CN103149177A - 压力调制近红外光谱实现生物组织检测的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种压力调制近红外光谱实现生物组织检测的装置和方法，根据生物组织形变过程中压力与光谱测量结果，实现生物组织生理状态判断以及容积差光谱测量：分别测量生物组织漫反射光谱随压力大小以及作用时间的变化，对测量光谱进行多元散射校正以及二阶导数处理，得到自由水以及结合水含量变化，分别将两者与压力大小以及作用时间进行拟合处理，根据拟合曲线趋势，判断组织生理状态；将不同压力下得到漫反射光谱进行差分处理，将组织中水含量变化作为参考，扣除组织生理背景，得到组织成分光谱净信号。本发明提供的方法可以实现生物组织生理状态的快速检测，提高组织成分光谱检测精度。

Description

压力调制近红外光谱实现生物组织检测的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种测量生物组织性质以及成分的装置和方法。特别是涉及一种压力调制近红外光谱实现生物组织检测的装置和方法。

背景技术

生物组织的主要组成包括蛋白质，脂肪，水等，其中组织中的水占生物组织总体积的70%左右，生物组织中各种成分含量与其生理状态密切相关，并作为判断生物组织病变以及生理变化的依据。在对生物组织成分以及生理病理状态进行无损检测的研究中，生物组织的力学以及光学性能与生物组织的生理形态功能有着密切相关的联系，通过测量生物组织力学以及光学参数，不仅可以实现生物组织生理状态的诊断，还可以测量其中各种成分具体含量。在之前的研究中，生物组织力学性质以及光学性质的测量往往采用不同的测量系统，分别获取生物组织力学以及光学特性，由于两种参数的测量过程相对独立，信息量相对简单，而如果可以将力学性质以及光学测量相结合，则可以实现多种参数信息同时检测，增加了生理状态判断依据。

在生物力学参数测量研究中，郑永平等人在《应用于组织力学性能分析的光学印压系统研究》（中国医疗装备，2011年第26卷，第1期）中提到应用印压法测量法生物力学性能，根据光学成像变化，分析生物组织受压后形变，根据压力大小以及组织形变大小，计算生物组织力学性质，实现了生物组织力学性能的无损检测，可以应用于生物组织如皮肤，肌肉和骨头的力学性能分析。但是其测量过程中，并没有考虑到形变过程中组织中水体积变化，而在根据生物组织组成，组织中的水含量以及存在状态与生物组织生理状态密切相关，如何在组织形变以及力学性质测量的同时，测量组织中各种成分，尤其是不同存在状态水分子含量变化的测量，对于定量分析生物组织生理特性具有极其重要的意义。

而在组织成分光学检测研究中，常采用光谱方法建模预测组织成分含量，检测目标主要包括蛋白质，脂肪大分子以及血糖，胆固醇，甘油等小分子物质。生物组织中的水对近红外光的吸收十分严重，血液中90%以上的成分是水，而葡萄糖、胆固醇、甘油三酯等成分的含量都很低。而且生物组织是很强的近红外吸收体，可以用于分析的信息被淹没在这些很强的背景中。若要精确检测生化成分的变化信息，需要信噪比非常高的仪器。此外测量过程中个体之间或同一个体不同部位的差异以及测量部位定位不准等问题，也容易造成测量光谱误差并影响建模预测精度。如何在光谱测量中扣除生物组织背景噪声，减小测量部位变化误差，也是提高生物组织成分光谱检测方法精度的关键。

本发明基于以上两种需要，将生物组织力学性质以及光谱测量相结合，设计了压力调制光谱测量的装置以及方法，可以实现组织形变过程中力学参数以及光谱的同时测量，得到生物组织形变过程中自由水以及结合水各自体积变化，并以此为依据实现生物组织生理状态诊断，同时实现主动干预式容积差光谱检测，减小了光谱测量过程中个体差异以及测量位置变化影响，利用容积差光谱检测实现了差分光谱检测，提高了检测精度以及重复性。

本专利所设计的压力调制光谱测量方法基于生物组织结构以及组成成分特点，提出了生物组织固液两相模型假设及其形变机理，在该模型基础上，生物组织在压力作用下形变与压力大小以及作用时间呈非线性关系，由生物组织中固相骨架形变以及液态流体流动过程决定。在不同压力调制作用下，生物组织形变，自由水以及结合水含量变化与生物组织特性密切相关。

