王金海，劉東遠(yuǎn),，王慧泉△，孫秋明，張彥軍，馬軍

(1.天津工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，天津 300387；2.軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院 衛(wèi)生裝備研究所，天津 300161)

1 引 言

腦血腫的無(wú)創(chuàng)檢測(cè)一直以來(lái)是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)影像(CT、NMR等)方法雖然能夠直觀、準(zhǔn)確的顯示大腦組織的各部分情況，但因?yàn)槠錈o(wú)法移動(dòng)檢測(cè)以及成本過(guò)高，不能應(yīng)用在腦血腫的快速檢查中。近紅外光譜成像技術(shù)因其可形成便攜式設(shè)備、快速、無(wú)創(chuàng)、低成本而成為最有前景的腦血腫檢測(cè)技術(shù)之一。650～900 nm的近紅外波段是生物組織的光學(xué)窗口[1]，此波段光可以達(dá)到腦部組織幾厘米深度并通過(guò)表層散射出來(lái)，通過(guò)分析出射光信息可以獲得被測(cè)腦組織的相關(guān)光學(xué)屬性，從而可初步判斷是否有腦血腫發(fā)生?；诖嗽?，近紅外光譜技術(shù)已廣泛運(yùn)用于腦功能成像[2]、腦部腫瘤成像[3]、腦血流量檢測(cè)[4]和腦血腫[5]的檢測(cè)臨床應(yīng)用中。

由于頭皮和顱骨的高散射性，在腦部表層散射出來(lái)的光信號(hào)極其微弱，合理的選擇光源-檢測(cè)器之間的距離是腦部光學(xué)檢測(cè)技術(shù)研究的重點(diǎn)之一[6]。通常來(lái)說(shuō)，光源-檢測(cè)器的距離越近，可檢測(cè)到的光信號(hào)越強(qiáng)，但接收到來(lái)自于一定深度腦組織的光子就越少；光源-檢測(cè)器的距離越遠(yuǎn)，接收到的來(lái)自于一定深度腦組織的光子越多，但可檢測(cè)的光信號(hào)越弱。臨床和科研中通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)選擇光源-檢測(cè)器距離，即光源-檢測(cè)器距離為可探測(cè)深度的一倍[7]。然而，經(jīng)驗(yàn)公式無(wú)法滿足針對(duì)不同個(gè)體的最佳檢測(cè)距離。一些研究人員[8]利用tMCimg6仿真了有效深度與光源檢測(cè)器距離的關(guān)系，對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了驗(yàn)證。本研究根據(jù)人體腦部光學(xué)參數(shù)經(jīng)合理簡(jiǎn)化建立頭部組織的多層平板模型，通過(guò)Monte Carlo仿真對(duì)所建模型進(jìn)行仿真，針對(duì)不同檢測(cè)深度提出最佳的光源-檢測(cè)器距離，以獲得來(lái)自感興趣深度信息的最大信噪比。然而，不僅僅是腦部組織存在個(gè)體差異，光信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)性能也直接影響著腦部光學(xué)檢測(cè)結(jié)果，需要將探測(cè)器的性能考慮到光源-檢測(cè)器的最佳距離選擇策略當(dāng)中，利用Monte Carlo中的統(tǒng)計(jì)誤差來(lái)模擬檢測(cè)器的性能參數(shù)，作為最佳距離選擇的參考依據(jù)。本研究定義了來(lái)自感興趣深度的等效信噪比參數(shù)，基于蒙特卡洛模擬對(duì)不同個(gè)體差異的感興趣深度的等效信噪比進(jìn)行了仿真計(jì)算，并結(jié)合實(shí)際使用的光信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的信噪比性能，針對(duì)不同的個(gè)體差異提出最佳的光源-檢測(cè)器距離確定方案，從而可獲得基于近紅外光譜法腦部血腫檢測(cè)最佳結(jié)果。

2 腦部光譜成像等效信噪比

根據(jù)顱腦部解剖結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，顱腦部模型分為5層，分別為頭皮層、顱骨層、腦脊液層、灰質(zhì)層、白質(zhì)層，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1腦部模型分層結(jié)構(gòu)

