在接触式无创漫反射光谱检测中, 当光纤探头施加到被测皮肤组织压力过大时, 接触压力会使组织发生较大应变, 导致其内部成分改变, 从而影响测量结果的正确性。 因此, 只考虑皮肤组织在低压力作用, 即施加到皮肤组织的压力所引起的组织应变量ε < 30%时, 无创检测结果的变化情况, 此时探头压力引起的皮肤组织应力-应变近似为各向同性的线性关系^[7], 可以建立皮肤组织厚度应变ε _D与探头-组织接触压力F简化模型为

εD=ΔDD=1SE×F(1)

式(1)中D为各层皮肤组织的初始厚度; Δ D为接触压力引起的皮肤组织厚度变化量; E为杨氏模量, 该数值参考文献^[7]; S为光纤探头与被测组织之间的接触面积。

在皮肤组织中相较于真皮层, 表皮层具有较薄厚度及较大的杨氏模量, 因此在分析接触压力对测量结果的影响时, 可以忽略表皮层厚度变化的干扰, 主要研究真皮层厚度变化所引起的测量误差。

因为实验装备、 应用波段、 实验样品以及压力值选取的不同, 在目前的研究中压力作用下, 皮肤组织吸收系数如何变化还没有统一的结论^[8]。 由于真皮组织吸收系数μ _a在1 000~1 320 nm范围内数值较小, 同时所涉及的压力变化范围较小, 因此设置真皮组织吸收系数μ _a不随接触压力变化而变化。

真皮组织散射系数μ _s与组织内散射颗粒的密度ρ 关系如式(2)^[9]

μs=ρσs(2)

式中, σ _s为粒子的散射截面。

当真皮层厚度D_d受压力作用减小Δ D_d时, 组织内可移动液体含量减小, 散射颗粒密度ρ 增大, 组织散射系数μ _s增大。 因此, 接触压力影响下真皮层散射系数μ _s的变化计算公式如式(3)

μs=μs0DdDd-ΔDd(3)

结合式(1)可以得到真皮层散射系数μ _s与压力F之间的关系式(4)

μs=μs011-FSE(4)

式中μ _s0为未施加压力时真皮层散射系数。

MC模拟是一种处理物理领域粒子输运问题的一种随机统计方法, 通过计算机仿真技术, 将理想条件下的理论计算与实际条件的求解计算进行了有机结合。

针对三层皮肤模型, 设置表皮层、 真皮层和皮下组织的厚度分别为0.3, 1 mm和无穷大^[10]。 以无限细点光源入射, 光子数为10⁸。 皮肤光学参数参考文献^{[11, 12]}, 主要波长光学参数初始数值设置如表1。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 三层皮肤模型的MC模拟光学参数初始设置 Table 1 Initial setting of optical parameters for MC simulation of three-layer skin model 波长/nm 皮肤层 μ a/cm-1 μ s/cm-1 n g 表皮层 0.295 4 296.876 6 1 050 真皮层 0.529 1 177.372 0 1.373 3 0.899 5 皮下组织 0.799 2 168.791 4 表皮层 0.685 1 260.820 3 1 220 真皮层 1.245 9 163.443 7 1.371 1 0.899 5 皮下组织 1.612 9 158.781 1 表皮层 1.211 0 250.808 5 1 310 真皮层 1.593 3 161.245 0 1.369 4 0.899 5 皮下组织 1.318 0 157.273 0

表1 三层皮肤模型的MC模拟光学参数初始设置 Table 1 Initial setting of optical parameters for MC simulation of three-layer skin model

采用MCML(Monte Carlo for multi-layered media)程序^[13], 首先模拟波长1 310 nm, 压力F变化范围为0~0.6 N(间隔0.1 N)时, 径向检测距离为0.1~2 mm(间隔0.1 mm)处的漫反射光强。 为消除各个径向检测位置处系统放大倍数的差异, 采用式(5)的差分方法处理漫反射光谱

Ai-0=lnIFiIF0(5)

式中, IF0与 IFi分别为初始状态和各次增加压力后的漫反射光强信号, A_i-0为接触压力为F_i时相对于F₀时的光强变化量。

在不同接触压力下, 模拟得到的1 310 nm波长下漫反射光强相对变化量、 从皮肤各层返回的光子数以及接收到的总光子数沿径向检测距离的分布分别如图1(a), (b)和(c)所示。

从图1 (a) 中可以看出, 压力增大时漫反射光强随径向检测距离的增大呈现先增大、 后减小的趋势。 在径向检测距离为1.3 mm附近光强变化最小, 变化量最大为0.9%, 低于1.2和1.4 mm处的2.4%和-2.3%。 因此, 可以认为在1.3 mm径向检测距离处测量光信号受压力影响最低, 即该处为压力不敏感径向检测位置。