根据生物组织视为固相与液相结合的两相模型，生物组织可以视为由固态骨架以及充满其中的液态水组成。固态骨架由弹性纤维，胶原蛋白等组成，主要成分为蛋白质以及脂肪；液相水组成为组织液，细胞外液，细胞内液等。由于水分子较强的极性，在生物组织中存在状态比较复杂，按照结合状态不同可以分为自由水以及结合水，其中10%水属于紧密结合水通过氢键与胶原蛋白等紧密结合，10-40%左右为疏松结合水，氢键连接不十分紧密，结合水均被固相骨架约束，流动性较差；其他为自由水，在组织中流动性较强，具有牛顿流体特性。根据模型假设皮肤组织宏观上表现出来的力学性质由组织中固态以及液态物质特性以及各自含量决定。外界压力作用下，生物组织形变可近似为海绵模型，固态骨架被压缩，孔隙减小，组织的自由水被挤出压力作用区域，皮肤组织应变主要是固相骨架形变以及存在于其结构中的液相水的迁移。其中固相骨架代表了机械力学形变，而液态水具有牛顿流体特性，其迁移代表了组织的时变特性，在两者共同作用下，生物组织力学特性在宏观上表现为蠕变，应力松弛以及非线性形变等粘弹特性在力学性质。生物组织在压力作用下的变化特性与其含量水量以及自由水和结合水比例密切相关，通过测量应力大小，形变过程中两种水含量变化就可以得到组织力学性质，并可以作为判断生物组织特性以及病理状态的依据。

采用压力调制光谱测量，可以实现光谱测量过程中对生物组织中组织液等液体成分的主动干预容积差分检测，有利于消除个体差异以及测量部位变化对于光谱测量的影响，提高光谱测量重复性。在主动干预容积差检测方法中，将生物组织中的水可以作为生物组织中其他成分测量的参考，可以利用压力作用前后，组织中的水体积变化以及反应到测量光谱差异中的血糖，甘油，胆固醇等小分子物质含量变化结合起来，通过差分光谱处理得到小分子物质的净光谱信号，从而扣除组织的强背景干扰，去除水吸收影响，提高光谱检测精度以及重复性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种压力调制近红外光谱实现生物组织检测的装置和方法，实现生物组织生理特性检测以及主动干预容积差近红外光谱测量。

本发明所采用的技术方案是：一种利用压力调制近红外光谱测量生物组织成分的装置，包括有光源和一端与光源连接的入射光纤束，还设置有：工控机，与工控机的信号输入端相连接的光谱仪，一端与光谱仪的输入端相连的接收光纤束，所述的入射光纤束和接收光纤束的另一端共同构成用于触压生物组织的光纤探头，所述的光纤探头端面的侧边固定设置有压力传感器，所述的压力传感器的下表面与所述的光纤探头的端面位于同一平面，所述的压力传感器信号输出端与工控机的信号输入端相连接。

所述的光纤探头上部的光纤束部分通过光纤加持器固定在移动平台上。

所述的光纤探头的结构构成是：入射光纤束位于中心，所述的入射光纤束的外周由里至处依次套有内套筒、接收光纤束和外套筒。

一种利用压力调制近红外光谱测量生物组织成分的装置的测量方法，包括如下步骤：

1）通过移动平台移动光纤探头至被测生物组织表面；

2）压力传感器测量压力，并将所测量的信号送入工控机；

3）根据传感器所测的信号判断光纤探头是否与被测生物组织表面接触，是进入下一步骤，否则返回步骤1）；

4）通过光谱仪测量被测生物组织漫反射光谱，然后分别进入步骤5）和步骤7）；

5）使光纤探头对被测生物组织施加压力，压力传感器再次测量压力以及光纤探头位移，并将所测量的信号送入工控机，通过光谱仪再次测量被测生物组织漫反射光谱，分别记录光谱信号以及相应的接触压力值。

