摘要 目的 針對(duì)腹部閉合性損傷和腹部出血診斷的困難，近紅外光譜技術(shù)是一種無(wú)創(chuàng)傷、無(wú)污染的腹部出血檢測(cè)的新方法。方法采用Monte Carlo方法 仿真近紅外光場(chǎng)分布模型。首先，建立了腹部多層組織的生物學(xué)模型。然后，為探究腹腔體液和血液對(duì)光子的吸收情況，對(duì)正常腹部和腹部出血時(shí)的光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行了仿真模擬。通過(guò)探究光源和探測(cè)器間距不同時(shí)的光強(qiáng)分布來(lái)確定腹部出血位置。同時(shí)，為確定出血量對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響和近紅外光在腹部的檢測(cè)深度，還對(duì)出血體積和檢測(cè)深度的規(guī)律進(jìn)行探究。結(jié)果 在模擬腹腔體液和血液對(duì)光子吸收時(shí)，二者對(duì)光子的吸收有較大區(qū)別。出血位置的仿真結(jié)果表明，當(dāng)出血位置在光源和探測(cè)器連線的中心位置靠光源側(cè)時(shí)檢測(cè)深度最深。近紅外光在腹部的檢測(cè)深度為48mm.在一定范圍內(nèi)，光強(qiáng)信號(hào)與出血體積成反比。結(jié)論 近紅外光譜技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)淺層腹部出血進(jìn)行檢測(cè)，并且具有較好的靈敏度。

　　

　　關(guān)鍵詞 MonteCarlo仿真；近紅外光譜；腹部檢測(cè)；檢測(cè)深度；陣列式分布

　　

　　0引言

　　

　　腹部創(chuàng)傷失血以及由此導(dǎo)致的休克是現(xiàn)代戰(zhàn)傷的主要死亡原因[1],也是現(xiàn)代社會(huì)年輕人的主要死亡原因之一[2].腹部創(chuàng)傷可分為開放性和閉合性損傷。由于閉合性損傷體表沒(méi)有傷口，損傷部位比較隱蔽，因此臨床診斷非常困難。此外腹部戰(zhàn)傷的死亡率與傷后至確診的時(shí)間有緊密關(guān)系，傷后2h內(nèi)獲得正確治療者90%可望治愈，但隨著時(shí)間的延遲死亡率明顯增加[3].如果不能在早期確定內(nèi)臟是否受損，很可能因貽誤手術(shù)時(shí)機(jī)而導(dǎo)致嚴(yán)重后果[4],因此，要降低傷亡率就需要盡力縮短診斷時(shí)間。但是，在大多數(shù)情況下，由于時(shí)間、地點(diǎn)、設(shè)備等的限制，腹部創(chuàng)傷傷員難以得到及時(shí)的診斷和治療，因此，迫切需要一種實(shí)時(shí)、快速、準(zhǔn)確、便捷的腹部檢測(cè)方法。腹部損傷常用的檢測(cè)方法有腹腔穿刺術(shù)、B超、CT、X射線、腹腔鏡、血管造影等。腹腔穿刺術(shù)是最簡(jiǎn)捷、安全和多次使用的有效方法，但由于穿刺時(shí)間、部位、患者個(gè)體差異，仍存在假陽(yáng)性的可能[5].B超診斷無(wú)創(chuàng)迅速、操作簡(jiǎn)便、費(fèi)用低，對(duì)于臟器損傷和腹部積液診斷陽(yáng)性率高，但受腸腔積氣及檢查者經(jīng)驗(yàn)水平的影響容易發(fā)生漏診[6].CT診斷可反映損傷部位程度和性質(zhì)，比B超更客觀、準(zhǔn)確、假陽(yáng)性少，但是對(duì)實(shí)質(zhì)臟器損傷或患者不配合時(shí)容易發(fā)生漏診[7].目前，B超和CT及多手段聯(lián)合檢查是臨床診斷的主要方向。腹部損傷及腹部出血大多涉及內(nèi)臟損傷，臨床表現(xiàn)復(fù)雜多樣且損傷部位隱蔽，給臨床診斷帶來(lái)很大的困難，往往容易發(fā)生漏診、誤診。一些患者病情變化迅速，繁瑣的診斷方式也容易造成患者錯(cuò)過(guò)最佳的治療時(shí)機(jī)。

