專利名稱：基于反射光譜測量的皮膚生理參數(shù)與光學特性參數(shù)的測量方法和系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光譜技術應用和生物醫(yī)學工程領域，涉及一種基于反射光譜測量的皮 膚生理參數(shù)與光學特性參數(shù)的測量方法。
背景技術：
近年來，利用光學手段進行醫(yī)學診斷與治療正逐漸受到生物醫(yī)學研究者的廣泛關 注。相對于X射線、CT、核磁共振等其他醫(yī)學檢測技術，光學技術可以以非侵入式的方式實 施組織的無損結構與功能檢測，并具有適用范圍廣、便攜性高、成本低廉等優(yōu)點。組織光學 特性參數(shù)通過對組織中吸收與散射等光學特性的評價，來描述生物組織對不同波長入射光 的響應。定量評價組織中的光學特性參數(shù)，一方面將有助于優(yōu)化光學診斷方法在生物組織 中的診斷深度與光學成像技術在生物組織中的成像質(zhì)量。另一方面，將可對光學治療到達 治療部位的能量強度給出定量分析，有助于優(yōu)化光學治療的治療劑量。此外，組織光學特性 參數(shù)本身是由組織中生理狀態(tài)所決定的，例如皮膚組織中對可見及近紅外波長下的吸收 主要是由皮膚中黑色素，含氧血紅蛋白，脫氧血紅蛋白和水分貢獻的。在此波長范圍內(nèi)的吸 收強度高低反映了這些物質(zhì)含量的高低。因此，皮膚光學參數(shù)測量結果可以進一步反映皮 膚生理參數(shù)的變化，從而對皮膚表面的生理狀態(tài)給出客觀科學的評價。作為人體最大和最重要的器官，皮膚的厚度約為0. 5 4mm，總重量約占人體的 8%，皮膚內(nèi)容納了人體約1/3的循環(huán)血液和約1/4的水分。皮膚組織的吸收系數(shù)ya* 約化散射系數(shù)μ ‘ s等光學特性參數(shù)，對于激光診斷、激光治療、光劑量學等理論研究和 臨床實踐有著非常重要的意義。黑色素是皮膚表皮層中的主要吸收物質(zhì)，其濃度與皮膚白 皙程度和色斑形成有直接關系，適當濃度的黑色素能阻擋過量的紫外線輻射對皮膚的影 響，健康人表皮層黑色素濃度在-10%之間(參見S. L.Jacques，“Origins of tissue optical properties inthe UVA, visible, and NIR regions,，，in Advances in Optical Imaging andPhotonMigration, R. R. Alfano and J. G.Fujimoto, eds. (Optical Society of America)，1996)。皮膚中含氧血紅蛋白，脫氧血紅蛋白與皮膚組織微循環(huán)狀態(tài)有關，反 應了組織代謝能力的強弱，健康人皮膚含氧血紅蛋白與脫氧血紅蛋白的總濃度即總血紅蛋 白含量在 0. 2%-7%之間(參見 E.Angelopoulou，"Understanding the color of human skin, "Proc. SPIE 4299，243-251，2001)，而含氧血紅蛋白在總血紅蛋白中所占比例，即 血氧飽和度在 0%-100%之間(參見 D. Yudovsky and L. Pilon, "Rapid and accurate estimation of bloodsaturation, melanin content, and epidermis thickness from spectral diffuseref lectance", Applied Optics，2010)。皮膚中的水分含量是影響皮膚 彈性與生理狀態(tài)的重要指標，健康人皮膚的水分含量在15% -70%之間(參見R. R. Warner, Μ. C. Myers and D. A. Taylor, "Electron Probe Analysis of Human Skin !Determination of the WaterConcentration Pro file",Journa1 of Investigative Dermatology，1988)。