朱東瑩 呂勇 沈俊杰

摘 要：靜脈注射和靜脈抽血是最常用的醫(yī)療方法之一，都需要醫(yī)護(hù)人員對(duì)患者靜脈穿刺。在患者接受穿刺時(shí)，由于患者皮膚狀況不同，讓醫(yī)護(hù)人員不能確定靜脈的具體位置和深度，從而造成穿刺失敗。文章嘗試通過近紅外技術(shù)估計(jì)靜脈深度，從而為醫(yī)護(hù)人員提供參考，提高穿刺成功率。通過檢測手臂皮膚皮下脂肪厚度估計(jì)靜脈深度。原理是人表皮對(duì)近紅外光吸收率較低，脂肪存在強(qiáng)烈的背向散射，而靜脈對(duì)近紅外光存在較強(qiáng)的吸收與前向散射。通過檢測背向散射光強(qiáng)度來檢測靜脈深度。通過蒙特卡羅法模擬皮膚結(jié)構(gòu)對(duì)光的作用，建立數(shù)學(xué)模型，仿真結(jié)果顯示，脂肪厚度越大，后向散射越強(qiáng)，出射光越強(qiáng)，兩者相關(guān)度越好，從而能夠較準(zhǔn)確地確定靜脈深度，提高醫(yī)護(hù)人員穿刺成功率。

關(guān)鍵詞：近紅外；靜脈深度；靜脈穿刺；蒙特卡羅方法

中圖分類號(hào)：R472 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）28-0018-04

Abstract： Intravenous injection and venous blood sampling is one of the most commonly used medical methods， both of which need medical staff to the patient venipuncture. At the time of puncture， due to the different skin condition of the patient， the doctors and nurses can not determine the specific location and depth of the vein， resulting in puncture failure. This paper attempts to estimate the depth of vein by near-infrared technique so as to provide references for doctors and nurses and improve the success rate of puncture. The vein depth was estimated by measuring the thickness of the subcutaneous fat of the arm skin. The principle is that human epidermis has lower absorption rate of near-infrared light， fat has strong backscattering， while vein has stronger absorption and forward scattering of near-infrared light. The depth of vein was measured by measuring the intensity of backscattered light. The effect of skin structure on light is simulated by Monte Carlo method， and the mathematical model is established. The simulation results show that the greater the thickness of fat， the stronger the backscattering and the stronger the output light， the better the correlation between the two， so that the vein depth can be determined more accurately， to improve the success rate of puncture.

Keywords： near-infrared； vein depth； venipuncture； Monte Carlo method

1 概述

靜脈成像技術(shù)可以從靜脈圖像中提取靜脈特征，進(jìn)行身份識(shí)別。或?qū)㈧o脈圖像投影回手臂顯示靜脈位置，可以幫助醫(yī)護(hù)人員準(zhǔn)確地找到靜脈并穿刺。

在720～1100nm近紅外光的照射下，手臂靜脈中的血紅蛋白對(duì)近紅外光的吸收強(qiáng)于周圍組織對(duì)近紅外光的吸收，通過光成像系統(tǒng)可以觀察到血管部分對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)度低于非血管區(qū)域，形成了手臂靜脈圖像。本文提出一種通過850nm和940nm波長的紅外光對(duì)比檢測靜脈深度的方法，為醫(yī)護(hù)人員穿刺時(shí)的穿刺深度提供參考。

2 手臂靜脈深度估算基本原理

2.1 手臂光學(xué)特性及數(shù)學(xué)模型

2.3 手臂組織的光學(xué)特性

2.3.1 手臂皮膚的結(jié)構(gòu)和吸收特性

手臂的皮膚組織由表皮層、真皮層、皮下組織構(gòu)成。表皮層是由角質(zhì)層、透明層、顆粒層、有棘層和基底層構(gòu)成的非常薄的結(jié)構(gòu)，厚度約為0.0027～0.015cm。前四層對(duì)近紅外光的吸收能力很弱，大部分光線能穿過前四層，進(jìn)入皮膚下層，而基底層中存有黑色素。黑色素會(huì)吸收一部分紅外光。真皮層分為乳頭層和網(wǎng)狀層，厚度約0.06～0.3cm，它們的主要成分是彈性纖維和結(jié)締組織，其中含有大量的水，能吸收一部分近紅外光。皮下組織由脂肪細(xì)胞和血管網(wǎng)組成。