　　

　　近紅外光譜技術(shù)是一種新興的無(wú)損檢測(cè)方法，它具有無(wú)創(chuàng)、無(wú)污染、實(shí)時(shí)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。近紅外光具有較強(qiáng)的穿透能力，其穿透深度可達(dá)數(shù)個(gè)厘米。當(dāng)用近紅外光照射生物組織時(shí)，由于組織對(duì)光子的吸收和散射，出射光會(huì)攜帶大量的組織內(nèi)部信息。因此，可以通過(guò)檢測(cè)不同的出射光強(qiáng)信號(hào)來(lái)對(duì)組織內(nèi)部信息進(jìn)行提取，然后進(jìn)行分析和診斷。

　　

　　目前，采用近紅外光譜技術(shù)在閉合式腹部損傷的研究還處于探索階段。光子在腹部多層組織的穿透深度和腹部檢測(cè)靈敏度等問(wèn)題還亟待進(jìn)一步探究。本文主要采用MonteCarlo模擬的方法，仿真近紅外光在腹部的光場(chǎng)分布模型，并對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了初步探究。通過(guò)仿真近紅外光在腹部模型的檢測(cè)情況，旨在提出一種新型的腹部出血檢測(cè)方法，為采用近紅外光譜技術(shù)檢測(cè)腹部出血打下基礎(chǔ)。

　　

　　1檢測(cè)原理及仿真模型

　　

　　1.1檢測(cè)原理

　　

　　光與生物組織的相互作用主要表現(xiàn)為組織對(duì)光子的吸收和散射。吸收是指光照射到待測(cè)物體時(shí)，部分光能轉(zhuǎn)換成熱運(yùn)動(dòng)或者吸收介質(zhì)分子的某種振動(dòng)，從而導(dǎo)致光強(qiáng)的衰減[8].生物組織中的吸光物質(zhì)有血紅蛋白、肌球素、脂類和細(xì)胞色素等。散射是由于各層組織的密度、折射率、介電常數(shù)等存在差異[9-11].由于體液和血液對(duì)光子的吸收不同，光在照射到正常腹部和有積血的腹部時(shí)，其檢測(cè)到的光強(qiáng)信號(hào)也會(huì)有所差別。因此，可以采用近紅外光譜技術(shù)對(duì)腹部出血進(jìn)行檢測(cè)，其檢測(cè)原理見(jiàn)圖1.

　　

　　在圖1中，微控制器（microprocessor control unit,MCU）通過(guò)光源驅(qū)動(dòng)電路控制光源的時(shí)序（多光源）和發(fā)光頻率。光源發(fā)出的光子經(jīng)過(guò)腹部組織的吸收、散射等作用后，部分出射光被探測(cè)器接收。探測(cè)器檢測(cè)到的光強(qiáng)信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路的轉(zhuǎn)換、濾波、放大等處理后，傳輸至MCU進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。最后MCU將處理后的信息送至LCD顯示。

　　

　　1.2Monte Carlo仿真流程

　　

　　本文采用哈佛大學(xué)編寫的模擬仿真復(fù)雜組織光場(chǎng)分布的tMCimg軟件[12],對(duì)腹部組織進(jìn)行仿真和計(jì)算分析。然后通過(guò)檢測(cè)相應(yīng)位置的光強(qiáng)信號(hào)來(lái)判斷腹部的出血情況。仿真過(guò)程及操作流程如下：

　　

　　首先，建立腹部多層組織的仿真模型（見(jiàn)圖2）；

　　

　　然后，設(shè)置各層組織的光學(xué)參數(shù)（見(jiàn)表1）及仿真光子數(shù)N=106;

　　

　　最后，確定光源和探測(cè)器的位置及方向，按照設(shè)定的步驟進(jìn)行仿真。其中tMCimg軟件既可以跟蹤所有光子，也可以對(duì)特定位置的光子進(jìn)行追蹤。腹部出血的近紅外光場(chǎng)分布模型仿真

　　

　　在用MonteCarlo方法模擬光束照射到腹部組織模型的光場(chǎng)分布時(shí)，生物組織可以用下面的參量來(lái)描述：折射率n、吸收系數(shù)μa、散射系數(shù)μs以及各向異性因子g[13].同時(shí)，還需要對(duì)各層組織的厚度進(jìn)行合理設(shè)置。

