基于近紅外光譜法腦血腫檢測的最佳檢測距離選擇*

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

腦血腫的無創(chuàng)檢測一直以來是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。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，但因為其無法移動檢測以及成本過高，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、無創(chuàng)、低成本而成為最有前景的腦血腫檢測技術(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表層散射出來，通過分析出射光信息可以獲得被測腦組織的相關(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[4]和腦血腫[5]的檢測臨床應(yīng)用中。

由于頭皮和顱骨的高散射性，在腦部表層散射出來的光信號極其微弱，合理的選擇光源-檢測器之間的距離是腦部光學(xué)檢測技術(shù)研究的重點之一[6]。通常來說，光源-檢測器的距離越近，可檢測到的光信號越強(qiáng)，但接收到來自于一定深度腦組織的光子就越少；光源-檢測器的距離越遠(yuǎn)，接收到的來自于一定深度腦組織的光子越多，但可檢測的光信號越弱。臨床和科研中通常根據(jù)經(jīng)驗公式來選擇光源-檢測器距離，即光源-檢測器距離為可探測深度的一倍[7]。然而，經(jīng)驗公式無法滿足針對不同個體的最佳檢測距離。一些研究人員[8]利用tMCimg6仿真了有效深度與光源檢測器距離的關(guān)系，對經(jīng)驗公式進(jìn)行了驗證。本研究根據(jù)人體腦部光學(xué)參數(shù)經(jīng)合理簡化建立頭部組織的多層平板模型，通過Monte Carlo仿真對所建模型進(jìn)行仿真，針對不同檢測深度提出最佳的光源-檢測器距離，以獲得來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體差異，光信號檢測系統(tǒng)性能也直接影響著腦部光學(xué)檢測結(jié)果，需要將探測器的性能考慮到光源-檢測器的最佳距離選擇策略當(dāng)中，利用Monte Carlo中的統(tǒng)計誤差來模擬檢測器的性能參數(shù)，作為最佳距離選擇的參考依據(jù)。本研究定義了來自感興趣深度的等效信噪比參數(shù)，基于蒙特卡洛模擬對不同個體差異的感興趣深度的等效信噪比進(jìn)行了仿真計算，并結(jié)合實際使用的光信號檢測系統(tǒng)的信噪比性能，針對不同的個體差異提出最佳的光源-檢測器距離確定方案，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，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)檢測角度方面，腦脊液實際光學(xué)特性不同于其他組織的高散射性，它對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)動軌跡呈現(xiàn)“香蕉型”曲線，光子進(jìn)入組織后穿過各個組織層，經(jīng)過吸收和散射作用，再依次穿過各個組織層，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(第二層)為穿過第二層的散射出表層的光子信息，信號(第一層)為穿過第一層并未穿過第二層的光子部分?？梢钥闯鯡SNR值的大小直接決定檢測結(jié)果中來自目標(biāo)區(qū)域的信息量的比重，把ESNR源與檢測器之間距離判定的重要依據(jù)，該值對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會逐漸增大，但來自目標(biāo)層的絕對光子數(shù)也隨之降低，受限于檢測器信噪比，光子數(shù)過低無法準(zhǔn)確被檢測器接收。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器可以接收的信息量的多少，SR值減小到一定程度，檢測器無法正常檢測，該值作為判定光源與檢測器位置的上限判定依據(jù)。

3 腦部模型建立及MC仿真

本研究通過對腦血腫患者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)計了只經(jīng)過第一層并被徑向均勻分布的檢測器所檢測到的光子數(shù)作為信號(第一層)和穿過第一層進(jìn)入第二層的光子數(shù)作為入號(第二層)，仿真光子數(shù)為1 000萬，追蹤光子穿過各層的軌跡，對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器的傳輸軌跡見圖2，其中S為入射光源，D為各個位置檢測器，分析徑向檢測點檢測到的光譜信息的主要來源，對目標(biāo)區(qū)域信息進(jìn)行記錄和統(tǒng)計，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 實驗結(jié)果及分析

利用Monte Carlo仿真，對表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，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，對每個采樣點出射光子根據(jù)其在組織內(nèi)傳輸軌跡不同而分類，統(tǒng)計來自目標(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，即腦部檢測目標(biāo)區(qū)域的等效信噪比對光源與檢測器之間的距離敏感。同時從圖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，對于檢測器獲取足夠目標(biāo)區(qū)域信息至關(guān)重要。

ESNR為0.5時的點為目標(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器位置選擇的下限，本研究仿真光子數(shù)為1 000萬，SR減小到0.01時，有效散射光子數(shù)為100 000，而10 000萬光子的Monte Carlo仿真，多次仿真結(jié)果方差大于100個光子，此時檢測器可檢測誤差大于1/1 000，一般的光源檢測器的信噪比即為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的最佳檢測范圍如表2所示，仿真結(jié)果提供一個適合不同受測者的最佳距離參考范圍，以獲得更加準(zhǔn)確的檢測結(jié)果。

表2 不同layer1厚度下光源與檢測器最佳距離

5 結(jié)論

本研究通過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器之間的距離，根據(jù)MRI檢測數(shù)據(jù)獲知受測者的頭部參數(shù)，可以利用本結(jié)論確定最優(yōu)的光源與檢測器之間的距離，本研究結(jié)果為提高近紅外光譜腦部檢測應(yīng)用的準(zhǔn)確性和適用性打下了基礎(chǔ)。