基于近紅外光的腹部出血檢測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)*

王紅珂，張言，錢誠，薛莉，劉玉冰，李韙韜

（南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，南京211100）

1 引 言

腹部閉合性損傷以及由此導(dǎo)致的腹部出血是一種在平時(shí)和戰(zhàn)場環(huán)境下常見的急性疾病?；颊咚劳龅闹饕蚴歉骨粌?nèi)部大量出血而造成的失血性休克[1]。腹部閉合性損傷及腹腔出血大多由于損傷部位隱蔽、發(fā)病急速、患者行動(dòng)不便、診斷需要時(shí)間等原因，往往診斷困難、誤診率高。因此，臨床上急需一種簡單、方便并能準(zhǔn)確、快速的診斷方法。其中腹腔診斷性穿刺術(shù)是臨床上一種常用的診斷方法，其簡單易行、準(zhǔn)確率高。但腹腔穿刺術(shù)并不適合所有患者，有一定的適應(yīng)證和禁忌證[2]。B超對(duì)實(shí)質(zhì)性臟器損傷的診斷具有明顯的優(yōu)勢(shì)并能夠?qū)p傷部位、程度、范圍進(jìn)行判斷，具有方便、快速、無創(chuàng)的特點(diǎn)，但對(duì)胰腺損傷的檢測(cè)靈敏度較低[3]。CT對(duì)閉合性損傷的定性和診斷的準(zhǔn)確性可達(dá)90%以上，其準(zhǔn)確性優(yōu)于超聲檢查[4]。但是，在CT診斷的過程中容易產(chǎn)生呼吸偽影，且在費(fèi)用上要比其它檢測(cè)手段昂貴許多[5]。腹腔鏡探查術(shù)具有創(chuàng)傷小、安全、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，還可以避免不必要的開腹手術(shù)，但對(duì)腹腔內(nèi)有較大出血和腸道脹氣嚴(yán)重的患者并不適用[6]。目前，腹部閉合性損傷的臨床診斷主要以 CT和超聲聯(lián)合檢查為主[7]。但是，上述診斷方法都無法實(shí)現(xiàn)在野戰(zhàn)和災(zāi)難環(huán)境下實(shí)時(shí)、快速、準(zhǔn)確、無創(chuàng)地檢測(cè)腹部創(chuàng)傷。

現(xiàn)代近紅外光譜技術(shù)（near infrared spectroscopy，NIRS）是一項(xiàng)新的無損檢測(cè)技術(shù)，它可以對(duì)物體進(jìn)行快速、準(zhǔn)確、無創(chuàng)地檢測(cè)。近紅外光對(duì)物體的穿透力強(qiáng)，可以對(duì)生物體進(jìn)行無損非侵入檢測(cè)，已成為近年來臨床醫(yī)學(xué)診斷和生物組織研究的熱點(diǎn)之一[8-9]。由于生物組織的不同成分對(duì)近紅外光具有不同的吸收和散射特性，因此，近紅外光譜可以區(qū)分不同組織成分和其相關(guān)變化[10]。臨床上，NIRS在腹部的無創(chuàng)檢測(cè)及相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究還處于探索或評(píng)估階段。但是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、光譜技術(shù)和電子技術(shù)的不斷發(fā)展，NIRS技術(shù)將更加完善，其在無損監(jiān)測(cè)人體組織和血液代謝中將具有更加廣闊的前景。NIRS技術(shù)作為一種檢測(cè)方法，可以對(duì)物體內(nèi)部的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)、無創(chuàng)的檢測(cè)，并可以通過分析獲得的復(fù)雜光譜就能得到被測(cè)物體內(nèi)部的相關(guān)信息。

本研究采用近紅外光作為檢測(cè)手段，設(shè)計(jì)并開發(fā)出了一套針對(duì)腹部出血的無創(chuàng)檢測(cè)系統(tǒng)。通過建立的腹部出血實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?duì)紅光和近紅外光在腹部組織的傳輸規(guī)律進(jìn)行了研究。研究結(jié)果為腹部損傷及出血的無創(chuàng)檢測(cè)找到了一種新的方法。

2 近紅外光檢測(cè)系統(tǒng)