　　

　　1.2.1腹部組織模型

　　

　　人體的腹部組織比較復(fù)雜，仿真時(shí)將其簡(jiǎn)化為一個(gè)立方體模型（150mm×130mm×180mm）。由于腹部組織的非均一性，所以在對(duì)腹部進(jìn)行檢測(cè)時(shí)需要考慮不同組織對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響。腹部組織的具體劃分如圖2所示。

　　

　　

　　

　　圖2為仿真模型的一個(gè)截面。腹部仿真模型從外到內(nèi)依次可劃分為4層：皮膚層1、脂肪層2、肌肉層3和模擬腹腔內(nèi)部的體液層4（第0層為空氣層）。

　　

　　仿真時(shí)，光源與探測(cè)器位于腹部組織的同側(cè)并緊貼皮膚層的表面，方向由表皮指向腹腔內(nèi)部。光源和探測(cè)器的位置可以通過(guò)給仿真模型建立坐標(biāo)系，由相應(yīng)坐標(biāo)來(lái)設(shè)定。腹部各層組織的光學(xué)參數(shù)[14-15]和厚度[16]設(shè)置如表1所示。

　　1.2.2腹部組織的仿真參數(shù)

　　

　　（1）體液和血液：在對(duì)腹部進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需要明確體液和血液對(duì)光子的吸收情況。首先，固定光源和探測(cè)器的位置，僅改變仿真模型中的第4層，即全部為血液和全部為體液。然后檢測(cè)腹部的出射光強(qiáng)信號(hào)。

　　

　　（2）出血位置：采用單光源多探測(cè)器方案，首先固定光源和探測(cè)器的位置，設(shè)定皮膚層下30mm處有積血，積血區(qū)域（設(shè)為球體）半徑為15mm.改變積血區(qū)域（中心位置）和光源的水平距離依次為5mm、15mm、25mm、35mm、45mm,然后對(duì)出射光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。

　　

　　（3）檢測(cè)深度：檢測(cè)深度是腹部檢測(cè)的一個(gè)重要參數(shù)。首先，固定光源和探測(cè)器的間距為40mm,積血區(qū)域半徑為10mm,球心的位置在光源和探測(cè)器連線的中垂線上。改變積血區(qū)域的深度，即積血區(qū)域的中心位置在皮膚層下的深度，然后觀察檢測(cè)到的光強(qiáng)信號(hào)。如圖3所示，（a）~（f）表示出血深度依次為23mm、33mm、43mm、48mm、53mm、58mm時(shí)的情況。

　　

　　（4）出血體積：首先，固定光源和探測(cè)器的間距為60mm,出血位置在其幾何連線的中垂線上，出血深度設(shè)定為皮下43mm.改變出血區(qū)域的半徑，觀察不同出血量時(shí)所檢測(cè)到的光強(qiáng)信號(hào)。如圖4所示，（a）~（f）依次為出血深度和位置相同時(shí)，出血區(qū)域半徑為5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm時(shí)的情況。

　　

　　

　　

　　

　　

　　2仿真結(jié)果及分析

　　

　　2.1腹部檢測(cè)中體液和血液對(duì)光子的吸收

　　

　　取光源坐標(biāo)為（65,10,70），改變腹部模型中的第4層（體液層）：全部為血液和全部為體液，然后對(duì)腹部模型中第70層（即皮膚層表面且和光源在同一直線上，該直線和x軸平行）的出射光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。所測(cè)得的光強(qiáng)分布曲線如圖5所示。

　　

　　在圖5中，（a）為腹腔內(nèi)部全部為體液和全部為血液時(shí)所檢測(cè)到的光強(qiáng)分布曲線；（b）為上述兩個(gè)模型中，相同位置上檢測(cè)到的光強(qiáng)差值曲線及其擬合曲線。從圖5（a）可以看出，體液和血液對(duì)光子的吸收有明顯差別，因此可以通過(guò)檢測(cè)腹部的出射光強(qiáng)信號(hào)來(lái)判斷腹部是否有積血。由圖5（b）可知，在35mm~95mm（即探測(cè)器和光源的間距為0~30mm）范圍內(nèi)都可以檢測(cè)到較大差別的光強(qiáng)信號(hào)。