在對(duì)紅外光有吸收作用的成份中，膽紅素、脫氧血色素和含氧血色素等細(xì)胞色素的吸收系數(shù)接近零，對(duì)紅外光的吸收作用可以忽略不計(jì)。血紅蛋白分為攜氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白。從攜氧血紅蛋白、脫氧血紅蛋白、水的近紅外吸收光譜分析，如圖1所示在800nm以下的波長范圍內(nèi)，水對(duì)光的吸收率小于0.02，在800nm以上的波長范圍內(nèi)，水的吸收率迅速增大。從圖1還可以看出血液中的氧合血蛋白和還原血蛋白在850nm與940nm的近紅外光照下吸收紅外光的能力相似。通過脂類在近紅外光的光譜圖中的曲線可知，在850nm波長范圍內(nèi)，脂類的吸收率小于0.02，而在940nm時(shí)，吸收率變?yōu)?.05以上。由圖2可以看出，表皮層的黑色素對(duì)850nm和940nm的近紅外光有一定吸收能力但是吸收率變化不大。

對(duì)不同成分在850、940nm的波長下吸收率的比較，水的吸收能力顯著增大，皮膚中對(duì)紅外光的吸收主要為脂類、黑色素、氧合血紅蛋白、還原血紅蛋白和水，其中吸收率變化明顯的是脂肪和水。

2.3.2 散射

皮膚是非均勻的光學(xué)介質(zhì)，皮膚除了會(huì)吸收光外，還會(huì)發(fā)生散射。散射時(shí)光的傳播方向發(fā)生改變，入射光與散射光的夾角稱為散射角，紅外光穿過皮膚的散射角多在8°～45°，是前向散射，另一部分光形成后向散射。散射與波長有關(guān)，波長越短，散射的光越多；波長越長，散射越小，光線越容易穿過皮膚組織。

表皮層的散射較少，因此除了少量被吸收的部分，其余光線都進(jìn)入真皮層。真皮層的散射比較復(fù)雜。乳突層中小膠原纖維使得真皮層后向散射嚴(yán)重，大部分入射光被反射回去。在網(wǎng)狀層中，入射光在膠原纖維作用下，大部分發(fā)生前向散射并繼續(xù)向下傳播。在脂肪層中，由于脂肪細(xì)胞遠(yuǎn)大于近紅外光的波長，存在強(qiáng)烈的散射。

由于手臂組織的皮膚層較厚，所用近紅外光源能量較弱，所以近似認(rèn)為近紅外光被皮膚組織完全吸收。

2.3.3 手臂組織的光學(xué)特性分析

根據(jù)朗伯·比爾定律，吸光物質(zhì)所吸收的光能總量與入射輻射波的波長有關(guān)，并且與吸收層的厚度成正比。

在850nm光照下，水和脂肪對(duì)光的吸收較小，皮膚表面形成的光強(qiáng)差異明顯，且在該波段下，后向散射明顯。隨著波長的增大，水和脂類對(duì)近紅外光的吸收量明顯增大。

2.4 手臂靜脈深度估算的理論基礎(chǔ)

靜脈深度由表皮厚度、真皮厚度和覆蓋在靜脈上的脂肪層厚度決定。一般人的手臂皮膚表皮層厚度為0.15毫米左右，皮膚總厚度一般為2毫米左右，而脂肪層厚度每個(gè)個(gè)體與部位都不同。所以手臂靜脈深度主要由脂肪層厚度決定。

皮膚表皮層對(duì)紅外光有很好的透過特性。照射到人體皮膚的近紅外光線，大部分都能穿過表皮進(jìn)入皮下脂肪組織。并且，脂肪的后向散射光大部分能穿過皮膚。光在脂肪中也存在散射和吸收兩種作用。但脂肪吸收系數(shù)小而且穩(wěn)定，在940nm 波長附近有吸收紅外光的峰值，而在850nm 波長下，吸收紅外的作用較小，可以利用兩波長下吸收紅外光能量的差值推算脂肪厚度。由于脂肪細(xì)胞尺寸遠(yuǎn)大于近紅外光的波長，脂肪中存在著很強(qiáng)的背向散射。使用可以利用背向散射光差值推測脂肪的厚度。