2.1 檢測(cè)原理

光子與生物組織的相互作用主要包括生物組織對(duì)光子的吸收和散射作用。在近紅外波長范圍內(nèi)，其相互作用主要表現(xiàn)為散射作用，因?yàn)樯锝M織中水的成分占有很大比例。水的吸收譜主要在300 nm以下和1 000 nm以上的波長范圍內(nèi)，而血紅蛋白和黑色素僅對(duì)400～650 nm的可見光有強(qiáng)烈的吸收[11-13]。由于生物組織對(duì)近紅外光具有低吸收、高散射的特性，因此，近紅外光譜區(qū)的光對(duì)生物組織有較好的穿透能力，其穿透深度可達(dá)數(shù)個(gè)厘米。通過測(cè)量生物組織的光學(xué)特性參數(shù)，便可得到生物組織深層的生理信息[14]。

通常，將波長范圍在700～900 nm稱為“光學(xué)窗口”。此波長范圍內(nèi)，隨著波長的逐漸增加，氧合血紅蛋白、還原血紅蛋白對(duì)光的吸收逐漸減弱，而當(dāng)波長大于900 nm時(shí)水的吸收大大增加。因此，可以選擇波長在“光學(xué)窗口”范圍內(nèi)的近紅外光作為檢測(cè)光源。利用血液中的血紅蛋白和體液（主要成分是水）對(duì)光子的不同吸收，便可檢測(cè)損傷腹部的出血情況。另一方面，近紅外光譜技術(shù)還具有安全可靠、連續(xù)實(shí)時(shí)及無損的特點(diǎn)，可以應(yīng)用于對(duì)腹部的檢測(cè)。

2.2 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

檢測(cè)系統(tǒng)主要由探頭、檢測(cè)裝置、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)等組成，見圖1。系統(tǒng)工作時(shí)，檢測(cè)裝置控制光源的時(shí)序和發(fā)光頻率，光源發(fā)出的光子照射在待測(cè)樣品上，經(jīng)過組織對(duì)光子的吸收和散射等作用，一部分光子被探測(cè)器檢測(cè)并傳輸?shù)綑z測(cè)裝置的輸入通道。然后，信號(hào)經(jīng)過放大、濾波等處理后送至數(shù)據(jù)采集卡，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡的A／D轉(zhuǎn)換后送至計(jì)算機(jī)。上位機(jī)采用Labview進(jìn)行編程，編寫了數(shù)據(jù)采集與控制的用戶界面和程序，主要實(shí)現(xiàn)了采集數(shù)據(jù)的波形顯示、保存和實(shí)時(shí)分析。

檢測(cè)裝置是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分，主要包括：輸入通道、輸出通道、光源驅(qū)動(dòng)模塊、鎖相放大模塊、MCU（microprocessor control unit，MCU）控制模塊和信號(hào)處理模塊等。其中輸入和輸出通道主要用于完成采集信號(hào)的傳輸；光源驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)光源的驅(qū)動(dòng)；MCU是整個(gè)檢測(cè)裝置的核心；信號(hào)處理模塊主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大和去噪聲。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1 Schematic of the detection system

2.3 探頭

探頭主要包括1個(gè)光源和兩個(gè)探測(cè)器，見圖2。光源采用日本epitex公司生產(chǎn)的型號(hào)為L760／850-04A的雙波長發(fā)光二極管，其發(fā)光波長分別為760 nm和850 nm，工作電流為80 mA。探測(cè)器采用美國B-B公司生產(chǎn)的OPT101型光電探測(cè)器。光源和兩個(gè)探測(cè)器的中心間距分別為2.1 cm和3.1 cm。同時(shí)，為了減少外界背景光對(duì)探測(cè)器的影響，整個(gè)探頭用一個(gè)黑色的柔性橡膠作為基底，并在上面嵌入1個(gè)雙波長發(fā)光二極管和2個(gè)光電探測(cè)器。

圖2 探頭結(jié)構(gòu)示意圖Fig 2 Diagram of the detector structure

2.4 光源驅(qū)動(dòng)模塊

為保證從腹部組織漫反射出來的光強(qiáng)信號(hào)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)采用恒流源驅(qū)動(dòng)方式來驅(qū)動(dòng)激勵(lì)光源。該恒流源驅(qū)動(dòng)電路主要由電源基準(zhǔn)芯片MAX6126、電子模擬開關(guān)芯片MAX4066，采樣電阻和其它元器件構(gòu)成。光源驅(qū)動(dòng)時(shí)，電壓基準(zhǔn)芯片實(shí)時(shí)采集采樣電阻兩端的電壓，同時(shí)將采集電壓信號(hào)反饋到電壓基準(zhǔn)芯片內(nèi)部，然后根據(jù)采樣電壓值調(diào)節(jié)輸出電壓。采樣電阻的阻值由所需要的驅(qū)動(dòng)電流的大小和電壓基準(zhǔn)芯片的輸出電壓來確定。光源的驅(qū)動(dòng)電流可以通過采樣電阻值來改變。

