劉 瑾， 付潤(rùn)娟， 韓同帥， 劉 蓉， 孫 迪

天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300072

引 言

近紅外光譜具有無(wú)損、 高效、 實(shí)時(shí)等優(yōu)點(diǎn)， 在人體成分的無(wú)創(chuàng)測(cè)量領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[1]。 成功的應(yīng)用有血氧飽和度[2]、 血紅蛋白濃度[3]的測(cè)量， 均有成熟的儀器產(chǎn)品。 另外， 基于近紅外光譜法的無(wú)創(chuàng)血糖測(cè)量是受到廣泛關(guān)注、 被寄予厚望的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域[4]， 其難度較大。

在活體成分測(cè)量中， 人體組織的光譜間存在千差萬(wàn)別， 即使同一組織的光譜也時(shí)刻發(fā)生著變化， 這是影響活體組織成分測(cè)量精度的重要原因。 組織的漫反射光譜并不隨光源-探測(cè)器距離(source detector separation, SDS)呈現(xiàn)線性變化， 在不同距離下的漫射光譜(或不同厚度下的漫透射光譜)， 不易相互轉(zhuǎn)換和比較。 不同距離下的漫射光信息中所包含的吸收、 散射的比例均不同[5]， 在1 000～1 600 nm波段， 甚至出現(xiàn)對(duì)組織的散射差異不敏感、 只對(duì)吸收敏感的測(cè)量距離[5-7]。 因此， 若采用不同的測(cè)量距離進(jìn)行測(cè)量， 其包含的信息量是不一致的。 因此， 非常有必要找到一個(gè)與測(cè)量距離無(wú)關(guān)、 有明確物理意義的光學(xué)參數(shù)來(lái)表征組織光譜的光學(xué)特性， 以此來(lái)考察活體組織的差異或者其變動(dòng)情況。

利用實(shí)時(shí)測(cè)量的漫射光譜直接反推組織的基本光學(xué)參數(shù)有一定的難度。 常用的方法是反向倍-增法[8]， 它采用漫透射、 漫反射相結(jié)合的方式， 更適合離體組織的測(cè)量。 還有一些依靠智能算法， 如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等， 進(jìn)行反推的數(shù)學(xué)方法。 近年來(lái)， 隨著多距離漫射光譜測(cè)量技術(shù)的發(fā)展， 學(xué)者們基于多個(gè)距離下豐富的漫射光信息， 直接獲得了組織的一個(gè)綜合光學(xué)參數(shù)， 即有效衰減系數(shù)[9-13]。 Chiarelli等對(duì)漫反射光強(qiáng)進(jìn)行校正， 將其校正為隨SDS線性變化的新變量， 并將其應(yīng)用于腦組織活動(dòng)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)[9-10]； 劉瑾等采用雙SDS差分測(cè)量， 詳細(xì)推導(dǎo)了無(wú)限介質(zhì)、 半無(wú)限介質(zhì)下的差分測(cè)量公式(含有效衰減系數(shù))[11]； 曹海青等利用雙SDS測(cè)量了多種Intralipid溶液的有效衰減系數(shù)[12]； 韓同帥等利用雙SDS差分法獲得的有效衰減系數(shù)進(jìn)行了血糖測(cè)量[13]。 上述研究均證實(shí)了差分測(cè)量獲得的有效衰減系數(shù)是不依賴測(cè)量距離的光學(xué)參數(shù)。

本文將基于雙/多SDSs的差分測(cè)量用于人體組織光譜有效衰減系數(shù)的測(cè)量， 考察人體組織的光譜特征。 設(shè)計(jì)仿體實(shí)驗(yàn)， 測(cè)試了葡萄糖、 血紅蛋白、 顆粒密度、 溫度四個(gè)因素影響下介質(zhì)的有效衰減系數(shù)光譜， 比較了它們的光譜特征。 進(jìn)一步， 進(jìn)行了人體實(shí)驗(yàn)， 考察了人體組織光譜的差異。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 基于雙光源-探測(cè)器距離差分的有效衰減系數(shù)估計(jì)

根據(jù)漫射方程的一階近似解， 在半無(wú)限介質(zhì)的組織表面、 SDS為ρ的距離下的漫反射光能流密度可表示為[14]

(1)

(2)

兩個(gè)距離下(rA和rB)的漫反射光(IrA和IrB)的吸光度進(jìn)行差分， 得到新的變量AD

(3)

將式(2)代入式(3)可得

AD=μeff(rA-rB)+Ksinf

(4)

(5)

