虛擬儀器技術(shù)及其在皮膚組織光譜檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

苑凱華 劉春利

[摘要]目的：研制適合于檢測(cè)黃種人活體皮膚及色素性病變皮膚組織吸收光譜的虛擬儀器系統(tǒng)。方法：利用光纖光譜儀技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)建立皮膚組織的活體吸收光譜檢測(cè)平臺(tái)，對(duì)太田痣等色素性病變皮膚的吸收光譜進(jìn)行活體檢測(cè)，并初步分析其臨床意義。結(jié)果：虛擬儀器皮膚組織光譜檢測(cè)系統(tǒng)具有靈敏、實(shí)時(shí)、無(wú)創(chuàng)的活體檢測(cè)功能，根據(jù)光譜結(jié)果可分析皮膚組織中色素分布的密度、深淺層次和治療效果，便于臨床選擇合適的治療參數(shù)。結(jié)論：本研究建立的皮膚組織吸收光譜檢測(cè)系統(tǒng)可準(zhǔn)確反映色素性皮膚疾病的光吸收特性，為臨床激光治療提供輔助診斷手段。

[關(guān)鍵詞]虛擬儀器技術(shù)；數(shù)據(jù)采集；皮膚光譜檢測(cè)系統(tǒng)

[中圖分類號(hào)]R319 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1008—6455(2007)01—0082—04

虛擬儀器(Virtual instrumentation，VI)是基于計(jì)算機(jī)的數(shù)字化測(cè)量?jī)x器，它通過(guò)應(yīng)用軟件將計(jì)算機(jī)與儀器結(jié)合起來(lái)，用戶可以通過(guò)圖形面板操作計(jì)算機(jī)，就象操作傳統(tǒng)的單個(gè)儀器一樣。即使面對(duì)一組相同的硬件系統(tǒng)，用戶也可以通過(guò)開(kāi)發(fā)不同的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)不同功能的各種測(cè)量，使得一臺(tái)計(jì)算機(jī)不僅可以處理各種信息，而且可作為多種儀器。因此軟件系統(tǒng)是虛擬儀器的核心，“軟件就是儀器”即是這個(gè)概念。傳統(tǒng)儀器一般由信號(hào)采集、數(shù)據(jù)分析處理、結(jié)果顯示輸出等三大功能塊組成，這些功能全是由硬件(或固化的軟件)的形式存在的。虛擬儀器將這三大功能全部放在計(jì)算機(jī)上來(lái)完成，大大突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)采集、分析處理、顯示和存儲(chǔ)等方面的限制，而且可以隨時(shí)進(jìn)行儀器功能擴(kuò)展和升級(jí)。我們利用虛擬儀器技術(shù)，通過(guò)軟件編程定義光譜儀和數(shù)據(jù)采集卡等硬件，將測(cè)量模塊組合在一起，實(shí)現(xiàn)皮膚組織光譜的檢測(cè)功能。

1 虛擬儀器的組成

虛擬儀器由硬件和軟件兩大部分組成，組成三大功能塊：信號(hào)采集、數(shù)據(jù)分析處理和結(jié)果顯示、存儲(chǔ)及輸出(見(jiàn)圖1)。

1．1硬件：虛擬儀器的硬件由信號(hào)采集調(diào)控系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)兩部分組成，完成信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理分析和結(jié)果顯示存儲(chǔ)等功能。根據(jù)虛擬儀器功能的需要及采用布線方式的不同，硬件的信號(hào)采集調(diào)控系統(tǒng)可以分為五種類型(如圖1所示)：①插卡式：將各種數(shù)據(jù)采集卡直接插入計(jì)算機(jī)主板上的擴(kuò)展槽，通過(guò)計(jì)算機(jī)總線與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，與專用軟件相結(jié)合完成測(cè)試任務(wù)，這類硬件價(jià)格便宜，使用方便。我們研制的皮膚組織光譜檢測(cè)儀就是采用數(shù)據(jù)采集卡的工作方式，性能價(jià)格比較高；②并、串口及USB式：該類硬件是近年發(fā)展起來(lái)的通過(guò)計(jì)算機(jī)的串、并口及USB接口連接的設(shè)備，可與臺(tái)式機(jī)或筆記本電腦的并口／串口相連，通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)功能；③GPIB總線式：由GPIB接口卡將若干GPIB形式的儀器與計(jì)算機(jī)相連，多用于大規(guī)模的自動(dòng)測(cè)量和控制系統(tǒng)；④VXI式：VXI總線系統(tǒng)是一種開(kāi)放的高速多處理結(jié)構(gòu)，適宜于組建高速、高精度、易擴(kuò)展的大、中規(guī)模的測(cè)試控制系統(tǒng)，但組建VXI總線控比較貴：⑤PXI式：即PCI擴(kuò)展規(guī)范，由美國(guó)NI公司于1997年推出的一類新型的儀器總線規(guī)范，是在PCI總線內(nèi)核技術(shù)上增加了成熟的技術(shù)規(guī)范形成的，具有高度的可擴(kuò)展性、更短的開(kāi)發(fā)周期和更高的性價(jià)比，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。