測量組織光學特性參數(shù)的方法主要有兩種，一種是測量光在經(jīng)過組織后的空間分布，通過分析光的空間分布信息將組織的約化散射系數(shù)對光強衰減的貢獻從組織吸收系 數(shù)對光強的衰減中分離出來。另一種是利用脈沖激光作為光源，利用檢測器獲得的時域 光強信號來計算接收到的信號受到組織散射影響的程度，從而確定組織的光學特性參數(shù)。 利用光強分布測量組織光學特性參數(shù)的方法需要多個檢測器以不同距離接收光源經(jīng)組織 傳輸?shù)乃p光強，且在距離范圍內(nèi)的組織光學特性參數(shù)必須一致。(參見F. Bevilacqua, D. Piguet 等，“In vivolocal determination of tissue optical properties applications to human brain” . Applied Optics，1999)為 了得到較好的吸收與散射分 辨效果，需要較大的測量范圍，但皮膚組織結構的復雜性使得大范圍的測量無法滿足組織 均一性的條件。因此難以在皮膚組織上適用。而時域方法測量組織光學特性方法需要采 用脈沖激光器和時間分辨能力在皮秒量級的檢測器，(參見B. J. Tromberg, N. Shah等， “Non-Invasive In Vivo Characterization ofBreast Tumors Using Photon Migration Spectroscopy”，Neoplasia, 2000)設備價格昂貴，可實施性差。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述現(xiàn)有技術方法對于皮膚光學特性參數(shù)測量的局限性，本發(fā)明所要解決的 技術問題是通過實驗數(shù)據(jù)和蒙特卡羅模擬相結合的分析方法提供更加精確的反射光強與 皮膚光學特性參數(shù)的對應數(shù)據(jù)，在實際測量樣本皮膚時以實際測量反射光譜為基礎，通過 該數(shù)據(jù)與多個生理參數(shù)進行計算擬合以得到基于反射光譜測量的皮膚生理參數(shù)與光學特 性參數(shù)，最終以非侵入的方式無損、實時測量皮膚吸收系數(shù)μ3和約化散射系數(shù)μ/等光學 特性參數(shù)以及黑色素含量，脫氧血紅蛋白、含氧血紅蛋白含量，水分含量等生理信息。本發(fā)明首先利用蒙特卡羅計算得到模擬標準數(shù)據(jù)Tmc，利用脂肪乳溶液混合印度 墨水模擬生物組織進行組織模型實驗，獲得基于實驗記錄的對應光學特性參數(shù)下組織反射 光強的實驗標準數(shù)據(jù)Texp，并通過實驗標準數(shù)據(jù)Texp校準模擬標準數(shù)據(jù)Tmc，從而得到最 終優(yōu)化標準數(shù)據(jù)T。針對實際測量樣本，獲取樣本反射光譜曲線，利用最終優(yōu)化標準數(shù)據(jù)T，通過對黑 色素濃度M,總血紅蛋白含量B，血氧飽和度S,水分含量W，波長為500nm時約化散射系數(shù) μ/ —瑞麗散射含量f等參數(shù)進行擬合得到最接近樣本反射光譜曲線的模擬反射光譜曲 線，此時計算得到生理參數(shù)黑色素濃度M,總血紅蛋白含量B，血氧飽和度S，水分含量W，并 進一步求得皮膚在所有波長下的吸收系數(shù)μ a和約化散射系數(shù)μ s’。同時本發(fā)明進一步包括一種具有計算模塊的皮膚生理參數(shù)與光學特性參數(shù)測量 系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括皮膚反射光譜的測量裝置、計算與顯示裝置。其中皮膚反射光譜的測量 裝置包括寬光譜光源、光譜檢測器、入射光纖、反射探頭、接收光纖、反射探頭支架、數(shù)據(jù)傳 輸線。計算與顯示裝置中包括模數(shù)轉化模塊、計算模塊、存儲器、顯示處理模塊、顯示器、數(shù) 據(jù)總線。測量得到的組織模型實驗數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)傳輸線傳入計算與顯示裝置。