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【摘要】 目的 研究乳腺组织的近红外光学特性。方法 利用760nm和850nm两种近红外脉冲光对健康乳腺和患病乳腺进行检测。通过自行设计的实验设备接收透过乳腺后的光信号，应用功率谱和相关函数的方法对采集到的光信号进行数据分析。结果与结论 得出健康乳腺的出射光波形曲线光滑，周期性好，其功率谱主峰清晰，除了主峰之外几乎没有或少有次频峰出现，其互相关性好，互相关系数接近-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出现许多次频峰，其互相关系数较大偏离-1。
【关键词】 近红外脉冲光;功率谱;互相关;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
光学方法有其独特的优越性，在医学研究上得到了广泛的运用。光在经过组织时被吸收和散射，因此光的透射光和散射光中包含了组织的结构和功能特性等信息，研究组织的光学特性对研究该组织的结构和功能特性有直接关系[1,2]。通过研究光透过组织后的这些光学参量可以对组织功能和组织病变的诊断提供依据。与其他医学检测方法相比，光学检测技术实现了真正的无损检测，并且价格便宜，携带方便，受到广大医学工作者的关注。
本文是基于近红外脉冲光透射乳腺组织来研究乳腺的动态光学特性，在本文实验中利用760nm和850nm两种近红外脉冲光透射乳腺组织，通过近红外探头对乳腺感兴趣区域进行动态检测，并对透射光信号进行功率谱和互相关函数的计算，而后对计算结果进行分析，研究乳腺组织的光学特性。
1 基本原理
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根据其经历可分成吸收、散射、反射和透射等过程，如图1所示，光子可以分成直接反射光子、弹道(平行)透过光子、散射光子和最终被吸收的光子[4]。描述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究吸收系数(μa)、散射系数(μa )、各向异性因子(g)等描述生物组织光学特性的参数，利用这些光学参数可以定量的描述组织的光学效应。吸收系数和散射系数可以用来表征生物组织对光的吸收和散射能力的大小，有效透射深度则可表示光在组织中的穿透能力[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造成，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情况，850nm代表的是含氧血红蛋白的吸收情况。
根据原理设计实验系统。整个实验系统包括硬件协助部分和软件控制部分，硬件部分由光源、光源驱动电路、近红外探头、数据采集卡组成。软件控制部分主要负责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趣部位进行取点，并取得一定时间间隔内该点灰度值的变化曲线。对获得的灰度值曲线计算功率谱和互相关函数并显示。
硬件部分：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照射区域发光均匀。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。
软件部分的开发平台是Visual C++6.0，软件部分实现对近红外探头的监控，进行数据采集，并且对采集后的数据进行功率谱和相关函数的计算，最终将处理的结果显示。
2 实验结果及分析
实验在暗室的环境下进行，分别对多名正常和患病女性乳腺进行了动态检测，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、功率谱图和互相关图。
2.1 正常乳腺
2.1.1 光信号波形结果及分析 图4是正常女性乳腺的波形，由图4可观察到，虽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，波形形状完整。
波形出现被削减的状态可以根据光子在乳腺中的传播示意图得到解释，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，经过多次散射后透出组织的多次前向透射光子，传输路径为“蛇形”的蛇形光子，它们传输的路径与直接透过乳腺组织的光子不同，所需要花费的传输时间不同，这就造成透射后的光子被探测到的时间不相同，导致探测到的光信号呈现出延迟的状态。
出射光的强度受到了削减，主要原因是由于入射光照射到乳腺组织上，有一部分的光直接在乳腺表面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，还有一些在经过了多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、互相关结果及分析 将接收到的光强值进行功率谱和互相关函数的运算，如图5 所示，其功率谱单一，主峰清晰，并且除了主峰外几乎没有或有少量的次频峰出现，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的功率谱几乎重合。
如图5所示正常女性乳腺血管或是组织的互相关曲线，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。互相关系数R分为-0.8812和-0.8737，两个互相关系数都接近-1，相关性好。
2.2 病变乳腺
2.2.1 光信号波形结果及分析 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，在图中标记的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，通过对比图中正常部位组织或是血管的波形可以看出，病变部位的波形表现出周期性差，波形结构异常，光强减弱等状况。产生这种状况的原因有两种：
第一、由于乳腺病变组织的结构发生异常，导致了光在乳腺中的传播路径发生了异常，最终导致接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生功能性异常，导致该部位去氧血红蛋白和含氧血红蛋白的吸收波形出现反常。
2.2.2 功率谱、互相关结果及分析 图8是患者的功率谱。比较患病部位和正常部位的功率谱，患病部位的功率谱在主峰周围产生了许多次频峰，并且纵坐标表示的相对强度减弱。如图9所示，患病部位的互相关曲线也发生很大的变化，与正常部位相比，病变部位的互相关曲线上出现了许多毛刺，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进行了动态检测。结果表明：(1)健康女性乳腺光信号波形规律性好，波形完整，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，波形结构异常，与患者乳腺正常部位相比，光强减弱。(2)健康女性乳腺的功率谱，主峰清晰，除主峰之外几乎没有或有少量的次频峰出现，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周围产生了许多次频峰，与其正常部位相比纵坐标表示的相对强度减弱。(3)健康女性乳腺的互相关系数接近-1，患病乳腺的互相关系数较大偏离-1。因此笔者认为，乳腺的光信号波形、功率谱、互相关曲线、互相关系数对判断乳腺疾病能够提供重要的依据。本文在对与患病乳腺，尤其是恶性肿瘤，还需更多次的检测。
(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究.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.