1．2軟件：軟件是虛擬儀器的核心，虛擬儀器的各種功能如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析處理、數(shù)據(jù)顯示存儲(chǔ)等都是針對(duì)各種硬件開(kāi)發(fā)的軟件實(shí)現(xiàn)的。

開(kāi)發(fā)軟件時(shí)，可以采用兩種方法：①采用通用軟件即各種高級(jí)編程語(yǔ)言，如Delphi、VC、VB、Java等，使用這些語(yǔ)言進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)具有較高的自由度，但開(kāi)發(fā)周期較長(zhǎng)，難度較大，對(duì)軟件開(kāi)發(fā)者有較高的要求；②采用專用軟件即目前應(yīng)用日益廣泛的專業(yè)的圖形化編程軟件，如美國(guó)NI公司的Lab—VIEW、Lab Windows或HP公司的VEE等，具有編程容易、軟件開(kāi)發(fā)周期短的優(yōu)點(diǎn)，但軟件價(jià)格昂貴。

一般來(lái)講，虛擬儀器的軟件系統(tǒng)包括3個(gè)方面：儀器驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序和前面板程序。儀器驅(qū)動(dòng)程序由生產(chǎn)該儀器的廠家提供，主要用于儀器參數(shù)、工作方式的設(shè)定和初始化，應(yīng)用程序可以由用戶針對(duì)測(cè)試要求通過(guò)編程軟件來(lái)開(kāi)發(fā)、定義，主要完成數(shù)據(jù)采集和處理。前面板程序用來(lái)提供虛擬儀器與用戶的接口，與傳統(tǒng)儀器的面板相似，在計(jì)算機(jī)屏幕上生成的圖形界面，具有個(gè)性化的開(kāi)關(guān)和按鈕，通過(guò)鍵盤(pán)或鼠標(biāo)操作，用于控制檢測(cè)和顯示結(jié)果等。

2 皮膚組織光譜虛擬儀器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的組織光譜儀開(kāi)發(fā)維護(hù)費(fèi)用高，性價(jià)比低，更新期長(zhǎng)，人機(jī)界面一般，儀器功能單一，有一定的局限性。我們用虛擬儀器設(shè)計(jì)研制出皮膚光譜檢測(cè)儀器，利用這臺(tái)儀器，可以對(duì)正常皮膚或各種色素性皮膚病變的光吸收作用進(jìn)行實(shí)時(shí)、在體、無(wú)創(chuàng)檢測(cè)，并能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析、顯示和存儲(chǔ)，且能方便地對(duì)其進(jìn)行維護(hù)、功能擴(kuò)展和升級(jí)，具有很高的靈活性，人機(jī)界面友好。以下簡(jiǎn)要介紹其設(shè)計(jì)方法。

2．1硬件組成：皮膚組織光譜檢測(cè)虛擬儀器構(gòu)成見(jiàn)圖2，LS—1鹵鎢光源發(fā)出的光經(jīng)光纖接口耦合進(jìn)Y形光纖的照明光纖中，傳輸?shù)酱郎y(cè)皮膚組織上，光子在組織中經(jīng)過(guò)一系列的反射、吸收和散射，攜帶的皮膚組織光譜吸收信息被Y形光纖的收集光纖接收，傳送至光纖光譜儀，經(jīng)光譜儀產(chǎn)生色散，形成光譜分布，光譜儀線陣CCD的2048個(gè)像元分別接收對(duì)應(yīng)于展開(kāi)光譜各個(gè)波長(zhǎng)的光子，經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)， 并依次輸出，由Lab-PC-1200數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，送入計(jì)算機(jī)。在計(jì)算機(jī)中，基于LabVIEW的VI程序控制數(shù)據(jù)的采集，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析、顯示和存儲(chǔ)等。

2．2虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件－LabVIEW：目前國(guó)際上應(yīng)用最廣的虛擬儀器開(kāi)發(fā)環(huán)境首推美國(guó)NI公司(Na—tional Instruments Corp)的LabVIEW和HP公司(惠普公司)的VEE這兩種軟件。我們采用LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)虛擬儀器程序(VI程序)。LabVIEW(Labo-ratory Virtual Instrument Engineering Work-bench)是由一種基于圖形的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言——G語(yǔ)言構(gòu)成的，與C、Pascal、BasiC等傳統(tǒng)編程語(yǔ)言有著諸多相似之處，如相似的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)流控制結(jié)構(gòu)、程序調(diào)試工具，以及層次化、模塊化的編程特點(diǎn)等。但它的每一條語(yǔ)句都是由圖形來(lái)表示的，界面非常直觀形象，用LabVIEW編程無(wú)需具備太多編程經(jīng)驗(yàn)。