通過模數(shù)轉換 后存儲于存儲器中，計算模塊利用蒙特卡羅計算得到模擬標準數(shù)據(jù)Tmc，并調(diào)用存儲于存儲 器中的組織模型實驗數(shù)據(jù)得到實驗標準數(shù)據(jù)Texp對模擬標準數(shù)據(jù)Tmc進行校準，從而得到 最終優(yōu)化標準數(shù)據(jù)T，并存儲于存儲器中。測量待測皮膚反射光譜時，分別測量待測皮膚的反射光譜與反射標準片的反射光 譜，測量數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)傳輸線傳入計算與顯示裝置。通過模數(shù)轉換后存儲于存儲器中，計算模塊利用反射標準片數(shù)據(jù)校準皮膚測量數(shù)據(jù)得到測量皮膚反射光譜。計算模塊調(diào)用優(yōu)化標準 數(shù)據(jù)T，利用非線性迭代算法計算不同皮膚組織生理參數(shù)下對應的皮膚擬合反射光譜。將計 算得到擬合反射光譜與測量皮膚反射光譜進行比較，得到待測皮膚反射光譜所對應的生理 參數(shù)，并進一步計算得到所有波長下皮膚光學特性參數(shù)μ 3和μ s’，將測量結果和皮膚反射 光譜圖像顯示于顯示器上。本發(fā)明的任務是提供一種基于反射光譜測量的皮膚生理參數(shù)與光學特性參數(shù)測 量方法和皮膚生理參數(shù)與光學特性參數(shù)測量系統(tǒng)。實現(xiàn)本發(fā)明的具體技術方案是本發(fā)明提供的這種基于反射光譜測量的皮膚生理參數(shù)與光學特性參數(shù)測量方法， 包括如下步驟步驟一計算表示光學特性參數(shù)和反射光強之間的函數(shù)聯(lián)系的優(yōu)化數(shù)據(jù)T，包括 以下分步驟a)配置標準組織模型溶液；b)測量標準組織模型溶液的光學特性參數(shù)；c)將入射光纖和反射光纖前端平行地置入標準組織模型溶液中，入射光纖另一 端與光源相連，光源提供覆蓋400-1000nm波長范圍的入射光，反射光纖另一端與光譜儀相 連，記錄400-1000nm波長范圍光學特性參數(shù)對應的組織反射光強的實驗數(shù)據(jù)Texp ；d)利用蒙特卡羅方法在輸入組織模型溶液光學特性參數(shù)的情況下模擬得到反射 光強的模擬數(shù)據(jù)Tmc ；e)求使得|K · Tmc-Texp |的方差為最小時的常數(shù)K值；f)以K ·Τπκ3為示光學特性參數(shù)和反射光強之間的函數(shù)聯(lián)系的優(yōu)化數(shù)據(jù)T步驟二 測量皮膚生理參數(shù)與光學特性參數(shù)，包括以下分步驟1)將與步驟一 C)中相同的入射光纖和反射光纖的前端端面與潔凈平整的待測皮 膚表面接觸，入射光纖另一端與光源相連，光源提供覆蓋400-1000nm波長范圍的入射光， 反射光纖另一端與光譜儀相連，記錄400-1000nm波長范圍皮膚反射光強Μ( λ )；2)將入射光纖和反射光纖的前端端面置于反射標準片上方，記錄標準片反射光強 Mstd(A)；4)設置四個生理參數(shù)和兩個散射參數(shù)黑色素含量MO初值范圍為1%-10%，優(yōu) 選5% ；血紅蛋白含量BO初值范圍為0.2%-7% ；優(yōu)選0.3% ；血氧飽和度SO初值范圍為 0% -100%，優(yōu)選75%;水分含量WO初值范圍為15% -70%，優(yōu)選60% ；波長500nm的約化 散射系數(shù)μ / 5(1(lnm初值范圍為20-200，優(yōu)選50 ；瑞麗散射含量f0初值范圍為0% -100%, 優(yōu)選50% ；5)通過生理參數(shù)計算皮膚組織在各波長下的吸收系數(shù)和約化散射系數(shù)，針對該吸 收系數(shù)和約化散射系數(shù)從步驟一得到的優(yōu)化數(shù)據(jù)T中計算對應的標準反射光強；6)組合步驟二 1)所測量波長下計算得到的反射光強得到預測反射光譜
PSPR(A)；7)計算預測反射光譜與步驟二 4)得到的測量皮膚反射光譜之間的誤差u =