Fig1Thestructureofbrainmodel

臨床上腦血腫分為硬膜下血腫、硬膜外血腫、腦內(nèi)血腫、蛛網(wǎng)膜下血腫，其中硬膜下血腫與硬膜外血腫占腦血腫較大比率，其位置位于頭皮頭骨層下面的硬膜內(nèi)外[9]。從光學(xué)檢測(cè)角度方面，腦脊液實(shí)際光學(xué)特性不同于其他組織的高散射性，它對(duì)光的吸收和散射都非常低，相當(dāng)于透明介質(zhì)。因此，本次研究按照人腦參數(shù)設(shè)置雙層模型：頭皮頭骨層為第一層，該層參數(shù)隨著受測(cè)者不同發(fā)生變化；腦組織內(nèi)部的灰質(zhì)白質(zhì)以及腦脊液作為第二層，該層為血腫發(fā)生的組織層，也是我們希望獲取更多信息的目標(biāo)區(qū)域。光子在組織中運(yùn)動(dòng)軌跡呈現(xiàn)“香蕉型”曲線，光子進(jìn)入組織后穿過(guò)各個(gè)組織層，經(jīng)過(guò)吸收和散射作用，再依次穿過(guò)各個(gè)組織層，最后穿出皮膚表面。我們可以從以光源為圓心的徑向區(qū)域獲得散射出的光子信息，從不同徑向區(qū)域采集的光子信息攜帶著不同深度的組織信息，這些組織信息正是我們進(jìn)行腦部檢測(cè)所需要的目標(biāo)區(qū)域信息或者需要消除掉的干擾信息。本研究定義ESNR(equivalent signal to noise ratio，ESMR)為散射出表層的光子信息中來(lái)自目標(biāo)層(Layer2)的部分與整體散射出表層的光子信息的比值，即

(1)

式中信號(hào)(第二層)為穿過(guò)第二層的散射出表層的光子信息，信號(hào)(第一層)為穿過(guò)第一層并未穿過(guò)第二層的光子部分。可以看出ESNR值的大小直接決定檢測(cè)結(jié)果中來(lái)自目標(biāo)區(qū)域的信息量的比重，把ESNR源與檢測(cè)器之間距離判定的重要依據(jù)，該值對(duì)于近紅外光譜成像結(jié)果的準(zhǔn)確性提高至關(guān)重要。隨著半徑的增大，ESNR會(huì)逐漸增大，但來(lái)自目標(biāo)層的絕對(duì)光子數(shù)也隨之降低，受限于檢測(cè)器信噪比，光子數(shù)過(guò)低無(wú)法準(zhǔn)確被檢測(cè)器接收。因此不能把ESNR作為判定SD距離的唯一量度，因而定義散射光子比率SR(scattering ration，SR)作為確定SD距離的另一依據(jù)，其含義為來(lái)自目標(biāo)區(qū)域的光子量占整體入射光子的比率，即

(2)

式中散射光子為頭部模型表層散射出的光子數(shù)，入射光子為光源入射光子數(shù)，即整體入射信息量。畫出SR在以光源為圓心的徑向上分布，其不同位置的大小為各檢測(cè)器可以接收的信息量的多少，SR值減小到一定程度，檢測(cè)器無(wú)法正常檢測(cè)，該值作為判定光源與檢測(cè)器位置的上限判定依據(jù)。

3 腦部模型建立及MC仿真

本研究通過(guò)對(duì)腦血腫患者M(jìn)RI圖進(jìn)行分析[10]，獲得患者腦部結(jié)構(gòu)參數(shù)，作為光學(xué)模型的參數(shù)，腦部參數(shù)見(jiàn)表1。由于腦組織的空間大小遠(yuǎn)大于光子在腦組織的中空間分布，本研究仿真模型假設(shè)各層組織均勻且無(wú)限大，表1中腦部參數(shù)屬性定義如下：折射率n、吸收系數(shù)μa(cm-1)、散射系數(shù)μs(cm-1)、各向異性因子g、組織厚度d(cm)。

表1 頭部模型光學(xué)參數(shù)