上述推導(dǎo)為理想情況下， 且做了一定的簡(jiǎn)化， 這不影響式(5)的使用。 獲得的有效衰減系數(shù)可能與真實(shí)值存在系統(tǒng)誤差， 但其是一個(gè)與測(cè)量距離無(wú)關(guān)的、 穩(wěn)定反映組織光學(xué)特性的量， 可看作有效衰減系數(shù)的估計(jì)值， 并可進(jìn)一步通過(guò)數(shù)學(xué)方法進(jìn)行系統(tǒng)誤差的修正。

1.2 方法

采用雙距離的漫反射測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行仿體溶液和人體組織的測(cè)量。 圖1是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的示意圖。 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括鹵素?zé)簟?光譜儀(愛(ài)萬(wàn)提斯， 型號(hào)： AvaSpec-NIR256/512-1.7(TEC)， 波長(zhǎng)范圍900～1 750 nm)， 光開(kāi)關(guān)(中電科34所)、 光纖等。 測(cè)頭包括定制的三環(huán)結(jié)構(gòu)光纖， 中心環(huán)為光源入射， 另外兩個(gè)為漫反射光接收環(huán)。 接收環(huán)的內(nèi)外緣中心距入射光纖中心的距離即可視為光源-探測(cè)器距離， 第一個(gè)環(huán)(內(nèi)環(huán))對(duì)應(yīng)的SDS約0.6 mm， 第二個(gè)環(huán)(外環(huán))對(duì)應(yīng)的SDS約2.0 mm。 利用光開(kāi)關(guān)對(duì)兩路光信號(hào)分時(shí)采集。

圖1 雙光源-探測(cè)器距離的漫反射光譜測(cè)量系統(tǒng)示意圖

實(shí)驗(yàn)采用3%和3.5%的Intralipid溶液作為仿體溶液， 并分別對(duì)兩種仿體溶液配置了葡萄糖濃度分別為0 mmol·L-1， 55.55 mmol·L-1(1 000 mg·dL-1)， 111.1 mmol·L-1(2 000 mg·dL-1)， 166.65 mmol·L-1(3 000 mg·dL-1)和222.2 mmol·L-1(4 000 mg·dL-1)的樣品、 血紅蛋白濃度分別為2和4 g·L-1的樣品， 共14個(gè)樣品溶液。 對(duì)上述14個(gè)樣品在室溫(約25 ℃)下測(cè)量漫反射光強(qiáng)。 采用恒溫水浴箱對(duì)3%的Intralipid溶液樣品進(jìn)行加熱和保溫， 采用TES溫度傳感器(TES1310， 分辨率0.1 ℃)實(shí)時(shí)測(cè)試樣品的溫度， 分別測(cè)量溶液在27和29 ℃下的漫反射光強(qiáng)。

對(duì)每次測(cè)量獲得的兩個(gè)SDSs(0.6和2.0 mm)下的漫反射光強(qiáng)代入式(3)和式(5)， 計(jì)算得到有效衰減系數(shù)。

1.3 人體實(shí)驗(yàn)

對(duì)三名受試者(22歲女， 23歲女， 25歲男)的五個(gè)部位(手指、 手掌、 手背、 手臂外側(cè)、 手臂內(nèi)側(cè))進(jìn)行了有效衰減系數(shù)光譜的測(cè)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 葡萄糖光譜測(cè)量結(jié)果

圖2給出了3%intralipid溶液的有效衰減系數(shù)光譜和溶液中四種葡萄糖濃度引起的有效衰減系數(shù)變化量的光譜。 在1 000～1 300 nm波段葡萄糖吸收非常小， 因此該波段的光譜變化主要是由葡萄糖引起的介質(zhì)折射率變化引起的。 1 mmol·L-1的葡萄糖濃度變化大約引起2.5×10-5的溶液折射率增加[15-16]。 溶液折射率的增加將導(dǎo)致介質(zhì)散射系數(shù)的減小， 引起有效衰減系數(shù)的減小。

