基于新型光谱成像技术的皮瓣血循环障碍早期诊断的研究

With the development of surgical techniques, the use of flap transfer has become a common and effective technique for reconstructing or replacing damaged tissues, which shows significant improvement in the quality of patients’ life. According to the clinical observation, vascular occlusion is the major reason for flap failure, which causes pain to patients and induces high medical cost. Therefore, the early detection of flap occlusion, which is the precondition of flap salvage, is critical to flap prognosis. In this proposal, we propose to develop a new spectral imaging system based on a new principle and optical design. Based on the optimization of compression and restoration of biomedical information from wide-band measurements, the relationship among wide-band measurement, spectrum, tissue parameter and early diagnosis of flap occlusion will be modeled. The proposed technique shows great potential for accurate monitoring of flap condition and early detection and differentiation of flap occlusion. The early detection and differentiation of flap occlusion will allow the surgeon to take necessary precaution to reduce the rate of flap failure, thus the proposed technique is with significant clinical values. Besides, the proposed spectral imaging technique can also be used in other biomedical applications, e.g. early cancer detection and intraoperative tumor margin assessment, and the principle of the proposed spectral imaging technique can be adapted to other spectroscopic imaging techniques, e.g. Raman imaging and near infrared spectral imaging.

随着外科学技术的发展，游离皮瓣移植术得到了越来越广泛的应用，它对恢复受皮区外形和生理功能，提高患者生活质量有着积极意义。根据临床观察表明，皮瓣血循环障碍会引起皮瓣坏死，导致皮瓣移植手术失败以及昂贵的治疗费用。因此找到一种快速准确的皮瓣血循环障碍早期诊断方法是十分必要的。在本项目中，我们将研究新型光谱成像技术的原理及光路设计进而搭建一套新型光谱成像系统，通过优化基于宽带测量的生物医学信息压缩及重建恢复方法，建立宽带测量、光谱、生理参数以及皮瓣血循环障碍早期诊断之间关系的数学模型，实现对于整个皮瓣区域血循环状况客观准确的监测及早期诊断。通过促使医生依据皮瓣血循环障碍类型采取对应的预防措施，指导临床治疗过程进而提高皮瓣的成活率，因此本项目还具有重要的临床应用价值。此外，该研究成果还能应用于肿瘤早期诊断、肿瘤术中边缘界定等其它生物医学领域，且其光谱成像原理同样适用于拉曼、近红外等其它光谱成像领域。

本项目针对现有光谱成像技术的不足，以基于光谱重建的光谱成像方法为基础，通过研究光谱信息压缩及重建的优化方法，研制了一套高时间分辨率、高光谱分辨率及高空间分辨率的光谱成像系统，并进一步探索了该技术在皮瓣血循环障碍早期诊断中的应用前景。通过三年时间的技术攻关，主要取得的科研成果包括以下三个方面：.1、提出了一种可实现任意光谱透过率的可编程滤光片技术，并利用主成分光谱透过率采集窄带测量，优化了光谱信息的压缩过程。相比于使用商用滤光片，通过使用可编程滤光片可提高光谱重建精度约为19.6%。.2、提出了分步式维纳估算算法、权重维纳估算算法等多个光谱重建算法，通过优化光谱信息的重建、恢复过程，进而获得更为精准的光谱测量。相比于传统的光谱重建算法，通过使用上述改进后的光谱重建算法可提高光谱重建精度约为30%。.3、基于上述研究成果，搭建了漫反射-荧光多模态光谱成像系统，实现了快速、准确的漫反射-荧光光谱图像的测量，并研究了其用于皮瓣血循环障碍早期诊断的可行性。经动物实验验证，该系统成功实现了皮瓣血循环障碍的实时检测及早期诊断，在术后1小时诊断准确率可高达89.2%。.上述研究成果实现了高时间分辨率、高光谱分辨率及高空间分辨率的光谱成像，可实时、准确地评估皮瓣的供血状况，为皮瓣血循环障碍的早期诊断和实时监测提供了一种快速、准确、非接触的影像学手段。.在本项目的资助下，共发表学术论文20篇（其中SCI收录16篇），申请发明专利9项，授权发明专利1项，培养硕士研究生9人。项目负责人入选辽宁省高等学校创新人才，荣获辽宁省及沈阳市自然科学学术成果奖二等奖各1次，超额完成了项目的预定目标。