從表1可以看出腦組織散射作用遠(yuǎn)大于吸收，已經(jīng)不符合朗伯比爾定律成立條件，而漫反射理論成立條件是強(qiáng)散射介質(zhì)和遠(yuǎn)光源，因此也存在局限性，Monte Carlo可以描述光子在任意結(jié)構(gòu)形態(tài)組織內(nèi)的傳輸軌跡，因此被稱為描述光子在生物組織中傳輸軌跡的“金標(biāo)準(zhǔn)”[11]。本研究在Wang Lihong教授的Monte Carlo軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，分別統(tǒng)計(jì)了只經(jīng)過(guò)第一層并被徑向均勻分布的檢測(cè)器所檢測(cè)到的光子數(shù)作為信號(hào)(第一層)和穿過(guò)第一層進(jìn)入第二層的光子數(shù)作為入號(hào)(第二層)，仿真光子數(shù)為1 000萬(wàn)，追蹤光子穿過(guò)各層的軌跡，對(duì)光源徑向散射出的光子軌跡進(jìn)行追蹤記錄，其在顱腦模型中不同檢測(cè)器的傳輸軌跡見(jiàn)圖2，其中S為入射光源，D為各個(gè)位置檢測(cè)器，分析徑向檢測(cè)點(diǎn)檢測(cè)到的光譜信息的主要來(lái)源，對(duì)目標(biāo)區(qū)域信息進(jìn)行記錄和統(tǒng)計(jì)，畫出ESNR以及SR在以光源為圓心的徑向區(qū)域上的分布，作為選擇最佳SD位置的判定依據(jù)[12]。

圖2光子在顱腦中運(yùn)行軌跡

Fig2Transmissioncurveofphotoninbrain

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

利用Monte Carlo仿真，對(duì)表1參數(shù)的頭部模型進(jìn)行仿真，在以光源為圓心的徑向上，以0.05cm為間距設(shè)置采樣點(diǎn)，第一層厚度設(shè)置為0.1/0.15/0.2/0.25/0.3(cm)，其它參數(shù)不變，對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)出射光子根據(jù)其在組織內(nèi)傳輸軌跡不同而分類，統(tǒng)計(jì)來(lái)自目標(biāo)區(qū)域光子信息量和其他區(qū)域的光子信息量，畫出在不同厚度信息情況下ESNR和SR在徑向上的分布圖，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3不同layer1厚度下ESNR和SR分布圖

Fig3ESNRandSRdistributionmap

從圖3(a)、(c)、(e)、(g)、(i)中可以看出，隨著半徑的增大，ESNR逐漸變大，即腦部檢測(cè)目標(biāo)區(qū)域的等效信噪比對(duì)光源與檢測(cè)器之間的距離敏感。同時(shí)從圖3(b)、(d)、(f)、(h)、(j)中可以看出，隨著半徑增大，目標(biāo)區(qū)域光子出射量逐漸減小，SR也隨之減小，選擇合適的SR值的SD距離，對(duì)于檢測(cè)器獲取足夠目標(biāo)區(qū)域信息至關(guān)重要。

ESNR為0.5時(shí)的點(diǎn)為目標(biāo)層信息與干擾層信息相等的位置，我們把此位置作為光源與檢測(cè)器位置選擇的下限，本研究仿真光子數(shù)為1 000萬(wàn)，SR減小到0.01時(shí)，有效散射光子數(shù)為100 000，而10 000萬(wàn)光子的Monte Carlo仿真，多次仿真結(jié)果方差大于100個(gè)光子，此時(shí)檢測(cè)器可檢測(cè)誤差大于1/1 000，一般的光源檢測(cè)器的信噪比即為1/1 000，因此，本研究選擇SR為0.01是作為SD距離的上限。

根據(jù)圖3所示，不同layer1的最佳檢測(cè)范圍如表2所示，仿真結(jié)果提供一個(gè)適合不同受測(cè)者的最佳距離參考范圍，以獲得更加準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果。

表2 不同layer1厚度下光源與檢測(cè)器最佳距離

5 結(jié)論

本研究通過(guò)Monte Carlo軟件仿真獲知光子在腦部模型中的傳輸規(guī)律，分析光源與檢測(cè)器之間距離與光纖探頭接受到信息的等效信噪比的關(guān)系，確定具有最優(yōu)等效信噪比的光源與檢測(cè)器之間的距離，根據(jù)MRI檢測(cè)數(shù)據(jù)獲知受測(cè)者的頭部參數(shù)，可以利用本結(jié)論確定最優(yōu)的光源與檢測(cè)器之間的距離，本研究結(jié)果為提高近紅外光譜腦部檢測(cè)應(yīng)用的準(zhǔn)確性和適用性打下了基礎(chǔ)。