采集、存储以及显示。系统通过上位机发出命令,运动控制器接受命令并向步进电机驱动器发出控制信号,驱动器将控制信号转变成电信号直接驱动步进电机,步进系统携光纤探头作自动步进的同时采集组织散射和反射回来的光信号,光纤光谱仪将光信号转换成电信号并通过USB口传输给PC机进行实时处理。本文研究创新点有:1、测试系统能实时在位同时测量光学、血氧和血流参数在内的八种参数;2、运用测试系统对SD大鼠脑部穿刺轨迹中的优化散射系数进行研究,得到大鼠脑组织的优化散射系数随深度变化的规律;对SD大鼠C6胶质瘤组织参数进行研究,得到大鼠脑组织正常部位与肿瘤部位参数变化规律。系统具有良好的稳定性和可靠性,为手术导航、脑外科手术实时在位监控以及一些肿瘤前期识别和诊断提供研究平台,具有很好的实际应用价值和产品开发前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 生物组织光学
• 1.1.2 生物组织光学特性
• 1.1.3 脑组织的光学性质
• 1.1.4 生物组织光学参数的测量
• 1.1.5 生物组织血氧参数的测量
• 1.2 研究的目标和内容
• 1.2.1 研究目标
• 1.2.2 论文结构与研究内容
• 1.3 本章小结
• 第二章 生物组织光学参数和组织参数测试基础理论
• 2.1 近红外光谱技术
• 2.2 组织光学参数
• 2.2.1 吸收系数
• 2.2.2 散射系数
• 2.2.3 各向异性因子
• 2.2.4 折射率
• 2.3 组织血氧参数
• 2.4 血流动力学理论
• 2.5 优化散射系数斜率算法基本原理
• 2.6 本章小结
• 第三章 基于虚拟仪器的测试系统结构及工作原理
• 3.1 虚拟仪器技术
• 3.1.1 虚拟仪器的概念
• 3.1.2 虚拟仪器的特点
• 3.2 基于虚拟仪器的系统组成
• 3.2.1 近红外生物信号采集系统组成
• 3.2.2 软件组成
• 3.3 系统工作原理
• 3.3.1 步进电机控制原理
• 3.3.2 系统工作过程
• 3.4 本章小结
• 第四章 近红外生物组织参数测试系统硬件与软件设计
• 4.1 系统硬件介绍
• 4.1.1 步进电机
• 4.1.2 运动控制器
• 4.1.3 步进电机驱动器
• 4.1.4 光纤光谱仪
• 4.1.5 脑立体定向仪
• 4.2 系统软件设计
• 4.2.1 软件的层次结构
• 4.2.2 系统流程图
• 4.2.3 参数定标
• 4.2.4 系统功能模块具体实现
• 4.3 本章小结
• 第五章 系统调试与应用
• 5.1 系统调试
• 5.1.1 背景噪声
• 5.1.2 光谱仪积分时间标定
• 5.1.3 系统校正
• 5.1.4 硬件连接
• 5.2 系统应用
• 5.2.1 SD 大鼠脑组织优化散射系数规律的研究
• 5.2.2 SD 大鼠脑C6 胶质瘤相关参数研究
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 本文创新点
• 6.3 未来展望
• 6.4 结束语
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间发表的论文