步骤5）包括测量生物组织漫反射光谱随压力作用时间的变化和测量生物组织漫反射光谱随压力大小变化两种情况，其中，所述的测量生物组织漫反射光谱随压力作用时间的变化：移动平台4控制光纤探头以一定压力作用于生物组织，保持光纤探头位移不变，光谱仪2测量生物组织漫反射光谱随压力作用时间变化，压力传感器5实时测量光纤探头作用在生物组织上的压力；测量生物组织漫反射光谱随压力大小变化：移动平台4控制光纤探头以一定位移作用压力于被测生物组织，待生物组织形变平衡后，压力传感器5测量光纤探头8的压力，记录光纤探头位移以及组织形变大小，光谱仪2测量漫反射光谱，移动平台4控制光纤探头向下位移过程中重复以上测量步骤，得到在不同压力作用下，被测生物组织漫反射光谱。

一种对采用测量方法得到的光谱信号以及相应的接触压力值进行生物组织生理状态的检测方法，包括如下步骤：

1）对不同压力调制方式下测量得到的生物组织压力调制漫反射光谱进行多元散射校正以及二阶导数处理，消除极限漂移减少测量背景噪声干扰，分辨出生物组织中自由水以及结合水吸收峰；

2）提取二阶导数谱中1160nm以及1220nm两个波长下的吸收峰，分别代表了组织中自由水以及结合水变化特征，将两者分别与压力作用大小以及作用时间进行拟合处理，根据拟合曲线趋势，判断待测组织生理状态；

一种对采用测量方法得到的光谱信号以及相应的接触压力值进行主动干预容积差光谱测量法，包括如下步骤：

1）对测量得到不同压力调制下生物组织漫反射光谱，根据二阶导数谱中1160nm以及1220nm两个特征波长吸收峰幅度分别得到生物组织中自由水与结合水含量变化，从而计算出组织中自由水以及结合水含量变化。

2）将不同压力下得到的漫反射光谱进行差分处理，得到扣除生理背景后的差分光谱信号，差分光谱信号主要与压力作用前后生物组织中水含量变化以及其中的血糖，胆固醇小分子物质含量变化有关，生物组织中，血糖以及胆固醇等小分子物质均溶解在生物组织中的自由水中，将压力作用前后组织中自由水体积变化作为测量参考，对差分光谱进行处理，得到光谱中所含生物组织成分变化净信号。

3）处理后差分光谱，只包含组织中血糖，胆固醇等小分子物质含量变化信息，将其作为生物组织成分测量净信号，扣除待测生物组织样品的背景漂移等，可以有效提高测量信噪比，在差分光谱处理基础上进行PLS建模等处理，可以更准确得到生物组织中血糖、胆固醇分的含量信息。

本发明的压力调制近红外光谱实现生物组织检测的装置和方法，采用不同压力调制方式作用于生物组织，测量其漫反射光谱，根据光谱变化得到在生物组织中自由水以及结合水变化，作为判断待测组织特性的依据。同时根据发明提出的压力调制差分光谱检测方法还可以实现差分光谱检测，利用组织中水含量变化作为容积变化参考，提高容积差光谱方法测量生物组织成分精度。此外采用本专利中提到的压力调制方法还可以增加光穿透深度，提高光学成像范围以及光动力疗法的有效穿透深度。

附图说明

图1是本发明装置的整体结构示意图；

图2是本发明装置中光纤探头的结构示意图；

图3是本发明方法的流程图；

图4是生物组织吸收光谱二阶导数谱图；

图5是正常生物组织中自由水以及结合水随压力作用大小调制变化曲线图；

图6是正常生物组织中自由水以及结合水随压力作用时间调制变化曲线图；

图7是热处理后生物组织中自由水以及结合水随压力作用大小调制变化曲线图；

图8是热处理后生物组织中自由水以及结合水随压力作用时间调制变化曲线图；

图9是压力差分光谱与漫反射光谱测量重复性比较。

图中

1：光源            2：光谱仪

3：工控机          4：移动平台

5：压力传感器      6：光纤加持器

7：接收光纤束      8：光纤探头

9：内套筒          10：外套筒

11：生物组织       12：入射光纤束

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的压力调制近红外光谱实现生物组织检测的装置和方法做出详细说明。

本发明在所述压力调制光谱检测装置的基础上，测量生物组织在不同压力下形变，压力大小以及漫反射光谱变化，测量波长范围是1100nm-1700nm，根据这一波长范围内的光谱测量结果可以得到组织中自由水以及结合水含量变化。

