劉思妍　何昱濱　張永杰　陳長水

摘 要：近年來，激光在生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)領(lǐng)域的研究中得到越來越多的應(yīng)用，不同波長的激光在生物組織中的傳輸特性也因其光學(xué)特性而異，生物組織的光學(xué)特性與生理狀態(tài)有關(guān)，通過測量生物組織表面漫射光分布進(jìn)而可以了解其生理狀態(tài)。該系統(tǒng)基于三波長測量法設(shè)計并實現(xiàn)了一套多通道三波長漫射光自動測量系統(tǒng)，對人體經(jīng)絡(luò)與非經(jīng)絡(luò)的光傳輸特性進(jìn)行了測量分析。實驗結(jié)果表明，經(jīng)絡(luò)與非經(jīng)絡(luò)循行線上的光傳輸特性存在差異，在手闕陰心包經(jīng)方向上光的傳輸比起非經(jīng)絡(luò)方向上衰減得慢。經(jīng)絡(luò)與非經(jīng)絡(luò)這一光學(xué)傳輸特性對證明經(jīng)絡(luò)的客觀存在和對經(jīng)絡(luò)這一方面進(jìn)一步的研究有著重要的意義。

關(guān)鍵詞：生物醫(yī)學(xué)光子學(xué) 三波長測量法 經(jīng)絡(luò) 光傳輸特性

中圖分類號：R224.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）07（a）-0185-02

由于生物組織的光學(xué)特性，當(dāng)光照射到生物組織后，一部分光會在生物組織表面發(fā)生反射，一部分光則會到達(dá)生物組織內(nèi)部一定深度，而這部分光一些被組織吸收而大部分被散射回組織表面，即被漫反射。漫反射光子包含了生物組織的重要信息，因此基于漫反射光的測量可以獲得有關(guān)人體的生理參數(shù)。

該系統(tǒng)測量區(qū)域為人體手腕手厥陰心包經(jīng)處和平行相距1 cm非經(jīng)絡(luò)處。腕部手厥陰心包經(jīng)部位組織結(jié)構(gòu)由皮膚、皮下組織、肌腱、深筋膜和結(jié)締組織等組成，旁路非經(jīng)絡(luò)由皮膚、皮下組織和結(jié)締組織等組成[1]。不同生物組織的吸收、散射等特性不同，因此其光學(xué)特性也不同，根據(jù)這一特性，可由射入肌膚漫射出的漫射光來研究生物組織的光學(xué)特性。生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)中有關(guān)光子的輸運理論采用吸收系數(shù)、散射系數(shù)及相位函數(shù)來描述吸收現(xiàn)象和散射現(xiàn)象以及散射的各向異性。

另外，當(dāng)一束單色光照射于吸光介質(zhì)（組織）表面，一部分光子在通過一定距離后被吸收，滿足比爾-朗伯定律的表述；另一部分光則呈各向異性，向四周散射。通過該文設(shè)計的系統(tǒng)探測該散射光強(qiáng)，引入三波長測量提高精確度。

基于上述理論，我們自行設(shè)計了一套多通道三波長漫射光自動測量系統(tǒng)對垂直入射經(jīng)絡(luò)與非經(jīng)絡(luò)的激光的漫射光進(jìn)行測量，使用該系統(tǒng)可以有效提高測量速度和測量精度。

1 基本原理

1.1 光源模塊

在該實驗系統(tǒng)中，入射光源為半導(dǎo)體激光器，輸出的激光束經(jīng)過斬波控制器選定特定波長后，成為具有一定頻率的光脈沖，再耦合進(jìn)入射光纖。同時，斬波器的頻率信號將連接到鎖相放大器的輸入端放大，使其鎖定入射波長的光，作為濾除噪聲信號的參考頻率，比較收集光強(qiáng)度和入射的差值。用于發(fā)射激光的光纖頭垂直接觸皮膚表面時，由于激光在皮膚表面會發(fā)生吸收、反射等導(dǎo)致光強(qiáng)衰弱，最后會有一部分漫反射光從皮膚表面輻射出，由于生物組織的不均勻性，漫射光通常也是不均勻的，為了保證能夠順利接受到漫射的激光信號，在探測點旁邊一側(cè)垂直放置一根芯徑同樣為600 μm的探測光纖來收集漫射光，接著傳輸至光電倍增管，經(jīng)過光電倍增管將微弱的光信號轉(zhuǎn)換和放大，進(jìn)而送至鎖相放大器，鎖相放大器根據(jù)鎖定的頻率對有用的信號進(jìn)行放大和數(shù)字，最終輸入計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。整個實驗過程中必須保持激光器的輸出功率、光電倍增管的控制電壓和斬波器頻率不變。