3 蒙特卡羅方法測靜脈深度

生物組織對(duì)光在其中傳播時(shí)的散射系數(shù)遠(yuǎn)大于吸收系數(shù)，所以組織中的傳播不能用一般的朗伯·比爾定律來描述，所以很難測量生物組織中的光程長。組織光學(xué)研究光在組織的傳播的情況時(shí)一般使用的數(shù)學(xué)模型是漫射方程或通過蒙特卡羅仿真方法。蒙特卡羅方法能模擬光子流在皮膚組織中的傳輸過程，被認(rèn)為是最能模擬實(shí)際情況的方法。

3.1 蒙特卡羅模擬步驟分析

將皮膚對(duì)光的作用分為四個(gè)步驟：光子產(chǎn)生、光子傳輸、光子邊界的反射、光子消亡。總結(jié)出蒙特卡羅方法步驟，如圖3所示。

為了滿足模型，需要對(duì)光子和生物組織進(jìn)行一定的假設(shè)：

a.假設(shè)光源每次發(fā)出一個(gè)光子，并垂直射入皮膚。

b.入射光子的能量具有可分性，即光子能量會(huì)減少。

c.不考慮光子的波動(dòng)性。

d.皮膚結(jié)構(gòu)具有明確的分層。

e.各層結(jié)構(gòu)之間互相平行。

f.每層的光學(xué)參數(shù)不同，同層質(zhì)地均勻，光學(xué)參數(shù)相同。

為了描述光子的運(yùn)動(dòng)與狀況，基于假設(shè)，建立坐標(biāo)系。通常選擇兩套坐標(biāo)系。O-XYZ用來表示光子的位置，其中O表示光子的入射點(diǎn)。引入坐標(biāo)變量（r，θ）來描述光子的位置，其中r表示光子在OXY平面投影點(diǎn)距離O點(diǎn)的距離，θ表示O點(diǎn)到投影點(diǎn)向量與X的夾角；0′- X′Y′Z′是用來描述光子的運(yùn)動(dòng)方向，用（ψ，φ）來表示光子原來運(yùn)動(dòng)方向與X和Z軸夾角，在光子被散射時(shí)，其散射角分別為（ψs，φs），則ψs， φs分別為與X′、Z′的夾角。

3.1.1 光子包的發(fā)射

3.1.4 光子消亡

當(dāng)光子到組織邊界面時(shí)，認(rèn)為光子已經(jīng)消亡；在生物組織中的光子，如果權(quán)重w過小時(shí)，不研究該光子的后續(xù)傳輸。采用蒙特卡羅方法對(duì)判定是否對(duì)光子研究。設(shè)定整數(shù)a，隨機(jī)數(shù)ζ；如果ζ>1/a，認(rèn)為光子消失；當(dāng)ζ≤1/a，則光子的權(quán)重改為aw。

3.2 蒙特卡羅仿真

通過蒙特卡羅方法模擬紅外光與三層組織（表皮、脂肪、靜脈和肌肉）的作用。

圖4顯示出在一定范圍內(nèi)，光子的光程長度與接收器成正比。圖5中可以看出大部分光子不能進(jìn)入超過5mm的內(nèi)部。反射回的光子大部分沒有穿透1mm。

3.3 不同脂肪厚度對(duì)光的影響

設(shè)定表皮層厚度為1mm，皮下脂肪為0.1mm到10mm。取1mm，5mm，10mm進(jìn)行試驗(yàn)。圖6顯示初射位置在5mm到15mm光強(qiáng)變化比較大。圖7為初射位置與脂肪厚度的相關(guān)系數(shù)，表明初射距離10mm以上光強(qiáng)與脂肪厚度有較好的相關(guān)性。

計(jì)算機(jī)模擬的蒙特卡羅模擬顯示： 不同出射位置，光子的平均到達(dá)的最大深度與光接收器之間的距離呈一定的線性關(guān)系； 當(dāng)脂肪厚度較大，散射光較強(qiáng)，出射光強(qiáng)度大時(shí)，脂肪厚度與出射光的強(qiáng)度的相關(guān)性較好，此時(shí)，通過光強(qiáng)預(yù)測靜脈深度就較準(zhǔn)確。

4 結(jié)束語

利用不同波長的近紅外光對(duì)比的蒙特卡羅方法能較準(zhǔn)確地估計(jì)靜脈深度，為醫(yī)護(hù)人員對(duì)病患靜脈穿刺提供參考。在對(duì)靜脈深度進(jìn)行估計(jì)時(shí)，適當(dāng)提高近紅外光的光強(qiáng)能使檢測結(jié)果更準(zhǔn)確。

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