生物组织主要组成成分为水，蛋白质，脂肪等，主要吸收基团及其吸收峰如表1所示：

表1

生物组织中水含量丰富，体积比在70%以上，根据其存在形态可以分为自由水以及结合水：

自由水是指在生物体内或细胞内可以自由流动的水，是良好的溶剂和运输工具，具有牛顿流体特性，在流动过程中把营养物质输送到细胞，又把代谢废物运到各器官，因此其含量与组织新陈代谢程度密切相关。结合水与固相骨架中大分子结合，存在于细胞间隙以及弹性纤维结构。

结合水是指在细胞内与其它物质结合在一起的水。水是极性分子，氧原子侧带部分负电荷，氢原子侧带部分正电荷，因此水分子很容易与其他极性分子间形成氢键。生物组织固相骨架主要由蛋白质组成，水分子能够与蛋白质中的羰基、氨基、羟基、酰胺基或亚氨基形成氢键。一个水分子甚至可以在一个大分子的两个部位间或两个大分子间通过氢键形成“水”桥，水分子与蛋白质分子通过氢键连接，分子间亲和力增大，粘度变大，流动性变弱，结合水不再能溶解其他物质水不参与代谢作用，结合水的结合力很大往往与其结合的大分子一起运动，因此压力作用于组织后，结合水很难被挤压出作用区域。

压力调制漫反射光谱测量过程中，生物组织结构以及成分的变化过程可以描述为：光纤探头以一定压力作用于组织，生物组织固态骨架被压缩，孔隙减小，组织的自由水被挤出压力作用区域。生物组织形变的时间特性主要与组织中的水在压力作用下的流动有关，形变与压力大小的关系则由生物组织中胶原纤维力学性质决定。生物组织成分以及性质不同，压力调制漫反射光谱随压力大小以及作用时间变化特性不同，根据漫反射光谱测量结果可以得到压力作用下生物组织内不同种类水含量的变化，并作为判断生物组织特性以及生理病理状态的依据，同时在差分光谱处理中，将组织中水作为参考，提高组织中其他物质含量测量精度。

生物组织受到压力作用后光学参数以及光谱特性改变机理可以描述为：压力作用下，生物组织内部结构变得更为紧密，作用区域内组织间液体积减小，组织固态骨架与细胞间液折射率不匹配程度变小，同时组织厚度减小引起散射粒子浓度变大，并且占主要地位，受压组织区域内散射系数变化主要由散射粒子浓度增强决定。生物组织吸收特性随压力变化主要原因是组织中的自由水在压力作用下被挤出压力作用区域，反映在光谱测量结果为水的吸收峰附近光谱值的改变。压力作用下其光学参数的改变可以通过漫反射光谱测量并通过相应的光谱处理方法得到，从而得到压力调制作用下，组织中自由水以及结合水的动态变化过程，而组织中自由水以及结合水的动态变化过程又反映了组织中各种成分含量极其力学性质，不同生理状态组织在压力作用下的变化过程不同，从而可以将组织压力调制光谱变化作为判断组织生理状态的依据。实验结果如附图5-8所示。

除此之外，采用压力调制光谱测量，可以实现光谱测量过程中对生物组织中组织液等液体成分的主动干预容积差分检测，有利于消除个体差异以及测量部位变化对于光谱测量的影响，提高光谱测量重复性。生物组织中主要成分是水，在进红外波长下，水吸收较大，在光谱测量结果中，其他物质含量信息往往淹没在较强的水吸收中，同时生物组织强背景也会对测量造成比较大的干扰。在主动干预容积差检测方法中，将生物组织中的水可以作为生物组织中其他成分测量的参考，可以利用压力作用前后，组织中的水体积变化以及反应到测量光谱差异中的血糖，甘油，胆固醇等小分子物质含量变化结合起来，通过差分光谱处理得到小分子物质的净光谱信号，从而扣除组织的强背景干扰，去除水吸收影响，在无创条件下获得生物组织差分光谱。根据朗伯—比尔定律，相减中自然扣除了生物组织背景的干扰，同时将压力作用下组织中水含量变化最为参考，提取出只表征容积改变的生物组织成分信息的有效光谱；我们将这种方法称为“主动干预容积差光谱测量法”。采用这种方法可以有效提高测量重复性，减小光谱测量时域误差，测量重复性如图9所示。

