近红外脉冲光用于乳腺疾病检测的动态特性研究

【摘要】  目的 研讨乳腺组织的近红外光学特性。办法 应用760nm和850nm两种近红外脉冲光对安康乳腺和患病乳腺停止检测。经过自行设计的实验设备接纳透过乳腺后的光信号，应用功率谱和相关函数的办法对采集到的光信号停止数据剖析。结果与结论 得出安康乳腺的出射光波形曲线润滑，周期性好，其功率谱主峰明晰，除了主峰之外简直没有或少有次频峰呈现，其相互关性好，相互关系数接近-1。乳腺疾病患者的患病部位出射光波形曲线毛刺多，周期性较差，其功率谱除主峰外还呈现许屡次频峰，其相互关系数较大偏离-1。

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【关键词】  近红外脉冲光;功率谱;相互关;乳腺

　Study of dynamic characteristic of near-infrared pulsed light on the detection of breast disease

　　JIANG Wen-dan, DENG Yan-qiong, WAN Ying-wen, et al. School of Physics and Technology ,Wuhan University,Wuhan 430072,China

　　【Abstract】 Objective The goal of this paper is to study near-infrared optical properties of breast tissue.Methods This work using 760nm and 850nm near-infrared pulsed lights to detect healthy and diseased breasts. By means of a self-made instrument to optical signals of transmission of breast tissue, optical signal were collected and were analyzed by the method of power spectrum and correlation function.Results and Conclusion The results indicate that the wave curve of the output light from healthy breast is smooth, and it has good periodicity. The curves of power spectrums of healthy breast reveal a clear main peaks. In addition to the main peaks, there are no or few secondary peaks. The wave curve has a good superposition that cross correlation coefficient is near -1.For a patient with breast disease, the wave curve from diseased site is not smooth and has a poor periodicity. Except for the main peaks, there are many secondary peaks that cross correlation coefficient is far from -1.

　　【Key words】 near-infrared pulsed light; power spectrum; cross-correlation; mammary gland

　　光学办法有其共同的优越性，在医学研讨上得到了普遍的运用。光在经过组织时被吸收和散射，因而光的透射光和散射光中包含了组织的构造和功用特性等信息，研讨组织的光学特性对研讨该组织的构造和功用特性有直接关系[1,2]。经过研讨光透过组织后的这些光学参量能够对组织功用和组织病变的诊断提供根据。与其他医学检测办法相比，光学检测技术完成了真正的无损检测，并且价钱廉价，携带便当，遭到广阔医学工作者的关注。

　　本文是基于近红外脉冲光透射乳腺组织来研讨乳腺的动态光学特性，在本文实验中应用760nm和850nm两种近红外脉冲光透射乳腺组织，经过近红外探头对乳腺感兴味区域停止动态检测，并对透射光信号停止功率谱和相互关函数的计算，然后对计算结果停止剖析，研讨乳腺组织的光学特性。

　　1 根本原理

　　由于生物组织是由不同大小的细胞和不同成分的细胞间质组成，在可见光和近红外波长呈现出不透明的光学特性，在光学上将它称为混浊介质[3]。光在乳腺组织中的传播依据其阅历可分红吸收、散射、反射和透射等过程，如图1所示，光子能够分红直接反射光子、弹道(平行)透过光子、散射光子和最终被吸收的光子[4]。描绘光子在组织中的传播多基于传输理论，在传输理论中主要研讨吸收系数(μa)、散射系数(μa )、各向异性因子(g)等描绘生物组织光学特性的参数，应用这些光学参数能够定量的描绘组织的光学效应。吸收系数和散射系数能够用来表征生物组织对光的吸收和散射才能的大小，有效透射深度则可表示光在组织中的穿透才能[5]。

　　在近红外波段光谱区，人体组织对光的吸收主要是血液中的血红蛋白形成，组织的其他成分在该光谱区的吸收较弱，并且血红蛋白在去氧和含氧状态下有着不同的吸收系数[6]，如图2所示，在600～ 800nm光谱区域，去氧血红蛋白的吸收系数比含氧血红蛋白大;而在800～ 1000nm光谱区域，去氧血红蛋白的吸收系数比含氧血红蛋白小;在805nm左右为等吸收点，去氧血红蛋白与含氧血红蛋白具有相同的吸收系数。本实验所用的波长选择在805这个等吸收点的左右，760nm代表着去氧血红蛋白的吸收状况，850nm代表的是含氧血红蛋白的吸收状况。

　　依据原理设计实验系统。整个实验系统包括硬件辅佐局部和软件控制局部，硬件局部由光源、光源驱动电路、近红外探头、数据采集卡组成。软件控制局部主要担任近红外探头的实时监控，在实时图像画面上对生物组织上面某个感兴味部位停止取点，并获得一定时间距离内该点灰度值的变化曲线。对取得的灰度值曲线计算功率谱和相互关函数并显现。

　　硬件局部：光源采用的是760nm和850nm两种近红外波长的发光二极管(LED)，分别为7个，将两个波长的LED交替放置并镶嵌在金属材质的灯头中，交替放置尽可能地使两个波长的LED映照区域发光平均。在光源驱动电路中，采用555电路输出周期为1s，占空比为一的时钟控制信号Uo，再经过由计数器CD4017芯片组成的电路，输出周期为4s，占空比为1/3的四路独立信号A、B、C、D，如图3所示。选用其中A信号用来控制760nmLED发光，C信号用来控制850nmLED发光。

　　软件局部的开发平台是Visual C++6.0，软件局部完成对近红外探头的监控，停止数据采集，并且对采集后的数据停止功率谱和相关函数的计算，最终将处置的结果显现。