2.5 鎖相放大模塊

由于所要檢測(cè)的是微弱光強(qiáng)信號(hào)且信號(hào)中常?；煊性肼?，因此，系統(tǒng)采用鎖相放大電路來去除噪聲。鎖相放大電路不僅具有很高的檢測(cè)靈敏度而且信號(hào)處理比較簡單，常用來檢測(cè)微弱信號(hào)。如圖3所示，鎖相放大模塊主要包括帶通濾波器、鎖相放大器和低通濾波器三個(gè)部分。在本檢測(cè)系統(tǒng)中，調(diào)制輸入信號(hào)的頻率為20 Hz，并在鎖相放大器前加入帶通濾波器從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的濾波，參考信號(hào)由微控制器提供。信號(hào)經(jīng)鎖相放大后通過一個(gè)低通濾波器來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的整流與濾波。

圖3 鎖相放大模塊結(jié)構(gòu)圖Fig 3 Diagram of the lock-in am p lifier modules

2.6 數(shù)據(jù)采集卡與軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集卡采用美國NI公司生產(chǎn)的型號(hào)為PCI6221板卡。該采集卡分辨率為16位，最高采集速度為250 k／s，具有16路輸入通道，可以滿足系統(tǒng)的采集需求。檢測(cè)系統(tǒng)的控制和信號(hào)采集程序采用Labview編程。數(shù)據(jù)采集卡將采集到的信號(hào)經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換后送至上位機(jī)進(jìn)行保存和顯示。信號(hào)采集系統(tǒng)的控制面板（見圖4）主要包括采樣頻率、采樣數(shù)、采集通道的設(shè)置，波形顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)路徑選擇。在實(shí)時(shí)信號(hào)采集時(shí)，首先需要設(shè)置數(shù)據(jù)采集卡的相關(guān)參數(shù)，然后進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和波形顯示。圖5為采集系統(tǒng)的程序框圖，可以通過數(shù)據(jù)采集卡自帶的軟件包，也可以通過采集面板來觀察采集信號(hào)的波形。

圖4 信號(hào)采集系統(tǒng)控制面板Fig 4 Signal acquisition system control panel

圖5 采集系統(tǒng)程序框圖Fig 5 Program chart of the signal acquisition system

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 腹部出血模型構(gòu)建

人體的腹部結(jié)構(gòu)主要由皮膚、皮下組織、腹肌、腹膜外脂肪和腹膜等組成。由于人體腹部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以在實(shí)驗(yàn)時(shí)需要建立適當(dāng)?shù)慕M織模型。在本實(shí)驗(yàn)中，腹部組織用新鮮的雞脯肉來模擬，用Phantom模型來模擬正常腹部和腹部出血時(shí)的兩種不同情況，通過改變雞肉的厚度來探究光子在腹部組織中的檢測(cè)深度和傳播規(guī)律。圖6為模型實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖。

圖6 模型實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig 6 The schematic of the experiment device

實(shí)驗(yàn)Phantom模型配置步驟如下：（1）分別量取100 ml和150 ml水倒入燒杯中并將其編號(hào)為a和b；（2）將水加熱至沸騰后向沸水中加入15 g凝膠并充分?jǐn)嚢杈鶆?；?）溶液溫度降至50℃后，向編號(hào)為a和b的燒杯中分別加入50 m l牛奶和0.1 m l墨汁并再次充分?jǐn)嚢杈鶆?；?）將冷卻后的混合物放入冰箱中，待液體凝固則模型配置完成。兩個(gè)模型的整體厚度均為3cm，編號(hào)為a和b的模型分別作為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。

模型配好后，利用一臺(tái)雙光源、雙檢測(cè)通道的檢測(cè)生物組織光學(xué)特性的ISSOXImeter系統(tǒng)測(cè)得模型1的光學(xué)參數(shù)為：μa＝0.0359，μs＝14.4648；模型2的光學(xué)參數(shù)為：μa＝0.2079，μs＝-20.2259，其中μa和μs分別為組織的吸收系數(shù)和散射系數(shù)，單位為1／cm。模型2的散射系數(shù)小于零，可以認(rèn)為它是一個(gè)吸收體。