3)歸一化的測量皮膚反射光譜為mSPF4A.i=，Σ |mSPR(X )-pSPR(X ) | ；8)循環(huán)重復步驟二 4) -7)，得到使誤差u達到最小的被測樣本對應的生理參數(shù)；9)通過被測樣本對應的生理參數(shù)計算得到被測樣本皮膚的吸收系數(shù)μ 3和約化散 射系數(shù)μ/。本發(fā)明方法中的標準組織模型溶液是用脂肪乳溶液與印度墨水配置得到，配置的 標準組織模型溶液由32組不同濃度溶液構成，溶液中脂肪乳的濃度為以下4個之一 20%， 5%,1. 25%,0. 3125% ；溶液中印度墨水的濃度為以下8個之一 0，0. 0015%,0. 003%, 0. 013%,0. 023%,0. 048%,0. 073%,0. 098% ；本發(fā)明測量標準組織模型溶液的光學特性參數(shù)包括以下步驟i)選定測量波長；ii)在距離光源位置r處針對所述標準組織模型溶液進行測量得到所述測量波長 的光通量Μω ；iii)n次改變反射光纖探頭與光源之間的距離r，并分別測量光通量Mwi，其中i =2,3,4......η ；iv)將ln(r*Mw)對于距離r進行線性擬合，計算得到擬合曲線的斜率1/δ Q ；ν)向溶液中滴加墨水，增加的組織模型溶液中的吸收系數(shù)為Δ μ a，所述吸收系數(shù) Δ μ 3通過分光光度計測量墨水吸光度得到；vi)以滴加了墨水的溶液為對象，針對所述波長重新進行步驟ii)_iv)，計算得到 此時擬合曲線的斜率vii)通過下列方程組
權利要求
1.一種基于反射光譜測量的皮膚生理參數(shù)與光學特性參數(shù)測量方法，包括如下步驟步驟一計算表示光學特性參數(shù)和反射光強之間的函數(shù)聯(lián)系的優(yōu)化數(shù)據(jù)T，包括以下分步驟a)配置標準組織模型溶液；b)測量標準組織模型溶液的光學特性參數(shù)；c)將入射光纖和反射光纖前端平行地置入標準組織模型溶液中，入射光纖另一端與光 源相連，光源提供覆蓋400-1000nm波長范圍的入射光，反射光纖另一端與光譜儀相連，記 錄400-1000nm波長范圍光學特性參數(shù)對應的組織反射光強的實驗數(shù)據(jù)Texp ；d)利用蒙特卡羅方法在輸入組織模型溶液光學特性參數(shù)的情況下模擬得到反射光強 的模擬數(shù)據(jù)Tmc ；e)求使得|K· Tmc-Texp的方差為最小時的常數(shù)K值；f)以K· Tmc為示光學特性參數(shù)和反射光強之間的函數(shù)聯(lián)系的優(yōu)化數(shù)據(jù)T ；步驟二 測量皮膚生理參數(shù)與光學特性參數(shù)，包括以下分步驟1)將與步驟一c)中相同的入射光纖和反射光纖的前端端面與潔凈平整的待測皮膚表 面接觸，入射光纖另一端與光源相連，光源提供覆蓋400-1000nm波長范圍的入射光，反射 光纖另一端與光譜儀相連，記錄400-1000nm波長范圍皮膚反射光強Μ( λ )；2)將入射光纖和反射光纖的前端端面置于反射標準片上方，記錄標準片反射光強 Mstd(A)；3)歸一化的測量皮膚反射光譜為my4)設置四個生理參數(shù)和兩個散射參數(shù)黑色素含量MO初值范圍為-10%，優(yōu)選 5% ；血紅蛋白含量BO初值范圍為0.2% -7% ；優(yōu)選0.3% ；血氧飽和度SO初值范圍為 0% -100%，優(yōu)選75%;水分含量WO初值范圍為15% -70%，優(yōu)選60% ；波長500nm的約化 散射系數(shù)μ / 5(1(lnm初值范圍為20-200，優(yōu)選50 ；瑞麗散射含量f0初值范圍為0% -100%, 優(yōu)選50% ；5)通過生理參數(shù)計算皮膚組織在各波長下的吸收系數(shù)和約化散射系數(shù)，針對該吸收系 數(shù)和約化散射系數(shù)從步驟一得到的優(yōu)化數(shù)據(jù)T中計算對應的標準反射光強；6)組合步驟二ι)所測量波長下計算得到的反射光強得到預測反射光譜Psra(λ)；7)計算預測反射光譜與步驟二4)得到的測量皮膚反射光譜之間的誤差u = Σ |mSPR(X )-pSPR(X ) | ；8)循環(huán)重復步驟二4)-7)，得到使誤差u達到最小的被測樣本對應的生理參數(shù)；9)通過被測樣本對應的生理參數(shù)計算得到被測樣本皮膚的吸收系數(shù)μa和約化散射系 數(shù)μ 二