一個(gè)LabVIEW程序包括三個(gè)主要部分：框圖程序、前面板、圖標(biāo)／接線端口。框圖程序是利用LabVIEW的圖形語(yǔ)言對(duì)前面板上的控制量和指示量進(jìn)行控制。前面板是面向用戶的模擬傳統(tǒng)儀器面板的交互式圖形化界面，如圖3所示，用于設(shè)置用戶輸入和顯示程序輸出。圖標(biāo)／接線端口用于把Lab VIEW程序定義成一個(gè)子程序，以便在其他程序中加以調(diào)用，這使Lab VIEW得以實(shí)現(xiàn)層次化、模塊化編程。

組織光譜檢測(cè)虛擬儀器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集(Data AcquiSition，DAQ)程序包括模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字輸入／輸出、計(jì)數(shù)器操作等。包括6個(gè)子模板，分別是：模擬輸入(Analog Input)、模擬輸出(Analog Output)、數(shù)字輸入／輸出(Digital I／O)、計(jì)數(shù)器(Counter)、標(biāo)定和配置(Calibrationand Configuration)以及信號(hào)調(diào)理(Signal Con-ditioning)。操作人員通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊按鈕和圖標(biāo)發(fā)送各種命令，完成光譜數(shù)據(jù)采集、處理和顯示等基本任務(wù)。

3 臨床應(yīng)用

虛擬儀器皮膚組織光譜在皮膚色素性和血管性疾病的激光治療中起輔助診斷、指導(dǎo)選擇治療參數(shù)和判斷療效的作用。組織光譜可精確顯示皮膚病變對(duì)某特定波長(zhǎng)光子的吸收系數(shù)，可指導(dǎo)臨床選擇吸收系數(shù)高的激光波長(zhǎng)進(jìn)行治療。同時(shí)，由于短波長(zhǎng)的吸收系數(shù)反映病灶淺層的吸收結(jié)果，長(zhǎng)波長(zhǎng)的吸收系數(shù)反映的是病灶深層和淺層組織對(duì)光了吸收的總的結(jié)果，先用短波長(zhǎng)的吸收情況分析出病灶淺層色素平均密度的大小，再將長(zhǎng)波長(zhǎng)吸收中淺層的吸收信息去除，得到深層色素的密度大小。這樣可以由淺入深地對(duì)病灶組織各個(gè)深度層次的黑素密度進(jìn)行分析。

太田痣通常選用Q755nm和Q1 064nm兩種激光進(jìn)行治療，通過(guò)對(duì)755nm和1064nm兩處的吸收系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，明確太田痣病變對(duì)兩種波長(zhǎng)激光的吸收率范圍，并按吸收強(qiáng)弱對(duì)太田痣進(jìn)行光譜學(xué)分類，可以了解皮膚不同深度層次病灶中的色素密度，結(jié)合臨床實(shí)踐，可指導(dǎo)選擇激光治療參數(shù)。圖4為１例太田痣(女，26歲，面部左側(cè)太田痣)患者的測(cè)試結(jié)果。該病例在755nm處吸收較弱，而在1064nm處的吸收較強(qiáng)。由此可以看出，該病例的患處應(yīng)主要分布在較深的真皮組織中，且色素密度較大，應(yīng)用1064nm激光治療會(huì)得到明顯的治療效果。圖5為2例太田痣患者的吸收光譜，其中a例已經(jīng)過(guò)4次治療，b例已經(jīng)過(guò)6次治療。兩例的吸收率雖然在1064nm處相近，但在755nm明顯不同，a＞b。說(shuō)明a例黑素在淺層還比較密集，應(yīng)用755nm進(jìn)行治療。b例曲線已出現(xiàn)血紅蛋白吸收特征，說(shuō)明該例淺層經(jīng)治療已有好轉(zhuǎn)，接近正常皮膚，而深層黑素密度還較大，應(yīng)用1064nm，加大治療劑量。

4 小結(jié)

虛擬儀器是各種設(shè)備與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，已成為當(dāng)今儀器領(lǐng)域發(fā)展的重要方向之一。它簡(jiǎn)化了科學(xué)計(jì)算、過(guò)程控制和測(cè)試應(yīng)用，增強(qiáng)了用戶組建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，因而具有傳統(tǒng)儀器不可比擬的優(yōu)越性，虛擬儀器技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越多。我們采用LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境研制了皮膚組織光譜檢測(cè)系統(tǒng)，可以對(duì)各種色素性皮膚病變進(jìn)行在體、實(shí)時(shí)、無(wú)創(chuàng)的光吸收作用檢測(cè)，不僅可以用來(lái)探討黃種人皮膚組織的光吸收特性，而且可以為臨床激光美容提供理論指導(dǎo)。

編輯／李陽(yáng)利

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。