選擇三波長測量法相較于單波長檢測和雙波長檢測，提高了準(zhǔn)確度。圖1為一吸收曲線，在該曲線上任意選取三個波長λ1、λ2、λ3，其對應(yīng)的待測數(shù)值A(chǔ)1、A2、A3有如下關(guān)系：

△A=A2-mA1+nA3m+n=ελ2-mελ1+mελ3m+n×C×l

式中，m為i為λ2波長和λ3的差值， n為波長λ1和λ2的差值，eλ1、eλ2和eλ3為待測物在三個波長處的摩爾吸光系數(shù)，其中C 為待測物的摩爾濃度，l為光程[2]。由該式可知，△A與待測物濃度成正比，則當(dāng)△A值為零時，即所選取的三個波長對應(yīng)的吸收光譜的三個點在同一直線上，所測A1、A2、A3與待測物濃度無關(guān)，只與待測組分的濃度有關(guān)。

1.2 控制模塊

該模塊主要控制光源和數(shù)據(jù)收集處理。發(fā)光模塊部分由斬波控制器選擇特定波長，當(dāng)入射光發(fā)出時，斬波器改變光的頻率，由C（光速）=f（頻率）λ（波長）算得獲得光的波長，以達(dá)到獲得三種波長的目的；同時將控制特定波長的光強(qiáng)度傳入鎖相放大器，以供比較接收光強(qiáng)與入射光強(qiáng)。

接收模塊數(shù)據(jù)的處理則主要由鎖相放大器受計算機(jī)進(jìn)行控制。當(dāng)接收模塊產(chǎn)生數(shù)據(jù)，則數(shù)據(jù)存儲在鎖相放大器中。計算機(jī)發(fā)送對應(yīng)指令給鎖相放大器，鎖相放大器實現(xiàn)相應(yīng)功能并將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、處理、分析。其中，通信與控制以串口通信程序為基礎(chǔ)實現(xiàn)，串行通信接口為RS232，一次只檢測及處理一個接收點的數(shù)據(jù)。串口通信程序有NI-Labview編寫的VISA模塊通信程序，該程序以發(fā)送指令形式代替鎖相放大器按鍵面板，將收集到的數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入excel表格，界面清晰，操作簡單。

1.3 接收測量模塊

該模塊的工作是把多個測量點探頭接收到的漫射光信號通過光纖作為傳播介質(zhì)分時切換到光電倍增管，把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺賹㈦娦盘栠M(jìn)行放大。然后由鎖相放大器將模擬的電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，同時把和參考信號形同頻率為21.31 Hz的電信號提取出來，最后由Lalview軟件程序自動對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并傳送至計算機(jī)。在測量點光纖和光電倍增管之間通過光開關(guān)來切換，在光傳輸?shù)倪^程中光開關(guān)起到通道間切換的作用，使得測量點的光纖按順序依次傳輸?shù)焦怆姳对龉芊糯蟛⒈蛔x取。該實驗需選取切換速度小的光開關(guān)，因為各個測量點的測量速度取決于光開關(guān)的切換速度，切換速度越快，各個測量點所需的時間越短。

根據(jù)信號在光纖中傳輸?shù)哪Ｊ娇煞譃閱文：投嗄９饫w，它們有各自的優(yōu)點，為了保證多個波長的光在同一根光纖上傳輸，該實驗中采用了多模光纖，纖芯直徑選擇50 um/125的光纖，為了便于測量光纖在探頭上進(jìn)行固定，取用了FC/PC接頭。

測量光源的發(fā)光是以經(jīng)絡(luò)與非經(jīng)絡(luò)兩條路徑為順序的，當(dāng)A激光源垂直入射手闕陰心包經(jīng)時，路勁1的4個測量點光纖按順序切換進(jìn)行測量；當(dāng)B激光源在平行相距1cm垂直入射時，路勁2的4個測量點光纖也按順序切換進(jìn)行測量，其中每個測量點分時測量3次。