从图1(b)中可以看出, 在距入射点不同的径向距离处, 不同压力下出射漫反射光中来自表皮层的光子数目变化很小(变化量介于0.1%~2%); 在距入射点为0.3~2 mm的径向范围内, 自真皮层返回的光子数随压力的增大而不断增加, 而来自皮下组织的光子数目则不断减小。 这是由于表皮层参数受压力变化影响小, 因此出射光子中来自表皮层的光子数受压力影响小; 而当接触压力增加时, 真皮层散射系数μ _s增加, 入射光子在该层内的穿透深度d=1/ 3μa(μa+μ's)减小, 即光子穿透到皮下组织的概率减小, 出射光子中来自真皮层的光子数增加, 而来自皮下组织的减小。

从图1(c)中可以看出, 在1.3 mm径向检测位置处, 由于真皮层增加的光子数与皮下组织减小的光子数基本持平, 从而使得在该点测得光强受压力变化影响不显著, 由此形成压力不敏感径向检测位置。

图1

Fig.1

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	图1 不同接触压力下, MC模拟所得漫反射光强和光子数沿径向检测距离的分布(1 310 nm) (a): 光强相对变化量; (b): 各皮肤层返回光子数; (c): 出射总光子数Fig.1 Monte Carlo simulation results for diffuse light intensity and photons varying with radial distance under different contact pressure (1 310 nm) (a): Relative change of light intensity; (b): Number of photons returned from each skin layer; (c): Total number of emitted photons

进一步为证实在其他波段下, 也存在上述压力不敏感径向检测位置, 设置波长范围为1 000~1 320 nm, 间隔10 nm, 再次进行MC模拟。 以1 050和1 220 nm两个波长下的漫反射光强为例, 在接触压力变化时光强相对变化量随径向检测距离的分布情况如图2所示。

图2

Fig.2

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	图2 不同接触压力下, 光强相对变化量随径向检测距离变化的MC模拟结果 (a): 1 050 nm; (b): 1 220 nmFig.2 Monte Carlo simulation results for relative change of light intensity varying with radial distance under different contact pressure (a): 1 050 nm; (b): 1 220 nm

由图2可以看出, 1 050和1 220 nm下, 压力增大时漫反射光强随径向检测距离的增大呈现先增大、 后减小的趋势; 在1.2~1.4 mm径向检测距离内, 存在压力不敏感径向检测位置使得光强变化量最小(近似为0)。 且1 050和1 220 nm波长下的压力不敏感径向检测位置分别位于距入射点约1.4和1.3 mm处。 在1 000~1 320 nm波段范围内, 其他波长下同样存在上述压力不敏感径向检测位置, 且集中于径向检测距离为1.3~1.5 mm范围内。

为验证在体皮肤组织无创检测中压力不敏感径向检测位置的存在性, 基于超辐射发光二极管(InPhenix, 美国)光源搭建了一套多环光纤束检测系统。 光源的中心波长分别为1 050, 1 219和1 314 nm, 利用低耗高耦合效率1× 3多通道单模光开关(CETC-FSW型, 电子科技集团公司第三十四研究所, 中国)实现各光源漫反射光信号的分时测量。 采用环状光纤进行光信号的入射和接收: 中心入射, 光纤直径为0.2 mm; 距入射中心不同径向距离处(0.48, 0.76, 1.04, 1.32和1.60 mm)由环状接收光纤束采集漫反射光信号, 光纤排布图如图3所示。 光纤探头与被测皮肤组织之间的接触压力由高精密位移升降台(PHOB-2, 卓立汉光, 中国)控制, 光纤探头与皮肤组织之间的压力值由升降台朝挤压皮肤方向步进距离表征。 检测系统示意图如图4所示。

实验对象为3名身体健康的男性志愿者(年龄24~30岁), 实验均在空腹状态下开展。 根据皮肤力学特性, 为使每次压力作用下皮肤状态尽快达到稳定, 测量前, 探头对皮肤都进行3次压-松预调。 此外, 为减小接触测量过程中, 组织与光纤探头之间热传导引起组织温度变化对检测结果的影响, 还对光纤探头进行加热处理。 以探头与皮肤完全接触为起点, 升降台步进0~1.0 mm间隔为0.2 mm, 使探头挤压皮肤。 为减小随机误差, 每组挤压状态下各波长连续采集120个漫反射光信号值(耗时约15 s), 并对测量值取平均作为各状态下的最终漫反射光信号。

图3

Fig.3

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	图3 探头的光纤排布Fig.3 Fiber arrangement of the probe

