劉 瑾， 付潤娟， 韓同帥， 劉 蓉， 孫 迪

天津大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室， 天津 300072

引 言

近紅外光譜具有無損、 高效、 實時等優(yōu)點， 在人體成分的無創(chuàng)測量領域有廣泛的應用[1]。 成功的應用有血氧飽和度[2]、 血紅蛋白濃度[3]的測量， 均有成熟的儀器產(chǎn)品。 另外， 基于近紅外光譜法的無創(chuàng)血糖測量是受到廣泛關注、 被寄予厚望的一個重要應用領域[4]， 其難度較大。

在活體成分測量中， 人體組織的光譜間存在千差萬別， 即使同一組織的光譜也時刻發(fā)生著變化， 這是影響活體組織成分測量精度的重要原因。 組織的漫反射光譜并不隨光源-探測器距離(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)對組織的散射差異不敏感、 只對吸收敏感的測量距離[5-7]。 因此， 若采用不同的測量距離進行測量， 其包含的信息量是不一致的。 因此， 非常有必要找到一個與測量距離無關、 有明確物理意義的光學參數(shù)來表征組織光譜的光學特性， 以此來考察活體組織的差異或者其變動情況。

利用實時測量的漫射光譜直接反推組織的基本光學參數(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量。 還有一些依靠智能算法， 如神經(jīng)網(wǎng)絡等， 進行反推的數(shù)學方法。 近年來， 隨著多距離漫射光譜測量技術的發(fā)展， 學者們基于多個距離下豐富的漫射光信息， 直接獲得了組織的一個綜合光學參數(shù)， 即有效衰減系數(shù)[9-13]。 Chiarelli等對漫反射光強進行校正， 將其校正為隨SDS線性變化的新變量， 并將其應用于腦組織活動狀態(tài)的監(jiān)測[9-10]； 劉瑾等采用雙SDS差分測量， 詳細推導了無限介質(zhì)、 半無限介質(zhì)下的差分測量公式(含有效衰減系數(shù))[11]； 曹海青等利用雙SDS測量了多種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)進行了血糖測量[13]。 上述研究均證實了差分測量獲得的有效衰減系數(shù)是不依賴測量距離的光學參數(shù)。

本文將基于雙/多SDSs的差分測量用于人體組織光譜有效衰減系數(shù)的測量， 考察人體組織的光譜特征。 設計仿體實驗， 測試了葡萄糖、 血紅蛋白、 顆粒密度、 溫度四個因素影響下介質(zhì)的有效衰減系數(shù)光譜， 比較了它們的光譜特征。 進一步， 進行了人體實驗， 考察了人體組織光譜的差異。

1 實驗部分

1.1 基于雙光源-探測器距離差分的有效衰減系數(shù)估計

根據(jù)漫射方程的一階近似解， 在半無限介質(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)

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

(3)

將式(2)代入式(3)可得

AD=μeff(rA-rB)+Ksinf

(4)

(5)

上述推導為理想情況下， 且做了一定的簡化， 這不影響式(5)的使用。 獲得的有效衰減系數(shù)可能與真實值存在系統(tǒng)誤差， 但其是一個與測量距離無關的、 穩(wěn)定反映組織光學特性的量， 可看作有效衰減系數(shù)的估計值， 并可進一步通過數(shù)學方法進行系統(tǒng)誤差的修正。

1.2 方法

采用雙距離的漫反射測量系統(tǒng)進行仿體溶液和人體組織的測量。 圖1是實驗系統(tǒng)的示意圖。 實驗系統(tǒng)包括鹵素燈、 光譜儀(愛萬提斯， 型號： AvaSpec-NIR256/512-1.7(TEC)， 波長范圍900～1 750 nm)， 光開關(中電科34所)、 光纖等。 測頭包括定制的三環(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-探測器距離， 第一個環(huán)(內(nèi)環(huán))對應的SDS約0.6 mm， 第二個環(huán)(外環(huán))對應的SDS約2.0 mm。 利用光開關對兩路光信號分時采集。

圖1 雙光源-探測器距離的漫反射光譜測量系統(tǒng)示意圖

實驗采用3%和3.5%的Intralipid溶液作為仿體溶液， 并分別對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個樣品溶液。 對上述14個樣品在室溫(約25 ℃)下測量漫反射光強。 采用恒溫水浴箱對3%的Intralipid溶液樣品進行加熱和保溫， 采用TES溫度傳感器(TES1310， 分辨率0.1 ℃)實時測試樣品的溫度， 分別測量溶液在27和29 ℃下的漫反射光強。

對每次測量獲得的兩個SDSs(0.6和2.0 mm)下的漫反射光強代入式(3)和式(5)， 計算得到有效衰減系數(shù)。

1.3 人體實驗

對三名受試者(22歲女， 23歲女， 25歲男)的五個部位(手指、 手掌、 手背、 手臂外側(cè)、 手臂內(nèi)側(cè))進行了有效衰減系數(shù)光譜的測量。

2 結(jié)果與討論

2.1 葡萄糖光譜測量結(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量結(jié)果

2.2 散射顆粒密度、溫度、血紅蛋白的光譜測量結(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， 因為散射系數(shù)本身隨波長的變化沒有明顯的形狀。 可見， 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 幾種因素變化時的3%Intralipid溶液有效衰減系數(shù)光譜

2.3 人體測量結(jié)果

人體皮膚自身的隨機變異性對測量造成影響。 對同一部位(某受試者手指和手臂內(nèi)側(cè))進行了多次重復測量， 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)生的相對測量誤差約為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、 不同個體的測量結(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、 不同個體的人體有效衰減系數(shù)光譜測量結(jié)果

3 結(jié) 論

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

在1 000～1 300 nm波段評估了葡萄糖、 血紅蛋白、 顆粒密度、 溫度四個因素有效衰減系數(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， 在該波段對于血糖測量而言， 組織的顆粒密度構(gòu)成了葡萄糖測量的干擾因素。 尤其是活體測量場合下， 如何保持組織密度的一致性給測量接口提出了嚴峻的考驗。 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， 可以通過多變量分析進行消除。 不同部位、 不同人體之間的光學參數(shù)差異， 也有望通過組織的有效衰減系數(shù)光譜進行區(qū)分。

基于有效衰減系數(shù)光譜還可以繼續(xù)開發(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獲取到組織的純吸收光譜， 為精準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)光譜測量方法有望成為一種活體生物組織的通用測量方法， 在生物組織光譜測量領域?qū)⒂袕V泛的應用前景。