圖2 3%Intralipid溶液中的不同濃度葡萄糖的測(cè)量結(jié)果

2.2 散射顆粒密度、溫度、血紅蛋白的光譜測(cè)量結(jié)果

3% intralipid溶液和3.5% intralipid溶液的差別可以看作是散射顆粒密度的差異。 圖3(a)給出了幾種溶液樣品的有效衰減系數(shù)光譜， 以及在3%intralipid溶液中加入不同血紅蛋白濃度、 以及不同溫度下的有效衰減系數(shù)光譜變化量結(jié)果。 由圖3(b)可以看出顆粒密度、 溫度、 血紅蛋白引起的有效衰減系數(shù)光譜， 其中血紅蛋白的光譜與其吸收光譜相似， 溫度光譜與溫度引起的水吸收光譜形狀相似， 而散射系數(shù)變化引起的光譜與有效衰減系數(shù)本身的形狀一致， 因?yàn)樯⑸湎禂?shù)本身隨波長(zhǎng)的變化沒(méi)有明顯的形狀。 可見(jiàn)， 有效衰減系數(shù)光譜可以基本反映吸收光譜的影響， 但在血紅蛋白、 溫度的光譜中也包含了散射系數(shù)的光譜， 若想提取純吸收光譜， 還需要繼續(xù)開(kāi)發(fā)散射校正的算法。 另外， 比較葡萄糖光譜、 散射系數(shù)變化的光譜可知， 兩者都是由散射變化引起的， 不易區(qū)分。

圖3 幾種因素變化時(shí)的3%Intralipid溶液有效衰減系數(shù)光譜

2.3 人體測(cè)量結(jié)果

人體皮膚自身的隨機(jī)變異性對(duì)測(cè)量造成影響。 對(duì)同一部位(某受試者手指和手臂內(nèi)側(cè))進(jìn)行了多次重復(fù)測(cè)量， 結(jié)果如圖4所示。 在1 000～1 300 nm波段， 有效衰減系數(shù)的變化約為±0.5 cm-1， 產(chǎn)生的相對(duì)測(cè)量誤差約為10%以內(nèi)。 其中手指處微血管豐富， 脈搏顯著， 其光譜穩(wěn)定性稍差。

圖4 某受試者手指和手臂內(nèi)側(cè)的有效衰減系數(shù)光譜

不同部位、 不同個(gè)體的測(cè)量結(jié)果如圖5所示， 可以明顯看出不同皮膚有效衰減系數(shù)的差異。 圖5(a)中的五個(gè)部位， 即手掌、 手指、 手背、 手臂外側(cè)、 手臂內(nèi)側(cè)之間均存在顯著差異， 圖5(b)給出了手掌、 手背、 手臂外側(cè)、 手臂內(nèi)側(cè)與手指的光譜差異， 這些差異是組織吸收(水、 血紅蛋白等)、 散射差異的共同作用結(jié)果。 圖5(c)給出了三個(gè)人手指的有效衰減系數(shù)， 圖5(d)給出了它們的光譜差異， 在血紅蛋白吸收的1 000～1 200 nm波段和散射較明顯的1 200～1 300 nm波段， 都能看到光譜差異。

圖5 不同部位、 不同個(gè)體的人體有效衰減系數(shù)光譜測(cè)量結(jié)果

3 結(jié) 論

采用多光源-探測(cè)器距離的差分測(cè)量， 給出了與測(cè)量距離無(wú)關(guān)的組織的有效衰減系數(shù)光譜測(cè)量方法， 為組織光譜的測(cè)量提出了新的思路。

在1 000～1 300 nm波段評(píng)估了葡萄糖、 血紅蛋白、 顆粒密度、 溫度四個(gè)因素有效衰減系數(shù)光譜的特征。 其中葡萄糖、 散射顆粒密度的光譜特征接近。 可見(jiàn)， 在該波段對(duì)于血糖測(cè)量而言， 組織的顆粒密度構(gòu)成了葡萄糖測(cè)量的干擾因素。 尤其是活體測(cè)量場(chǎng)合下， 如何保持組織密度的一致性給測(cè)量接口提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。 另外， 血紅蛋白濃度和溫度變化均具有顯著的特征， 與它們的吸收光譜形狀相似， 是與葡萄糖光譜不同的， 可以通過(guò)多變量分析進(jìn)行消除。 不同部位、 不同人體之間的光學(xué)參數(shù)差異， 也有望通過(guò)組織的有效衰減系數(shù)光譜進(jìn)行區(qū)分。

基于有效衰減系數(shù)光譜還可以繼續(xù)開(kāi)發(fā)吸收系數(shù)、 散射系數(shù)的反演算法， 或者配合散射校正技術(shù)獲取到組織的純吸收光譜， 為精準(zhǔn)的組織光譜分析提供有力的工具。

綜上， 本文提出的有效衰減系數(shù)光譜測(cè)量方法有望成為一種活體生物組織的通用測(cè)量方法， 在生物組織光譜測(cè)量領(lǐng)域?qū)⒂袕V泛的應(yīng)用前景。