如图1所示，本发明中应用的压力调制近红外光谱测量装置，包括有光源1和一端与光源1连接的入射光纤束12，其特征在于，还设置有：工控机3，与工控机3的信号输入端相连接的光谱仪2，一端与光谱仪2的输入端相连的接收光纤束7，所述的入射光纤束12和接收光纤束7的另一端共同构成用于触压生物组织9的光纤探头8，所述的光纤探头8端面的侧边固定设置有压力传感器5，所述的压力传感器5的下表面与所述的光纤探头8的端面位于同一平面，所述的压力传感器5信号输出端与工控机3的信号输入端相连接。所述的光纤探头8上部的光纤束部分通过光纤加持器6固定在移动平台4上。

如图2所示，所述的光纤探头8的结构构成是：入射光纤束12位于中心，所述的入射光纤束12的外周由里至外依次套有内套筒9、接收光纤束7和外套筒10。

本发明的利用压力调制近红外光谱测量生物组织成分的装置的工作过程如下：

1、采用移动平台4控制光纤探头8与待测生物组织接触，采用压力传感器5测量光纤探头8与生物组织的接触压力并判断光纤探头与待测生物组织接触情况，在光纤测头与待测生物组织刚好接触的情况下，光谱仪2测量组织漫反射光谱。

2、利用移动平台4控制光纤探头8以一定位移作用压力于待测生物组织，引起其组织形变，光谱仪2测量漫反射光谱；光纤探头作用于待测生物组织压力由压力传感器5进行测量。

因此，本发明的利用压力调制近红外光谱测量生物组织成分的装置可以测量生物组织在不同压力作用下的光谱，如：

测量生物组织漫反射光谱随压力作用时间的变化：移动平台4控制光纤探头以一定压力作用于生物组织，保持光纤探头位移不变，光谱仪2测量生物组织漫反射光谱随压力作用时间变化，压力传感器5实时测量光纤探头作用在生物组织上的压力。

测量生物组织漫反射光谱随压力大小变化：移动平台4控制光纤探头以一定位移作用压力于被测生物组织，待生物组织形变平衡后，压力传感器5测量光纤探头8的压力，光谱仪2测量漫反射光谱，移动平台4控制光纤探头向下位移过程中重复以上测量步骤，得到在不同压力作用下，被测生物组织漫反射光谱。

如图3所示，本发明的利用压力调制近红外光谱测量生物组织成分的装置的测量方法，包括如下步骤：

1）通过移动平台移动光纤探头至被测生物组织表面；

2）压力传感器测量压力，并将所测量的信号送入工控机3；

3）根据传感器所测的信号判断光纤探头是否与被测生物组织表面接触，是进入下一步骤，否则返回步骤1）；

4）通过光谱仪测量被测生物组织漫反射光谱，然后分别进入步骤5）和步骤7）；

5）使光纤探头对被测生物组织施加压力，压力传感器再次测量压力以及光纤探头位移，并将所测量的信号送入工控机3，通过光谱仪再次测量被测生物组织漫反射光谱，分别记录光谱信号。

该步骤包括测量生物组织漫反射光谱随压力作用时间的变化和测量生物组织漫反射光谱随压力大小变化两种情况，其中，所述的测量生物组织漫反射光谱随压力作用时间的变化：移动平台4控制光纤探头以一定压力作用于生物组织，保持光纤探头位移不变，光谱仪2测量生物组织漫反射光谱随压力作用时间变化，压力传感器5实时测量光纤探头作用在生物组织上的压力；测量生物组织漫反射光谱随压力大小变化：移动平台4控制光纤探头以一定位移作用压力于被测生物组织，待生物组织形变平衡后，压力传感器5测量光纤探头8的压力，记录光纤探头位移以及组织形变大小，光谱仪2测量漫反射光谱，移动平台4控制光纤探头向下位移过程中重复以上测量步骤，得到在不同压力作用下，被测生物组织漫反射光谱。以及相应的接触压力值。

对利用压力调制近红外光谱测量生物组织成分的装置的测量方法得到的光谱信号以及相应的接触压力值进行生物组织生理状态的检测方法，包括如下步骤：

1）对不同压力调制方式下测量得到的生物组织压力调制漫反射光谱进行多元散射校正以及二阶导数处理，消除极限漂移减少测量背景噪声干扰，分辨出生物组织中自由水以及结合水吸收峰；

