生物组织后向散射光非接触拾取方法的研究

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1、第一章绪论第一章绪论1．1研究背景随着科技的进步、社会的发展，健康问题越来越受到人们的关注，大力发展医疗卫生保健事业已成为目前我国乃至全世界均要面临的一个重要问题，医疗仪器的研究与开发也受到国家和人民的关注。传统医学中对人体疾病的检测、诊断和治疗大多采用有损的办法。例如，对人体血液中血糖检测需要抽血；对白血病的检测要采取脊椎穿刺的方法；对皮肤癌的检测要进行皮肤取样等等。这些方法固然能有效的提取参数、确定病’睛，但不可避免的存在着许多难以克服的弊端。首先，这种有创检测易引起交叉感染；此外，有创检测

2、给患者带来极大的痛苦以及损伤，不能实现长期的、连续的、及时的检测。随着科学技术的不断发展，生物组织无损检测技术蓬勃发展。近年来，随着人们对生物组织光谱学的研究，利用红外光谱法进行生物组织机能的无损定量分析和组织结构的探测以及成像成为生物医学工程领域的一种强有力的手段。首先，它可以通过检测光在组织中传播的特性求出被辐射组织内的光空间分布，并借此确定治疗中的光生理特性，如激光手术、光动力治疗等“’。其次，根据组织的漫反射光或者透射光信号来检测组织成分和结构的变化，如血液中血糖、血氧的的变化，组织细胞

3、的大小和组成的变化(早期癌变的依据)等”“，为临床提供方便可靠的病生理参数指标。与传统检测设备等相比，红外光检测设备对人体不会造成任何伤害，真正做到了连续无损检测，并有灵敏度高、价格便宜、使用方便等一系列优点。光与生物组织作用的机理不仅与光的参量有关，而且与生物组织的结构、物理及生物特性有密切的关系。生物组织中各成分对于光的吸收和散射有着不同的特性，而且，在不同的生理状态下，组织光学参数也大不相同。如正常人和糖尿病患者相比较，组织光吸收特性是不一样的。通常，在600nm与1300nm之间的“光学

4、窗”范围内，生物组织的透光性能好，组织对光的吸收小，即在组织部位上存在着可测量的后向散射光或漫透射光，使得基于定量和波长分析的生物医学无损近红外检测技术成为可能。无损生物组织成分的检测，包括血糖和血氧的检测是无损近红外光检测技术的研究重点之一。经过长期的研究，已经在无损近红外检测技术中取得了一些少量成果。仅有脉搏血氧计广泛用于临床，而血糖计、脑血氧计以及肌血氧计还在第一章绪论研究中。究其原因，主要是被测对象为人体，干扰因素多，且信号又非常微弱，一些相关的问题涉及的学科较多而且复杂。从2000年开

5、始，本课题组在归国专家徐可欣教授的带领下，一直致力于无损近红外连续光谱血糖检测仪开发及其基础理论的研究，已经取得了巨大的进步。但是由于糖在近红外吸收非常微弱，又因为是活体检测，所受干扰因素复杂，导致光谱法检测的精度较差。提高检测精度是目前进一步提高检测仪器性能需要解决的关键问题，而被测信号的拾取是提高检测精度的前提。1．2生物组织无损光谱测量方法概述1．2．1朗伯一比尔定律【211光谱检测的基础是朗伯一比尔定律，也就是吸收定律。朗伯一比尔定律描述的是光在透明体中的吸收程度。当一束单色光照射到透明

6、体上，一部分光在穿透过程中被吸收，另一部分光透过。若入射光为Io，透射光为I，则朗伯一比尔定律可用下式表示：I=Ioexp(一蒯)(1-1)其中￡为分子消光系数，C为介质浓度，d为介质厚度。组织光学中，通常用吸光度来描述光在生物组织中传播时的能量损失。定义吸光度为0D：OD=-log(％)=-(-口d)loge=2．3036cd(1-2)／10当光透过高散射介质时，基本的朗伯一比尔方程已经不适用，必须做出适当的修正才能正确使用。修正包括两方面：1)增加一个G项，以补偿散射损失：2)由于光路长d已

7、经不是简单的检测器到光源的物理距离，光子从光源到检测器经过多次散射，于是光子实际走过的路径长度比检测器到光源的物理距离大得多，因此要增加一个乘数因子B，以弥补散射引起光实际路程的增加。这样，利用修正后的朗伯一比尔定律，吸光度OD就可以表示为OD=一log(1／lo)=Becd+G(1-3)上式中的G值是为了解释散射损失而引入的，其与散射粒子的几何形状，散射系数等有关，通常情况下，它属于未知量。因此，使用该修正公式，需要假设G是一个定量。第一章绪论{．2．2毙谱检测信号拾取秀法及存在溺题光谱检测技

8、术由于其在无损检测一E的广黼的应用前景，引起了越来越多人的关注。遂行光谱硷测信号熬拾敬一般鸯嚣秘方法：遴射法秘反射法，它们豹基本原理是相同的，只是传感器检测位置及检测公式不间，下面分别予以介绍。光源童，光源检测器童⋯垒——1一检测器(gt)透射型测量(b)反射型测髓图l～l生物组绒光谱检测测量方式不慈图一、遴莉法透射法为光源和检测器分别在待检测组织的两侧，是～种相对成熟的、应用广泛的光信号拾取技术13-7,10,IR,I鳓，已经成功成用于瓶氧测豢技术中。其接收的光售号是透避组织的漫透射光，缀明显