1.4 系統(tǒng)整體示意圖

系統(tǒng)整體示意圖如圖3所示。

2 實驗結(jié)果

由于光在組織中的傳輸與組織本身的種類、結(jié)構(gòu)有關(guān)，因為不同組織的組織光學(xué)特性包括組織的吸收系數(shù)、散射系數(shù)、各向異性因子等均不相同。通過該系統(tǒng)選擇了808 nm波長的光來進(jìn)行測量，其測量結(jié)果如圖3。通知實驗得知在腕部手厥陰心包經(jīng)循行線及旁開非經(jīng)絡(luò)線上，漫射光強(qiáng)度都隨入射光纖和探測光纖之間距離的增加而呈指數(shù)衰減。從漫射光強(qiáng)度的大小來看，腕部手厥陰心包經(jīng)循行路線上漫射光強(qiáng)度比旁開非經(jīng)絡(luò)線上的漫射光強(qiáng)度更大。在手厥陰心包經(jīng)方向上，光波沿經(jīng)絡(luò)方向傳輸時都比其旁開的傳輸路徑衰減得較慢，由前面的分析可推斷經(jīng)絡(luò)循行路線方向組織的吸收系數(shù)和散射系數(shù)相對較小。由此可得出激光在經(jīng)絡(luò)與非經(jīng)絡(luò)循行線上的光學(xué)傳輸特性是不一樣的。

使用該系統(tǒng)測量漫射光強(qiáng)度從而得出相對強(qiáng)度分布，再由相對強(qiáng)度分布擬合出衰減因子，通過比較衰減因子比較經(jīng)絡(luò)與非經(jīng)絡(luò)之間散射系數(shù)和吸收系數(shù)大小的方法是穩(wěn)定可靠的，這種方法也比傳統(tǒng)的電阻測量法要更具有科學(xué)依據(jù)與可行性。

3 分析與討論

在現(xiàn)存的生物醫(yī)療中，中醫(yī)的經(jīng)絡(luò)醫(yī)療得到了理論和實際的驗證。而該文面向的光在經(jīng)絡(luò)位置的傳輸理論系統(tǒng)是由人們提出的許多近似或模擬的理論形成。

該文提出的系統(tǒng)主要針對光漫射對于經(jīng)絡(luò)與非經(jīng)絡(luò)之間傳輸差異，并對檢測系統(tǒng)提出優(yōu)化，也是基于近似的光學(xué)參數(shù)的取舍，主要理論涉及散射理論、軟件通信和光在組織中的傳輸參數(shù)選定等；還包括三波長檢測法對于精確度的提高，開發(fā)板的控制和控制模塊之間的通信對于檢測流程的精簡，可彎曲的探測頭裝置對于身體凹凸部位的適應(yīng)，都致力于提高系統(tǒng)的檢測可靠性和易操作性。

在系統(tǒng)檢測得到的數(shù)據(jù)中，我們可以知道，隨著檢測點距光源的距離，經(jīng)絡(luò)和非經(jīng)絡(luò)部分接收光強(qiáng)呈現(xiàn)先急后緩的單調(diào)下降趨勢。然而具體數(shù)值顯示，經(jīng)絡(luò)部分的光傳輸與非經(jīng)絡(luò)部分的光傳輸存在著明顯差異。這也進(jìn)一步提出了出現(xiàn)該現(xiàn)象因素的探究，包括具體物質(zhì)、生理狀態(tài)等。

除此之外，該課題的研究仍有許多空間可以展望。一是測量精度的進(jìn)一步提高，尤其是消除更微小的皮膚組織起伏所帶來的影響；二是引入更多的可能影響光在經(jīng)絡(luò)部位組織傳輸?shù)淖兞?，例如健康狀態(tài)；以及其他值得探究的方向。

參考文獻(xiàn)

[1] 謝浩然.經(jīng)絡(luò)穴位的準(zhǔn)確測量[J].上海針灸雜志，1988（2）：33-35.

[2] 過乃蓉，羅慶堯，陳震華，等.三波長分光光度法的原理和應(yīng)用[J].分析化學(xué)，1983，11（6）：408.