3.2 實(shí)驗(yàn)方法和步驟

用新鮮的雞脯肉模擬腹部組織，配置的Phantom模型1和模型2分別模擬正常腹部和有出血的損傷腹部。當(dāng)光照射到腹部組織時(shí)，光子經(jīng)過腹部組織的吸收和散射作用，一部分光子被探頭檢測(cè)到。通過分析這些攜帶腹部組織信息的光強(qiáng)信號(hào)便可初步判斷腹部的出血情況。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先按照要求連接好檢測(cè)系統(tǒng)，并進(jìn)行調(diào)試；調(diào)試完成后將新鮮的雞脯肉切成半徑為4 cm，厚度依次為 0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5 cm的圓片；將Phantom模型放在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上并在模型上面放置雞脯肉；將探頭用鐵架臺(tái)固定，調(diào)整高度使其緊貼在雞肉表面；觀察輸出信號(hào)波形并保存。將探頭放置在雞脯肉表面的不同位置，重復(fù)上述步驟三次。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

當(dāng)用850 nm的光作為激勵(lì)源，雞肉厚度依次從0.5 cm到3.5 cm變化時(shí)，探測(cè)器D1所檢測(cè)到的光強(qiáng)曲線見圖7（a）。Phantom 1和Phantom 2分別表示正常腹部和損傷有積血的腹部所檢測(cè)到的光強(qiáng)曲線。圖7（b）表示二者的差值曲線。從圖中可以看出：隨著雞肉厚度的增加，正常腹部的光強(qiáng)信號(hào)呈現(xiàn)出一條不規(guī)則的曲線，并在一定的幅值范圍內(nèi)波動(dòng)；損傷腹部的檢測(cè)光強(qiáng)信號(hào)隨著雞肉厚度的增加，信號(hào)值逐漸增加，且當(dāng)雞肉厚度大于2.5 cm后，光強(qiáng)幅值則幾乎不隨厚度的變化而變化。因此，正常腹部檢測(cè)到的光強(qiáng)信號(hào)是一條幅值波動(dòng)的但均值一定的曲線；損傷有出血的腹部，由于血液對(duì)光子的吸收，其檢測(cè)到的光強(qiáng)信號(hào)隨腹部組織厚度的增加而增大。當(dāng)雞肉厚度大于2.5 cm時(shí)，檢測(cè)光強(qiáng)將不再隨厚度的變化而變化。可以說明，此檢測(cè)裝置在850 nm光的腹部檢測(cè)中，其最大檢測(cè)深度為2.5 cm。當(dāng)厚度大于2.5 cm時(shí)，腹腔內(nèi)部的積血不再對(duì)入射光子有明顯的吸收作用。

圖8（a）表示用760 nm的光作為激勵(lì)源，雞肉厚度依次從0.5 cm到3.5 cm變化時(shí)，探測(cè)器D1所檢測(cè)到的光強(qiáng)曲線。圖8（b）表示二者差值的變化曲線。從圖7（b）和圖8（b）可以看出：在此檢測(cè)裝置中，波長為760 nm和850 nm的光在腹部的最大檢測(cè)深度均為2.5 cm，760 nm光的檢測(cè)線性度明顯好于850 nm。

圖7 波長為850 nm光的檢測(cè)光強(qiáng)曲線Fig 7 The detected light intensity curve of the light with a wavelength of 850 nm

圖8 波長為760 nm光的檢測(cè)光強(qiáng)曲線Fig 8 The detected light intensity curve of the light with a wavelength of 760 nm

4 結(jié)論與討論

腹部出血模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：此基于近紅外光技術(shù)的檢測(cè)系統(tǒng)可以明顯區(qū)分出正常腹部和損傷有出血的腹部；用760 nm和850 nm波長的光作為激勵(lì)光源時(shí)，其檢測(cè)的最大深度均為2.5 cm，760 nm光的檢測(cè)線性度要好于850 nm。

但是人體的腹部組織比較復(fù)雜，出血部位通常比較隱蔽。因此，在腹部損傷及出血檢測(cè)時(shí)，還需要做進(jìn)一步的改進(jìn)和優(yōu)化。一方面，通過改進(jìn)探頭來提高檢測(cè)靈敏度和分辨率?？梢裕海?）適當(dāng)范圍內(nèi)，采用大功率的激光二極管作為檢測(cè)光源；（2）采用更為靈敏的雪崩二極管作為探測(cè)器；（3）采用多光源、多檢測(cè)器的檢測(cè)方案；另一方面，采用其他檢測(cè)手段輔助檢測(cè)。首先，采用B超初步判定出血的大致位置，然后利用近紅外光技術(shù)進(jìn)行精確定位，并確定出血位置、程度和出血范圍。