　　

　　

　　

　　2.2出血位置的確定

　　

　　光源和3個(gè)探測(cè)器連線的垂直距離為50mm,皮膚層下30mm處有積血，改變出血區(qū)域（中心位置）和光源的水平距離依次為5mm、15mm、25mm、35mm、45mm,其仿真結(jié)果如圖6所示。其中光源和探測(cè)器的坐標(biāo)分別為：光源（65,10,60），探測(cè)器1（60,10,110），探測(cè)器2（65,10,110），探測(cè)器3（70,10,110）。

　　

　　

　　

　　由圖6可以看出，出血位置（出血區(qū)域中心）與光源的水平距離為15mm時(shí)，檢測(cè)到的光強(qiáng)幅值最小。當(dāng)二者間距大于或者小于15mm時(shí)，檢測(cè)的光強(qiáng)幅值均有增加。由此可知，當(dāng)出血位置在光源和探測(cè)器幾何連線的中垂線并靠近光源一側(cè)時(shí)，光子被吸收的概率最大，檢測(cè)效果最好。

　　

　　2.3近紅外光在腹部的檢測(cè)深度

　　

　　光源和探測(cè)器的坐標(biāo)分別為：光源（65,10,40），探測(cè)器（60,10,80），改變出血區(qū)域深度依次為23mm、33mm、43mm、48mm、53mm、58mm,所檢測(cè)到的光強(qiáng)信號(hào)曲線如圖7所示。

　　

　　

　　

　　在圖7中，可以看出隨著出血深度的增加檢測(cè)到的光強(qiáng)幅值逐漸增大。當(dāng)出血深度大于48mm時(shí)，檢測(cè)到不同深度的光強(qiáng)幅值幾乎沒(méi)有變化。這說(shuō)明，隨著出血深度的增加，光子被吸收的概率逐漸減小。當(dāng)深度大于48mm時(shí)，檢測(cè)到的光強(qiáng)信號(hào)已不能反映腹部的出血信息。

　　

　　2.4一定范圍內(nèi)出血體積和檢測(cè)光強(qiáng)成反比關(guān)系

　　

　　光源和探測(cè)器的坐標(biāo)分別為：光源（65,10,30），探測(cè)器（60,10,90），改變出血區(qū)域半徑（出血體積）依次為5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm,觀察不同出血量時(shí)所檢測(cè)到的光強(qiáng)信號(hào)。仿真結(jié)果如圖8所示。

　　

　　

　　

　　從圖8可以看出，隨著出血體積的增加檢測(cè)到的光強(qiáng)幅值依次減小。這說(shuō)明，積血量（出血體積）越大，光子被吸收的概率越大，所檢測(cè)到的光強(qiáng)幅值就越小。

　　

　　3模擬結(jié)果分析及探測(cè)器探頭改進(jìn)

　　

　　論文首先建立了腹部多層組織的生物模型，然后采用MonteCarlo方法對(duì)光在腹部復(fù)雜組織中的光場(chǎng)分布進(jìn)行了仿真模擬。結(jié)果表明，可以根據(jù)體液和血液對(duì)光的不同吸收來(lái)對(duì)腹部的出血情況進(jìn)行檢測(cè)，并且在光源和探測(cè)器連線的中心位置靠光源側(cè)的檢測(cè)深度最深。腹部最大檢測(cè)深度為48mm.一定范圍內(nèi)，隨著出血體積的增加，檢測(cè)的光強(qiáng)信號(hào)逐漸減弱。

　　

　　但是，人體腹部組織比較復(fù)雜，損傷部位很難確定，單一的光源-探測(cè)器檢測(cè)很難對(duì)出血區(qū)域進(jìn)行精確的定位和判斷。為了獲得腹部出血及損傷區(qū)域的詳細(xì)信息，采用陣列式光源-探測(cè)器分布的檢測(cè)方案，以便對(duì)腹部出血信息進(jìn)行真實(shí)呈現(xiàn)。探頭設(shè)計(jì)、操作流程及仿真結(jié)果如下。

　　

　　3.1陣列式光源-探測(cè)器探頭設(shè)計(jì)

　　