2）提取二阶导数谱中1160nm以及1220nm两个波长下的吸收峰，分别代表了组织中自由水以及结合水变化特征，将两者分别与压力作用大小以及作用时间进行拟合处理，根据拟合曲线趋势，判断待测组织生理状态；

多元散射校正（MSC）是基于散射与波长有关，并且对光谱的贡献与成分吸收特征贡献不同的假设，通过光谱上多个波长点的回归分析可以将两部分分开。首先假设每条光谱都应该与理想光谱成线性关系，每个样品任意波长点下的反射吸光度与其平均光谱的相应吸光度的光谱是近似线性关系，其斜率与截距可以通过测量光谱集线性回归得到，利用回归模型参数可以校正每条测量光谱，从而得到消除散射特征后的理想光谱。根据本发明专利中利用压力调制光谱测量装置得到的生物组织漫反射光谱特性，具体计算过程如下

首先计算平均光谱: $\stackrel{\‾}{A_j}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i/n---\left(1\right)$

然后进行线性回归： $A_i=m_i{\stackrel{\‾}{A_i}+b}_i---\left(2\right)$

最后对测量到光谱进行校正： $A_{i\left(\mathrm{MSC}\right)}=\frac{A_i-b_i}{m_i}---\left(3\right)$

公式中A是校正集光谱矩阵，Ai为第i个样品的光谱，mi和bi是第i个光谱Ai与平均光谱A的线性回归斜率与截距。经过MSC处理后漫反射光谱再进一步进行标准化处理（SNV）,散射变化影响基本消除，更有利于提取组织的吸收信息。

在近红外波段内，吸收特征主要是不同化学键合频以及倍频振动，谱带较宽，并且重叠现象比较验证，特别是水分子其吸收谱段更宽，因此需要对漫反射光谱进行二阶导数处理，。本文中求漫反射光谱二阶导数谱是利用Savitzky Golay多项式拟合的方法得到的，利用权重系数确定平滑函数来对原光谱进行卷积处理，采用25点2次平滑方法，公式为：

$\frac{d^{2}y}{d{\mathrm{\λ}}^2}=\frac{1}{7\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}^2}(-2y_{i-2}-y_{i-1}+2y_i+y_{i+1}+y_{i+2})---\left(4\right)$

根据压力调制作用下，二阶导数谱中吸收峰幅度变化，分析得到组织中自由水以及结合水含量变化，从而得到组织形变机理以及对光谱测量的影响。对吸收光谱进行二阶导数处理，一方面可以有效消除极限漂移减少测量背景噪声干扰，另一方面通过导数处理可以得到比原光谱更高的分辨率和更清晰的光谱轮廓变化，可以清晰分辨出生物组织中各个基团吸收峰，特别是结合水以及自由水。

吸收光谱经过二阶导数处理后，吸收特征峰变成二阶导数谱中的波谷，生物组织吸收光谱经二阶导数处理后如图4所示。

在二阶导数谱中可以清晰分辨生物组织在1160nm以及1220nm处存在两个明显吸收峰。在近红外波段内，水分子合频吸收带主要有两个，较强的在1940nm，较弱的在1200nm附近。生物组织中的液态水由于分子缔合，吸收带细节消失形成较宽的频带，水分子分子通过氢键与蛋白质结合后，OH键伸缩振动频率产生红移而弯曲振动频率蓝移，生物组织中自由水以及结合水OH合频吸收峰如下所示：

自由水：3615cm^-1+1640cm^-1+3450=8705cm^-1(1150左右)；

结合水OH：3260+3260+1640=8160cm^-1（1225nm左右）；

在图4的二阶导数谱中可以清晰分辨出生物组织中自由水以及结合水吸收峰，在本专利的所叙述的光谱数据建模处理方法中，根据两个峰值大小计算出组织中自由水以及结合水含量改变情况，并将两者作为判断生物组织生理特性以及容积差光谱容积变化的依据。

根据测量不同压力作用下待测组织漫反射光谱，根据被测生物组织中自由水以及结合水含量的变化，得到生物组织的组织特性和生理情况。

不同状态生物组织在压力调制方式下，表现出不同的漫反射光谱变化规律，特别是1160nm以及1220nm的自由水与结合水吸收峰，在压力作用下二阶导数谱值的变化规律差异更为明显。图5～图8分别比较了正常生物组织以及加热处理后生物组织在两种压力调制方式下光谱变化情况，可以看出不同状态生物组织在1160nm以及1220nm两个波长处二阶导数谱值随压力大小以及压力作用时间变化规律不同。因此根据本发明的测量方法可以对生物组织状态进行分析。

