劉思妍　何昱濱　張永杰　陳長(zhǎng)水

摘 要：近年來(lái)，激光在生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)領(lǐng)域的研究中得到越來(lái)越多的應(yīng)用，不同波長(zhǎng)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(guò)測(cè)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(zhǎng)測(cè)量法設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套多通道三波長(zhǎng)漫射光自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)人體經(jīng)絡(luò)與非經(jīng)絡(luò)的光傳輸特性進(jìn)行了測(cè)量分析。實(shí)驗(yàn)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(duì)證明經(jīng)絡(luò)的客觀存在和對(duì)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(zhǎng)測(cè)量法 經(jīng)絡(luò) 光傳輸特性

中圖分類號(hào)：R224.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(huì)在生物組織表面發(fā)生反射，一部分光則會(huì)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(cè)量可以獲得有關(guān)人體的生理參數(shù)。

該系統(tǒng)測(cè)量區(qū)域?yàn)槿梭w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(lái)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(yùn)理論采用吸收系數(shù)、散射系數(shù)及相位函數(shù)來(lái)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(guò)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(guò)該文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)探測(cè)該散射光強(qiáng)，引入三波長(zhǎng)測(cè)量提高精確度。

基于上述理論，我們自行設(shè)計(jì)了一套多通道三波長(zhǎng)漫射光自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)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(cè)量，使用該系統(tǒng)可以有效提高測(cè)量速度和測(cè)量精度。

1 基本原理

1.1 光源模塊

在該實(shí)驗(yàn)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(guò)斬波控制器選定特定波長(zhǎng)后，成為具有一定頻率的光脈沖，再耦合進(jìn)入射光纖。同時(shí)，斬波器的頻率信號(hào)將連接到鎖相放大器的輸入端放大，使其鎖定入射波長(zhǎng)的光，作為濾除噪聲信號(hào)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(shí)，由于激光在皮膚表面會(huì)發(fā)生吸收、反射等導(dǎo)致光強(qiáng)衰弱，最后會(huì)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(hào)，在探測(cè)點(diǎn)旁邊一側(cè)垂直放置一根芯徑同樣為600 μm的探測(cè)光纖來(lái)收集漫射光，接著傳輸至光電倍增管，經(jīng)過(guò)光電倍增管將微弱的光信號(hào)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(duì)有用的信號(hào)進(jìn)行放大和數(shù)字，最終輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)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(zhǎng)測(cè)量法相較于單波長(zhǎng)檢測(cè)和雙波長(zhǎng)檢測(cè)，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(gè)波長(zhǎng)λ1、λ2、λ3，其對(duì)應(yīng)的待測(cè)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(zhǎng)和λ3的差值， n為波長(zhǎng)λ1和λ2的差值，eλ1、eλ2和eλ3為待測(cè)物在三個(gè)波長(zhǎng)處的摩爾吸光系數(shù)，其中C 為待測(cè)物的摩爾濃度，l為光程[2]。由該式可知，△A與待測(cè)物濃度成正比，則當(dāng)△A值為零時(shí)，即所選取的三個(gè)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的吸收光譜的三個(gè)點(diǎn)在同一直線上，所測(cè)A1、A2、A3與待測(cè)物濃度無(wú)關(guān)，只與待測(cè)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(zhǎng)，當(dāng)入射光發(fā)出時(shí)，斬波器改變光的頻率，由C（光速）=f（頻率）λ（波長(zhǎng)）算得獲得光的波長(zhǎng)，以達(dá)到獲得三種波長(zhǎng)的目的；同時(shí)將控制特定波長(zhǎng)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(jì)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(chǔ)在鎖相放大器中。計(jì)算機(jī)發(fā)送對(duì)應(yīng)指令給鎖相放大器，鎖相放大器實(shí)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?yàn)榛A(chǔ)實(shí)現(xiàn)，串行通信接口為RS232，一次只檢測(cè)及處理一個(gè)接收點(diǎn)的數(shù)據(jù)。串口通信程序有NI-Labview編寫(xiě)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(jiǎn)單。

1.3 接收測(cè)量模塊

該模塊的工作是把多個(gè)測(cè)量點(diǎn)探頭接收到的漫射光信號(hào)通過(guò)光纖作為傳播介質(zhì)分時(shí)切換到光電倍增管，把光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，再將電信號(hào)進(jìn)行放大。然后由鎖相放大器將模擬的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，同時(shí)把和參考信號(hào)形同頻率為21.31 Hz的電信號(hào)提取出來(lái)，最后由Lalview軟件程序自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并傳送至計(jì)算機(jī)。在測(cè)量點(diǎn)光纖和光電倍增管之間通過(guò)光開(kāi)關(guān)來(lái)切換，在光傳輸?shù)倪^(guò)程中光開(kāi)關(guān)起到通道間切換的作用，使得測(cè)量點(diǎn)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(shí)驗(yàn)需選取切換速度小的光開(kāi)關(guān)，因?yàn)楦鱾€(gè)測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量速度取決于光開(kāi)關(guān)的切換速度，切換速度越快，各個(gè)測(cè)量點(diǎn)所需的時(shí)間越短。

根據(jù)信號(hào)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(diǎn)，為了保證多個(gè)波長(zhǎng)的光在同一根光纖上傳輸，該實(shí)驗(yàn)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(cè)量光纖在探頭上進(jìn)行固定，取用了FC/PC接頭。

測(cè)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(shí)，路勁1的4個(gè)測(cè)量點(diǎn)光纖按順序切換進(jìn)行測(cè)量；當(dāng)B激光源在平行相距1cm垂直入射時(shí)，路勁2的4個(gè)測(cè)量點(diǎn)光纖也按順序切換進(jìn)行測(cè)量，其中每個(gè)測(cè)量點(diǎn)分時(shí)測(cè)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(shí)驗(yàn)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?yàn)椴煌M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(guò)該系統(tǒng)選擇了808 nm波長(zhǎng)的光來(lái)進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)量結(jié)果如圖3。通知實(shí)驗(yàn)得知在腕部手厥陰心包經(jīng)循行線及旁開(kāi)非經(jīng)絡(luò)線上，漫射光強(qiáng)度都隨入射光纖和探測(cè)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(lái)看，腕部手厥陰心包經(jīng)循行路線上漫射光強(qiáng)度比旁開(kāi)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(shí)都比其旁開(kāi)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(duì)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(cè)量漫射光強(qiáng)度從而得出相對(duì)強(qiáng)度分布，再由相對(duì)強(qiáng)度分布擬合出衰減因子，通過(guò)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(cè)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(shí)際的驗(yàn)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(duì)光漫射對(duì)于經(jīng)絡(luò)與非經(jīng)絡(luò)之間傳輸差異，并對(duì)檢測(cè)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(zhǎng)檢測(cè)法對(duì)于精確度的提高，開(kāi)發(fā)板的控制和控制模塊之間的通信對(duì)于檢測(cè)流程的精簡(jiǎn)，可彎曲的探測(cè)頭裝置對(duì)于身體凹凸部位的適應(yīng)，都致力于提高系統(tǒng)的檢測(cè)可靠性和易操作性。

在系統(tǒng)檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)中，我們可以知道，隨著檢測(cè)點(diǎn)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(shì)。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(cè)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(lái)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)淖兞浚缃】禒顟B(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(cè)量[J].上海針灸雜志，1988（2）：33-35.

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