探索肤色对光学特性的影响:医学光学技术的见解

发布时间:2024-03-26 16:00:10

近几十年来,光学技术已经彻底改变了医学诊断、手术和治疗方法。然而,它们的有效性依赖于复杂的光组织相互作用,而这主要受肤色的影响。本文探讨了这种相关性及其对医疗光学技术的影响,强调了包容性和公平医疗解决方案的必要性。

 

 

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光学技术在医学中的应用

 

光学技术正在推动医疗诊断、手术和治疗的变革,代表着730亿美元的全球医疗市场。这些技术,从显微镜和检眼镜到机器人辅助成像系统,已经彻底改变了视觉检查和微创手术。

 

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光学相干断层扫描(OCT)是医学中应用最广泛的光学技术之一,它采用低相干干涉术来生成高分辨率的组织横截面图像。这对于诊断和治疗青光眼和视网膜疾病至关重要。

 

除了成像,光学技术也改变了治疗方法。光动力疗法(PDT)利用光激活光敏剂的力量来选择性地靶向和破坏癌细胞或病变细胞,为各种恶性肿瘤和皮肤病提供了一种微创治疗选择。然而,这些不同的光学设备的基本操作围绕着它们通过光吸收和散射与组织的相互作用。吸收将光能转化为热能或引发光化学反应,而散射导致光束在穿过组织时变宽和衰减。

 

这些基本的相互作用决定了光线穿透的深度,从而形成测量或治疗的焦点。它们还会影响从组织内部返回的光信号的强度,而成像和诊断技术依赖于光信号的强度。因此,全面了解这些光学器件皮肤相互作用对于开发和有效使用医疗光学技术至关重要。

 

肤色的关键作用

 

影响人体组织光学特性的最重要因素之一是皮肤颜色,主要由黑色素浓度决定。相关故事体内谐波产生显微镜检测时间老化参数艺术保护显微技术palovia的皮肤更新激光提供光滑和年轻的皮肤黑色素是一种高度吸收的发色团,特别是在电磁波谱的可见和近红外(NIR)区域。由于遗传因素和阳光照射,黑色素的浓度在个体之间差异很大,对其光学特性产生了重大影响。黑色素浓度越高的人,肤色越深,皮肤对光的吸收和散射也越大,从而影响光通过组织的传输。

 

这种由于肤色导致的吸收和散射特性的变化对医疗光学技术提出了重大挑战。例如,脉搏血氧仪是一种广泛使用的测量血氧饱和度的无创方法,但在肤色较深的人身上可能会遇到准确性方面的挑战。黑色素吸收的增加可能导致不准确的动脉氧饱和度估计,潜在地延迟低氧血症的检测并影响患者的护理。同样,在光声成像(PAI)中,皮肤色素沉着会对图像质量和氧饱和度测量产生不利影响,后者利用光吸收来产生声信号。肤色越深,黑色素浓度越高,会导致声杂波增加,穿透深度降低,潜在地模糊了潜在的血管结构,并导致氧饱和度读数不准确。肤色变化带来挑战的另一个领域是激光治疗和PDT。这些治疗的效果依赖于将光能精确地输送到目标组织。然而,黑色素浓度的变化会影响光穿透的深度,可能导致不理想的治疗结果或增加副作用的风险。这些挑战强调了在包容性医疗设备设计和应用中考虑肤色光学特性变化的重要性,因为如果不这样做,可能会导致误诊、治疗结果不理想,以及不同人群之间潜在的健康差异。

 

最新研究和案例分析的见解

 

肤色变化对光声血氧测定的影响

 

 

在《生物医学光学快报》上发表的一项研究中,加州大学圣地亚哥分校的研究人员探索了肤色对光声(PA)血氧仪的影响,这是脉搏血氧仪的潜在替代方案。他们的研究结果显示,与肤色较浅的人相比,肤色较深的人由于黑色素含量增加,皮肤表面的PA信号强度更高,导致更多的声杂波和更低的桡动脉氧饱和度读数。

 

为了解决这个问题,研究人员提出了校正技术,如时间增益补偿调整、降噪算法和基本校正因子,使PA血氧计测量值与脉搏血氧计测量值的误差在2%以内。黑素体体积对经皮胆红素水平的影响

 

发表在《儿科研究》上的一项研究评估了肤色对经皮胆红素(TcB)测量的影响,TcB是诊断新生儿高胆红素血症的重要方法。

 

研究人员发现,与未着色的皮肤相比,较高体积分数的黑素体(包装黑色素)以及增加的胆红素水平导致更大程度的TcB低估,TcB水平为250 μ mol/L时,低估范围为26至132 μ mol/L

 

然而,这些测量可以通过结合多波长测量和黑色素特异性校正来改进。医学光学的未来:解决肤色的影响

 

皮肤颜色显著影响控制医学光学的光组织相互作用。了解这些含义对于设计能够提供有效、安全和公正的护理的技术至关重要,而不考虑患者的属性。

 

先进的计算模型和机器学习技术提供了有希望的方法来预测不同黑色素浓度组织中的光行为,并自动补偿肤色影响,提高设备的准确性。标准化的测试方法,包括组织模拟模型,也将确保对不同肤色的彻底验证。然而,需要光学、皮肤病学和生物医学工程专家之间的跨学科合作来开发整体解决方案,以满足不同患者群体的需求,促进公平的医疗保健获取。

 

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参考文献及深入阅读

 

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Afshari, A.等(2022)。使用组织模拟模型评估脑氧饱和度对皮肤色素沉着变化的稳健性。生物医学光学快报。doi.org/10.1364/BOE.454020

 

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