此外根据图5～图6的结果，在压力作用于正常生物组织产生形变的过程中，二阶导数谱中，1160nm处自由水吸收明显减小。而结合水由于通过氢键与蛋白质等连接，且包含在弹性纤维骨架阵列中，在压力作用下不容易被挤出作用区域，随着皮肤体积减小，结合水体积比相对变大，吸收增大。由于生物组织成分检测研究中，葡萄糖等多种成分溶解在自由水中，压力作用下自由水体积的变化直接反映了自由水中成分的改变，在容积差光谱检测研究中，将自由水作为测量参考物，可以提高其他成分测量精度，并提高测量重复性，其结果如图9所示。

一种对利用压力调制近红外光谱测量生物组织成分的装置的测量方法得到的光谱信号以及相应的接触压力值进行进行主动干预容积差光谱测量法，包括如下步骤：

1）对测量得到不同压力调制下生物组织漫反射光谱，根据二阶导数谱中1160nm以及1220nm两个特征波长吸收峰幅度分别得到生物组织中自由水与结合水含量变化，从而计算出组织中自由水以及结合水含量变化。

2）将不同压力下得到的漫反射光谱进行差分处理，得到扣除生理背景后的差分光谱信号，差分光谱信号主要与压力作用前后生物组织中水含量变化以及其中的血糖，胆固醇小分子物质含量变化有关，生物组织中，血糖以及胆固醇等小分子物质均溶解在生物组织中的自由水中，将压力作用前后组织中自由水体积变化作为测量参考，对差分光谱进行处理，得到光谱中所含生物组织成分变化净信号。

3）处理后差分光谱，只包含组织中血糖，胆固醇等小分子物质含量变化信息，将其作为生物组织成分测量净信号，扣除待测生物组织样品的背景漂移等，可以有效提高测量信噪比，在差分光谱处理基础上进行PLS建模等处理，可以更准确得到生物组织中血糖、胆固醇分的含量信息；

利用本发明中所述压力调制漫反射光谱测量装置可以实现主动干预容积差光谱测量，从而达到用来减小测量个体差异，提高测量重复性的目的。将组织中水含量变化作为测量参考还可以提高生物组织中血糖等成分含量测量精度。其原理可以描述为：在压力作用下，组织中水含量变化可以根据1160nm以及1220nm两个波长的二阶导数谱值得到，组织中水含量变化不仅直接造成漫反射光谱变化，并且由于生物组织中血糖以及胆固醇等小分子物质均溶解在组织中的水中，因此，组织中的水在压力作用下体积的变化也反映了生物组织中其他成分含量变，同理通容积差分处理，就可以扣除光谱测量结果中生物组织背景信号，得到组织中成分改变净信号，将压力作用前后水分变化量作为参考可以得到组织容积变化，根据容积差以及漫反射光谱测量结果，可以对生物组织中其他成分进行建模预测。

此外采用本发明的利用压力调制近红外光谱测量生物组织成分的装置，还可以增加活体光学检测以及光动力疗法研究中光穿透深度，其机理简述为：探头压力作用下，受压区域组织结构改变，水被挤出，由于水在近红外区域内具有比较大的吸收作用，水含量减小增加了透射光强度，另一方面由于水含量减少，组织中折射率不匹配程度降低，散射系数减小，两者共同作用实现光穿透深度的增加。

Claims (7)

1.一种利用压力调制近红外光谱测量生物组织成分的装置，包括有光源（1）和一端与光源（1）连接的入射光纤束（12），其特征在于，还设置有：工控机（3），与工控机（3）的信号输入端相连接的光谱仪（2），一端与光谱仪（2）的输入端相连的接收光纤束（7），所述的入射光纤束（12）和接收光纤束（7）的另一端共同构成用于触压生物组织（9）的光纤探头（8），所述的光纤探头（8）端面的侧边固定设置有压力传感器（5），所述的压力传感器（5）的下表面与所述的光纤探头（8）的端面位于同一平面，所述的压力传感器（5）信号输出端与工控机（3）的信号输入端相连接。 