2.如權利要求ι所述的測量方法，其特征在于，標準組織模型溶液是用脂肪乳溶液與 印度墨水配置得到，配置的標準組織模型溶液由32組不同濃度溶液構成，溶液中脂肪乳的 濃度為以下4個之一 20 %，5 %，1. 25 %，0. 3125 % ；溶液中印度墨水的濃度為以下8個之 一 0,0. 0015%,0. 003%,0. 013%,0. 023%,0. 048%,0. 073%,0. 098%。
3.如權利要求1所述的測量方法，其特征在于，測量標準組織模型溶液的光學特性參 數(shù)包括以下步驟i)選定測量波長；ii)在距離光源位置r處針對所述標準組織模型溶液進行測量得到所述測量波長的光通量M(r)；iii)n次改變反射光纖探頭與光源之間的距離r，并分別測量光通量Mwi，其中i= 2， 3,4......η ；iv)將1η(Γ*Μω)對于距離r進行線性擬合，計算得到擬合曲線的斜率1/δ ^ ；ν)向溶液中滴加墨水，增加的組織模型溶液中的吸收系數(shù)為Δμ3，所述吸收系數(shù) Δ μ 3通過分光光度計測量墨水吸光度得到；vi)以滴加了墨水的溶液為對象，針對所述波長重新進行步驟ii)_iv)，計算得到此時 擬合曲線的斜率vii)通過下列方程組
4.如權利要求1所述的測量方法，其特征在于，反射標準片在可見近紅外波長反射率 為 99. 9%。
5.一種皮膚生理參數(shù)與光學特性參數(shù)測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)由皮膚反射光譜測量裝置和計 算與顯示裝置組成，所述的皮膚反射光譜測量裝置由寬光譜光源、光譜檢測器、入射光纖、 接收光纖、反射探頭、可調(diào)節(jié)高度反射探頭支架、數(shù)據(jù)傳輸線組成，所述的反射探頭由入射 光光纖前端、接收光纖前端、位于該入射光纖前端和接收光纖前端外圍的金屬外殼及位于 入射光光纖前端和接收光纖前端與和金屬外殼內(nèi)壁之間的填充物構成，接收光纖前端固定 在反射探頭中心，入射光纖前端以圓環(huán)排列等間距地環(huán)繞于接收光纖前端周圍；所述的計 算與顯示裝置由模數(shù)轉化模塊、計算模塊、存儲器、顯示處理模塊、顯示器和數(shù)據(jù)總線組成； 在所述的皮膚反射光譜測量裝置中，入射光纖與光源相連，接收光纖與光譜檢測器相連，光 譜檢測器通過數(shù)據(jù)傳輸線與計算與顯示裝置中的模數(shù)轉換模塊連接；在所述的計算與顯示 裝置中，計算模塊通過數(shù)據(jù)總線與模數(shù)轉換模塊，存儲器，顯示處理模塊相接連，顯示處理 模塊直接與顯示器相連。
6.如權利要求5所述的測量系統(tǒng)，其特征在于計算模塊采用32位微控制器。顯示處理 模塊采用VGA驅(qū)動芯片。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于反射光譜測量的皮膚生理參數(shù)與光學特性參數(shù)的測量方法和測量系統(tǒng)，本發(fā)明測量系統(tǒng)由皮膚反射光譜的測量裝置和計算與顯示裝置組成。本發(fā)明通過實驗數(shù)據(jù)和蒙特卡羅模擬相結合的分析方法，提供更加精確的反射光強與皮膚光學特性參數(shù)的對應數(shù)據(jù)，在實際測量樣本皮膚時以實際測量反射光譜為基礎，通過該數(shù)據(jù)與多個生理參數(shù)進行計算擬合得到基于反射光譜測量的皮膚生理參數(shù)與光學特性參數(shù)，最終以非侵入的方式無損、實時測量皮膚吸收系數(shù)μa和約化散射系數(shù)μs’等光學特性參數(shù)以及黑色素含量、脫氧血紅蛋白、含氧血紅蛋白含量、水分含量等生理信息。
文檔編號A61B5/00GK102058393SQ20101052567
公開日2011年5月18日 申請日期2010年10月30日 優(yōu)先權日2010年10月30日
發(fā)明者朱*, 聞翔, 駱清銘 申請人:華中科技大學