基于有效衰減系數(shù)直接測量的人體光譜特征分析

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、 半無限介質下的差分測量公式(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)結構光纖， 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、 手臂內側)進行了有效衰減系數(shù)光譜的測量。

2 結果與討論

2.1 葡萄糖光譜測量結果

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果

2.2 散射顆粒密度、溫度、血紅蛋白的光譜測量結果

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側)進行了多次重復測量， 結果如圖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， 產生的相對測量誤差約為10%以內。 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側的有效衰減系數(shù)光譜

不同部位、 不同個體的測量結果如圖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、 手臂內側之間均存在顯著差異， 圖5(b)給出了手掌、 手背、 手臂外側、 手臂內側與手指的光譜差異， 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)光譜測量結果

3 結 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將有廣泛的應用前景。