基于近红外光的腹部出血检测系统的开发

1 引 言

腹部闭合性损伤以及由此导致的腹部出血是一种在平时和战场环境下常见的急性疾病。患者死亡的主要原因是腹腔内部大量出血而造成的失血性休克[1]。腹部闭合性损伤及腹腔出血大多由于损伤部位隐蔽、发病急速、患者行动不便、诊断需要时间等原因，往往诊断困难、误诊率高。因此，临床上急需一种简单、方便并能准确、快速的诊断方法。其中腹腔诊断性穿刺术是临床上一种常用的诊断方法，其简单易行、准确率高。但腹腔穿刺术并不适合所有患者，有一定的适应证和禁忌证[2]。B超对实质性脏器损伤的诊断具有明显的优势并能够对损伤部位、程度、范围进行判断，具有方便、快速、无创的特点，但对胰腺损伤的检测灵敏度较低[3]。CT对闭合性损伤的定性和诊断的准确性可达90%以上，其准确性优于超声检查[4]。但是，在CT诊断的过程中容易产生呼吸伪影，且在费用上要比其它检测手段昂贵许多[5]。腹腔镜探查术具有创伤小、安全、准确的优点，还可以避免不必要的开腹手术，但对腹腔内有较大出血和肠道胀气严重的患者并不适用[6]。目前，腹部闭合性损伤的临床诊断主要以 CT和超声联合检查为主[7]。但是，上述诊断方法都无法实现在野战和灾难环境下实时、快速、准确、无创地检测腹部创伤。

现代近红外光谱技术（near infrared spectroscopy，NIRS）是一项新的无损检测技术，它可以对物体进行快速、准确、无创地检测。近红外光对物体的穿透力强，可以对生物体进行无损非侵入检测，已成为近年来临床医学诊断和生物组织研究的热点之一[8-9]。由于生物组织的不同成分对近红外光具有不同的吸收和散射特性，因此，近红外光谱可以区分不同组织成分和其相关变化[10]。临床上，NIRS在腹部的无创检测及相关实验研究还处于探索或评估阶段。但是随着计算机技术、光学技术、光谱技术和电子技术的不断发展，NIRS技术将更加完善，其在无损监测人体组织和血液代谢中将具有更加广阔的前景。NIRS技术作为一种检测方法，可以对物体内部的信息进行实时、无创的检测，并可以通过分析获得的复杂光谱就能得到被测物体内部的相关信息。

本研究采用近红外光作为检测手段，设计并开发出了一套针对腹部出血的无创检测系统。通过建立的腹部出血实验模型，对红光和近红外光在腹部组织的传输规律进行了研究。研究结果为腹部损伤及出血的无创检测找到了一种新的方法。

2 近红外光检测系统

2.1 检测原理

光子与生物组织的相互作用主要包括生物组织对光子的吸收和散射作用。在近红外波长范围内，其相互作用主要表现为散射作用，因为生物组织中水的成分占有很大比例。水的吸收谱主要在300 nm以下和1 000 nm以上的波长范围内，而血红蛋白和黑色素仅对400～650 nm的可见光有强烈的吸收[11-13]。由于生物组织对近红外光具有低吸收、高散射的特性，因此，近红外光谱区的光对生物组织有较好的穿透能力，其穿透深度可达数个厘米。通过测量生物组织的光学特性参数，便可得到生物组织深层的生理信息[14]。

通常，将波长范围在700～900 nm称为“光学窗口”。此波长范围内，随着波长的逐渐增加，氧合血红蛋白、还原血红蛋白对光的吸收逐渐减弱，而当波长大于900 nm时水的吸收大大增加。因此，可以选择波长在“光学窗口”范围内的近红外光作为检测光源。利用血液中的血红蛋白和体液（主要成分是水）对光子的不同吸收，便可检测损伤腹部的出血情况。另一方面，近红外光谱技术还具有安全可靠、连续实时及无损的特点，可以应用于对腹部的检测。

2.2 检测系统设计方案

检测系统主要由探头、检测装置、数据采集卡和计算机等组成，见图1。系统工作时，检测装置控制光源的时序和发光频率，光源发出的光子照射在待测样品上，经过组织对光子的吸收和散射等作用，一部分光子被探测器检测并传输到检测装置的输入通道。然后，信号经过放大、滤波等处理后送至数据采集卡，经过数据采集卡的A／D转换后送至计算机。上位机采用Labview进行编程，编写了数据采集与控制的用户界面和程序，主要实现了采集数据的波形显示、保存和实时分析。

检测装置是整个系统的重要组成部分，主要包括：输入通道、输出通道、光源驱动模块、锁相放大模块、MCU（microprocessor control unit，MCU）控制模块和信号处理模块等。其中输入和输出通道主要用于完成采集信号的传输；光源驱动模块实现光源的驱动；MCU是整个检测装置的核心；信号处理模块主要实现信号的放大和去噪声。

文章来源：《无损检测》 网址: http://www.wsjczzs.cn/qikandaodu/2021/0326/456.html