图4

Fig.4

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	图4 近红外无创漫反射检测实验系统示意图Fig.4 Schematic diagram of near-infrared noninvasive diffuse reflection detection system

以探头与皮肤完全接触时的信号为基准信号, 将不同接触压力作用下测得的光谱信号与基准信号按式(5)进行差分运算, 得到与压力相关的光强变化信息。 如图5(a), (b)和(c)所示为受试者1分别在波长1 050, 1 219和1 314 nm下测得漫反射光谱扣除基准信号后, 通过拟合得到的不同压力作用下沿径向检测距离分布的漫反射光强相对变化量。

图5

Fig.5

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	图5 在体实验中, 接触压力变化时三个波长下漫反射光强相对变化量沿径向检测距离的分布 (a): 1 050 nm; (b): 1 219 nm; (c): 1 314 nmFig.5 Results of in vivo for relative change of diffuse light intensity varying with radial distance under different contact pressure (a): 1 050 nm; (b): 1 219 nm; (c): 1 314 nm

从图5中可以看出, 在体测量中光强变化量为零的位置, 集中在径向检测距离0.75~1.0 mm范围内, 且在各波长下, 光强变化量为零的位置波动范围均小于接收光纤直径, 因此取各压力作用下拟合曲线过零点位置的均值作为压力不敏感径向检测位置。

此外, 从图5中还可以看出随着接触压力的增大, 距入射0.8~1.6 mm径向检测距离处, 漫反射光强变化量幅度逐渐减小, 随径向位置没有呈现类似MC模拟结果的线性变化关系。 可能的原因是由于高精密位移控制台移动光纤探头挤压被测皮肤时, 皮肤组织受压区域内压力分布不均匀, 与受压区域中心相比, 区域外侧皮肤组织受压发生的组织形变小, 对皮肤参数改变的影响较小, 导致漫反射光强变化量小。

3位志愿者在3个波长下的在体测量所得压力不敏感径向检测位置与MC模拟结果如表2所示。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 不同波长下MC模拟与在体实验压力不敏感径向检测位置距入射点距离 Table 2 Comparison between experiment and simulation results on pressure-insensitive radial position under different wavelength 波长 /nm MC模拟 /mm 志愿者1 /mm 志愿者2 /mm 志愿者3 /mm 1 050 1.40 0.82 0.92 0.80 1 219 1.30 0.95 0.83 0.78 1 314 1.30 0.90 0.85 0.80

表2 不同波长下MC模拟与在体实验压力不敏感径向检测位置距入射点距离 Table 2 Comparison between experiment and simulation results on pressure-insensitive radial position under different wavelength

可以看出, 3位志愿者都可以找到压力不敏感径向检测位置, 该位置在径向距离为0.78~1.0 mm之间。 同时也可以看出, 人体实验结果与MC模拟结果存在较大差异。 可能的原因包括: (1) MC模拟所用的皮肤组织光学参数来自离体皮肤测量结果, 与在体皮肤组织之间存在一定差异; (2) MC模拟分析压力对光强信号的影响时, 忽略了压力对表皮层厚度变化的影响; (3) 在体无创检测时, 光源漂移、 人体不自主抖动导致测量位置偏移等干扰引起了测量偏差。

采用如图4所示的检测系统, 升降台带动光纤探头接触被测皮肤组织后, 步进0.6 mm使探头挤压皮肤组织, 在三个波长下对志愿者3 (男性, 24岁) 分时重复测量10次, 并求各个波长下10组光谱数据的信噪比 (signal noise ratio, SNR) , 以此来评价光谱数据的稳定性。 另外, 在该实验中, 接收光纤中心位置没有设置在如表1中志愿者3压力不敏感径向检测位置处, 一方面是实验装置所限; 另一方面, 由于人体代谢等原因, 志愿者压力不敏感径向检测位置会存在微小波动, 难以用固定的检测位置来表示。 因此, 在评价径向压力不敏感检测位置的实用性时, 选取近压力不敏感径向检测位置作为测量位置(距入射径向检测距离0.78 mm处)。

各个波长下, 在体测量光强的SNR值如图6所示。

图6

Fig.6

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	图6 光纤探头挤压被测皮肤组织, 不同径向检测距离处, 三个波长在体测量漫反射光强的信噪比Fig.6 SNR of diffuse light intensity varying with radial distance under the same contact pressure

从图6中可以看出, 志愿者3在近压力不敏感径向检测位置测得的光强数据的SNR值最高, 即该处光谱数据重复测量时, 数据稳定性好, 受干扰影响更小。 由此证明了压力不敏感径向检测位置的实用性。