　　2 实验结果及剖析

　　实验在暗室的环境下停止，分别对多名正常和患病女性乳腺停止了动态检测，并且得出实验结果，实验结果包括乳腺血管和组织的波形图、功率谱图和相互关图。

　　2.1 正常乳腺

　　2.1.1 光信号波形结果及剖析 图4是正常女性乳腺的波形，由图4可察看到，固然与输入光信号波形相比，透过乳腺组织后的光信号波形呈现出被削减和延迟的状态，但是其波形的规律性强，波形外形完好。

　　波形呈现被削减的状态能够依据光子在乳腺中的传播表示图得到解释，当光源发光时，光子进入乳腺，光子进入乳腺后的传输途径有多种，以直接透过乳腺为传播方式的光子以最快的速度穿过乳腺被仪器探测到，另外一些在乳腺内部，经过屡次散射后显露出组织的屡次前向透射光子，传输途径为“蛇形”的蛇形光子，它们传输的途径与直接透过乳腺组织的光子不同，所需求破费的传输时间不同，这就形成透射后的光子被探测到的时间不相同，招致探测到的光信号呈现出延迟的状态。

　　出射光的强度遭到了削减，主要缘由是由于入射光映照到乳腺组织上，有一局部的光直接在乳腺外表反射没有进入乳腺内部，在进入乳腺内部的光子中又有一些光子直接被组织吸收，还有一些在经过了屡次散射后反向穿过了组织而不被探测到。由能量守恒定律可知，光在经过乳腺后光强变弱，呈现出削减的状态。

　　2.1.2 功率谱、相互关结果及剖析 将接纳到的光强值停止功率谱和相互关函数的运算，如图5 所示，其功率谱单一，主峰明晰，并且除了主峰外简直没有或有少量的次频峰呈现，主峰的峰宽较窄(频峰曲线的底部长度较短)，曲线频率变化快。两个波长的功率谱吻合性好，760nm的功率谱和850nm的功率谱简直重合。

　　如图5所示正常女性乳腺血管或是组织的相互关曲线，波形有明显的波峰和波谷，波形的幅度和节律呈周期性变化。相互关系数R分为-0.8812和-0.8737，两个相互关系数都接近-1，相关性好。

　　2.2 病变乳腺

　　2.2.1 光信号波形结果及剖析 该名患者经病理诊断为纤维瘤。图6为患者的乳腺红外热图，在图中标志的Ⅰ表示是病变部位的取点，Ⅱ表示的是正常部位血管的取点，Ⅲ表示的是正常部位组织的取点。

　　图7是患者出射光信号的波形图，经过比照图中正常部位组织或是血管的波形能够看出，病变部位的波形表现出周期性差，波形构造异常，光强削弱等情况。产生这种情况的缘由有两种：

　　第一、由于乳腺病变组织的构造发作异常，招致了光在乳腺中的传播途径发作了异常，最终招致承受到的光信号波形丧失周期性。

　　第二、乳腺病变部位的代谢发作功用性异常，招致该部位去氧血红蛋白和含氧血红蛋白的吸收波形呈现反常。

　　2.2.2 功率谱、相互关结果及剖析 图8是患者的功率谱。比拟患病部位和正常部位的功率谱，患病部位的功率谱在主峰四周产生了许屡次频峰，并且纵坐标表示的相对强度削弱。如图9所示，患病部位的相互关曲线也发作很大的变化，与正常部位相比，病变部位的相互关曲线上呈现了许多毛刺，相关系数较大的偏离-1，病变部位的相关性与其正常部位的相关性相比相关性较差。3 结论

　　本文采用了自行设计的实验设备对多名正常和患病女性乳腺停止了动态检测。结果标明：(1)安康女性乳腺光信号波形规律性好，波形完好，相对入射波而言有一定的延迟。患病乳腺部位的光信号波形周期性差，波形构造异常，与患者乳腺正常部位相比，光强削弱。(2)安康女性乳腺的功率谱，主峰明晰，除主峰之外简直没有或有少量的次频峰呈现，主峰的峰宽较窄，曲线频率变化快。两个波长的功率谱吻合性好。患病乳腺部位的功率谱在主峰四周产生了许屡次频峰，与其正常部位相比纵坐标表示的相对强度削弱。(3)安康女性乳腺的相互关系数接近-1，患病乳腺的相互关系数较大偏离-1。因而笔者以为，乳腺的光信号波形、功率谱、相互关曲线、相互关系数对判别乳腺疾病可以提供重要的根据。本文在对与患病乳腺，特别是恶性肿瘤，还需更屡次的检测。

　　(本文图片见附页)

【参考文献】
  　1 B Chance,M Cope,E Gratton,et al.Phase measurement of light absorption and scatter in the human tissue. Review of Scientific Instruments,1998,69(10):3457-3481.

　　2 吴龟灵.混浊介质中近红外光子扩散理论与检测技术研讨.博士学位论文，华中科技大学，2001，1-20.

　　3 VV Tuchin.Tissue Option:Light scattering methods and instruments for medical diagnosis. SPIE Tutorial Texts in Optical Engineering,TT38,Washington,2000.

　　4 B Chance, QM Luo.Optical investigation of Physiology, A study of biomedicalcontrast: intrinsic and extrinsic. Proc. Royal Society B,1997, 707-716.

　　5 Shudong Jiang, Brian W. Pogue, Keith D. Paulsen, et al. In vivo near-infrared spectral detection of pressure-induced changes in breast tissue. Optics Letters, 2003, 28(14): 1212-1214.

　　6 A Roggan,K Dorschel,O Minet.The optical properties of Biological tissue in the near infrared wavelength range: review and measurements.Laser-induced interstitial thermotherapy,SPIE Press，1995，10-44