　　陣列式光源-探測(cè)器探頭由12個(gè)光源和6個(gè)探測(cè)器組成，如圖9所示。其中12個(gè)光源采用4×3組合，相鄰光源的間距為2cm,6個(gè)探測(cè)器按圖中所示位置進(jìn)行放置，每個(gè)探測(cè)器與其相鄰的4個(gè)光源等間距分布。

　　

　　

　　

　　3.2陣列式光源-探測(cè)器模型

　　

　　在用陣列式光源-探測(cè)器探頭對(duì)腹部進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，首先將探頭固定于皮膚層表面（由光源和探測(cè)器的坐標(biāo)來(lái)確定），然后設(shè)置模擬腹部出血區(qū)域的位置：探測(cè)器D4的正下方（區(qū)域1）；光源S6、S7和探測(cè)器D2、D5所圍四邊形的中心位置處（區(qū)域2），出血區(qū)域直徑為20mm,深度設(shè)為30mm.

　　

　　當(dāng)區(qū)域1有積血時(shí)，給定一個(gè)光源的光強(qiáng)，檢測(cè)6個(gè)探測(cè)器的信號(hào)值，然后給定下一個(gè)光源的光強(qiáng)，檢測(cè)6個(gè)探測(cè)器的信號(hào)值，最后將每個(gè)探測(cè)器所檢測(cè)到的12個(gè)信號(hào)值分別相加，所得值作為最終的光強(qiáng)幅值。當(dāng)區(qū)域2有積血時(shí)，操作步驟亦然。

　　

　　3.3陣列式光源-探測(cè)器方法可初步確定腹部積血區(qū)域的位置

　　

　　采用陣列式光源-探測(cè)器探頭對(duì)腹部不同出血區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，仿真結(jié)果如圖10和表2所示。

　　

　

　　

　　

　　

　　從表2可以看出，當(dāng)區(qū)域1有出血時(shí)，6個(gè)探測(cè)器所檢測(cè)到的光強(qiáng)幅值均不相同。和腹部正常時(shí)所檢測(cè)到的光強(qiáng)信號(hào)相比，D3和D6檢測(cè)到的光強(qiáng)信號(hào)前后基本沒(méi)有變化，差值比較大的為D4、D5、D2、D1.因此可初步判定在D4、D5、D2、D1所圍區(qū)域內(nèi)有積血。這和實(shí)際出血區(qū)域位置略有偏差。當(dāng)區(qū)域2有出血時(shí)，只有D1檢測(cè)到的光強(qiáng)幅值在腹部正常時(shí)略小于腹部有出血時(shí)的情況。檢測(cè)到的光強(qiáng)幅值前后差值比較大的為D2、D5、D4、D3.由此可初步判斷在D2、D5、D4、D3所圍區(qū)域內(nèi)有積血。這和實(shí)際出血區(qū)域位置基本一致。圖10為正常腹部和在區(qū)域1、區(qū)域2分別有積血時(shí)所檢測(cè)到的光強(qiáng)差值柱狀圖。

　　

　　4討論與結(jié)論

　　

　　通過(guò)上述分析，可以看出陣列式光源-探測(cè)器可以很好地檢測(cè)腹部的出血信息，并能夠?qū)Ψe血區(qū)域的位置進(jìn)行初步判定。在實(shí)際操作中，可以：①對(duì)正常腹部的檢測(cè)情況作一標(biāo)定，設(shè)置合理的閾值范圍；②采用合適的重建算法，重現(xiàn)腹部的出血情況；③合理設(shè)計(jì)光源和探測(cè)器的數(shù)量，增強(qiáng)圖像的分辨率；④改變探測(cè)器和光源的組合方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)腹部出血信息的精確判定。

　　

　　近紅外光譜技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)腹部出血的簡(jiǎn)便、快速、無(wú)創(chuàng)檢測(cè)。采用陣列式光源-探測(cè)器探頭的檢測(cè)方案可以對(duì)腹部出血信息進(jìn)行初步診斷，并且可以簡(jiǎn)單判定出血區(qū)域的位置。近紅外光在腹部的檢測(cè)深度為48mm,因此對(duì)于淺層腹部出血有較好的檢測(cè)靈敏度。近紅外光譜技術(shù)，由于其具有便捷、快速、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，可以應(yīng)用于戰(zhàn)時(shí)環(huán)境下對(duì)腹部損傷傷員的檢測(cè)和診斷。

　　

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