改进的水转印数字散斑场与三维数字图像相关技术

主要研究发现及其对研究问题的影响

本研究通过创新性地将改进的水转印数字散斑场与三维数字图像相关技术相结合，成功实现了对人体颈动脉脉搏波的非接触、全场、动态测量，解决了生物医学测量中的多个关键技术难题。

一、核心发现

1. 水转印数字散斑场的技术突破

   
   

• 开发了适用于人体不同肤色的改进水转印散斑制作方法：以白色为底与黑色散斑形成高对比度，克服了以肤色为底导致的对比度低问题（图2）。

  
  

• 量化验证了其优越性：在施加等级8噪声的条件下，改进水转印散斑的位移标准差（σ≈0.010 pixel）显著低于自然纹理（σ≈0.185 pixel），且计算效率更高（平均迭代次数2.49次 vs. 7.52次）（图3）。

  
  

2. 颈动脉脉搏波全场动态测量实现

   
   

• 成功获取了颈动脉脉搏波的时域与空域全场信息：频率（1.2 Hz）、波形、位移分布等（图5-8）。

  
  

• 发现了脉搏波空间传播规律：位移以波动中心为顶点呈抛物线分布，并观察到符合青年人特征的两阶段下降（快速上升后缓慢下降，伴随两次局部震荡）。

  
  

3. 测量系统可靠性验证

   
   

• 通过三维DIC系统（图1、4）实现了对人体颈动脉的高精度（像素级）动态追踪，避免了传统接触式测量对患者隐私的侵犯与不适。

  
  

二、对研究问题的影响

1. 解决了生物医学测量的核心痛点

   
   

• 替代传统方法：克服了喷漆、点涂等传统散斑制作方式不稳定、依赖经验、不适用于人体的问题。

  
  

• 提升测量精度与效率：为活体组织动态变形测量提供了高精度、高效率的解决方案，显著优于自然纹理特征。

  
  

2. 推动心血管疾病研究范式转变

   
   

• 从“单点”到“全场”：首次实现颈动脉脉搏波的全场时空同步分析，可提取波速、加速度等更多动力学参数（图7-8），为疾病诊断提供更全面的数据支撑。

  
  

• 从“接触”到“非接触”：非接触式测量避免了传感器压迫对血管运动的干扰，更真实反映生理状态。

  
  

3. 为临床应用提供新技术路径

   
   

• 疾病筛查与监护：通过脉搏波形异常检测（如硬化血管的波形变化），为动脉硬化、高血压等疾病提供潜在筛查工具。

  
  

• 治疗评估：可用于评估药物或介入治疗对血管弹性的改善效果。

  
  

三、研究贡献总结

四、未来影响与拓展方向

1. 临床转化：结合机器学习分析大量临床数据，建立脉搏波形特征与疾病的定量关联。

   
   

2. 技术推广：拓展至其他浅表血管（如桡动脉）或软组织变形监测。

   
   

3. 硬件优化：集成更高帧频相机，捕捉更瞬态的生理现象（如瓣膜波动引发的高频振动）。

   
   

本研究不仅解决了散斑制作与活体测量的技术瓶颈，更开创了心血管生理学研究的新范式，为光学测量技术在精准医疗中的应用奠定了坚实基础。