2.根据权利要求1所述的利用压力调制近红外光谱测量生物组织成分的装置，其特征在于，所述的光纤探头（8）上部的光纤束部分通过光纤加持器（6）固定在移动平台（4）上。 

3.根据权利要求1所述的利用压力调制近红外光谱测量生物组织成分的装置，其特征在于，所述的光纤探头（8）的结构构成是：入射光纤束（12）位于中心，所述的入射光纤束（12）的外周由里至处依次套有内套筒（9）、接收光纤束（7）和外套筒（10）。 

4.一种权利要求1所述的利用压力调制近红外光谱测量生物组织成分的装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤： 

1）通过移动平台移动光纤探头至被测生物组织表面； 

2）压力传感器测量压力，并将所测量的信号送入工控机（3）； 

3）根据传感器所测的信号判断光纤探头是否与被测生物组织表面接触，是进入下一步骤，否则返回步骤1）； 

4）通过光谱仪测量被测生物组织漫反射光谱，然后分别进入步骤5）和步骤7）； 

5）使光纤探头对被测生物组织施加压力，压力传感器再次测量压力以及光纤探头位移，并将所测量的信号送入工控机（3），通过光谱仪再次测量被测生物组织漫反射光谱，分别记录光谱信号以及相应的接触压力值。 

5.根据权利要求4所述的利用压力调制近红外光谱测量生物组织成分的装置的测量方法，其特征在于，步骤5）包括测量生物组织漫反射光谱随压力作用时间的变化和测量生物组织漫反射光谱随压力大小变化两种情况，其中，所述的测量生物组织漫反射光谱随压力作用时间的变化：移动平台4控制光纤探头以一定压力作用于生物组织，保持光纤探头位移不变，光谱仪2测量生物组织漫反射光谱随压力作用时间变化，压力传感器5实时测量光纤探头作用在生物组织上的压力；测量生物组织漫反射光谱随压力大小变化：移动平台4控制光纤探头以一定位移作用压力于被测生物组织，待生物组织形变平衡后，压力传感器5测量光纤探头8的压力，记录光纤探头位移以及组织形变大小，光谱仪2测量漫反射光谱，移动平台4控制光纤探头向下位移过程中重复以上测量步骤，得到在不同压力作用下，被测生物组织漫反射光谱。 

6.一种对采用权利要求4所述的测量方法得到的光谱信号以及相应的接触压力值进行生物组织生理状态的检测方法，包括如下步骤： 

1）对不同压力调制方式下测量得到的生物组织压力调制漫反射光谱进行多元散射校正以及二阶导数处理，消除极限漂移减少测量背景噪声干扰，分辨出生物组织中自由水以及结合水吸收峰； 

2）提取二阶导数谱中1160nm以及1220nm两个波长下的吸收峰，分别代表了组织中自由水以及结合水变化特征，将两者分别与压力作用大小以及作用时间进行拟合处理，根据拟合曲线趋势，判断待测组织生理状态。 

7.一种对采用权利要求4所述的测量方法得到的光谱信号以及相应的接触压力值进行主动干预容积差光谱测量法，包括如下步骤： 

1）对测量得到不同压力调制下生物组织漫反射光谱，根据二阶导数谱中1160nm以及1220nm两个特征波长吸收峰幅度分别得到生物组织中自由水与结合水含量变化，从而计算出组织中自由水以及结合水含量变化。 

2）将不同压力下得到的漫反射光谱进行差分处理，得到扣除生理背景后的差分光谱信号，差分光谱信号主要与压力作用前后生物组织中水含量变化以及其中的血糖，胆固醇小分子物质含量变化有关，生物组织中，血糖以及胆固醇等小分子物质均溶解在生物组织中的自由水中，将压力作用前后组织中自由水体积变化作为测量参考，对差分光谱进行处理，得到光谱中所含生物组织成分变化净信号。 

3）处理后差分光谱，只包含组织中血糖，胆固醇等小分子物质含量变化信息，将其作为生物组织成分测量净信号，扣除待测生物组织样品的背景漂移等，可以有效提高测量信噪比，在差分光谱处理基础上进行PLS建模等处理，可以更准确得到生物组织中血糖、胆固醇分的含量信息。 

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