（生物医学工程专业论文）红外法人体皮下脂肪厚度测量的研究.pdf

a b s t r a c t a s e l f - s e r v i c e d ，p o r t a b l ea n ds i m p l eb o d yc o m p o s i t i o nt e s t i n ga p p a r a t u si sh i g h l y v a l u e da so b e s i t yb e c o m e sm o r ea n dm o r ec o n l m o ni no u rm o d e ms o c i e t y t h e c o n v e n t i o n a lm e t h o d sh a v es o m ed i s a d v a n t a g e sf o rh o m eu s e ，s u c ha s e x p e n s i v e ， t i m e c o n s u m i n g ，a n du n c o m f o r t a b l e 2 3o fh u m a nf a ta r cs t o r e do ns u b c u t a n e o u s l a y e r , a n dw ea t t e m p tt oa c h i e v et h en e a ri n f r a r e d ( n i r ) m e a s u r e m e n to fb o d y s u b c u t a n e o u sf a tt h i c k n e s sw h i c hi sa k e yp a r a m e t e ro fb o d yf a tc o n t e n t t h em e t h o d h a st h ea d v a n t a g e ss u c ha ss i m p l e ，f a s ta n dv i s u a l 1 1 1 ew o r k so ft h ed i s s e r t a t i o nc o n c e n t r a t e do ns t u d yo ft h em e a s u r e m e n t p r i n c i p l e s ，c o m p u t e rs i m u l a t i o n ，f u n d a m e n t a l e x p e r i m e n td e s i g na n dp o t a b l e a p p a r a t u sd e s i g n f i r s t l y , t h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l e so fm e a s u r e m e n ta r ed e s c r i b e d e p - i d e r r n i s ， s u b c u t a n e o u sf a ta n dm u s c l ec o n s t i t u t eh u m a ns k i n t h ee p i d e r m i sf e a t u r e sg o o dn i r p e n e t r a t i o n ，w h i l es u b c u t a n e o u sf a t i sc h a r a c t e r i s t i co fl o wa b s o r p t i o na n dh i g h b a c k w a r ds c a t t e r i n g i nc o n t r a s t ，t h em u s c l e ，t h el o w e rl a y e ro f f a t ，d e m o n s t r a t e sh i g h a b s o r p t i o na n dh i g hf o r w a r ds c a t t e r i n gp r o p e r t i e s ，e n a b l i n go n l yas m a l ln u m b e ro f s c a t t e r e dp h o t o n st or e a c ht h ed e t e c t o r t h e r e f o r e ，w ec a nd e t e c ts u b c u t a n e o u sf a t t h i c k n e s sb yn i rb a c k w a r ds c a t t e r i n gl i g h t t h e n ，t h em o n t e c a r l os i m u l a t i o ni sa p p l i e dt os t u d yt h et h e o r e t i cf e a s i b i l i t ya n d r e l a t e dp r o p e r t i e s s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h em a x i m u m d e p t ho fa v e r a g ep h o t o n t r a n s m i s s i o ni si nl i n e a rr e l a t i o n s h i pw i t ht h el i g h t s o u r c es e p a r a t i o n t h et h i c k e rf a t i s ，t h em o r ei n t e n s et h eb a c k w a r de m e r g e n c el i g h ti s ；t h ef a r t h e rt h ed e t e c t o ri sf r o m t h el i g h ts o l g c c ，t h em o r ec o r r e l a t e dt h ee m e r g e n c ei n t e n s i t ya n df a tt h i c k n e s sa r c t h e r e a f t e r , t h eb a s i ce x p e r i m e n t sa r ed e s i g n e d t h en e a ri n f r a r e ds p e c t r u m m e a s u r e m e n tb yn i rs p e c t r o m e t e rv e r i f i e dt h ef e a s i b i l i t yo fn i rm e t h o d a n d m e a s u r e m e n tb yu s i n gap r o b ew i t h9t i n g so ff i b e r si sc o n d u c t e dt od i s c u s st h e m e a s u r i n gc o n d i t i o n s t h er e s u l tg i v c st w oh i n t sa sf o l l o w s nt h ec o n t a c tm e t h o d s h o u l db eu s e d 2 ) t h ef a r t h e rt h ed e t e c t o ri sf r o ml i g h ts o u r c e ，t h et h i c k e rt h ef a tc a n b em e a s u r e d c o n s e q u e n t l yw es h o u l dt r yt oe n l a r g et h es o u r c e d e t e c t o rd i s t a n c e f i n a l l y , ap o r t a b l ea p p a r a t u si sd e s i g n e d t h ep o r kf a tt h i c k n e s sm e a s u r e m e n t p r o v e st h a ti f t h et h i c k n e s si sl e s st h a n7 m m ，t h em e a s u r e m e n te i t o rc a r lb ec o n t r o l l e d l e s st h a n0 5 m m a n dt h em e a s u r e m e n to f h u m a ns u b c u t a n e o u sf a tt h i c k n e s si n d i c a t e s t h a tt h ea p p a r a t u sc a nb eu s e dt op r e d i c tt h et h i c k n e s st e n d e n c y k e yw o r d s ：n e a r - n f r a r e d ，f a tt h i c k n e s s ，f a tc o n t e n t ，m o n t e - c a r l os i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丢望太堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：声莓邕：烽签字日期：力哆作月弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丢洼太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：手每已孵 导师签名： 壹 签字日期：平年 月弓日签字日期：房刎年及月日 天泮人学硕十学位沦文 第一章绪论 1 1 研究的目的及意义 第一章绪论 随着经济的发展、生活水平的提高与人类生活方式的改变，肥胖已成为在全 球范围迅速增加的一种流行性疾病，肥胖及其所引发的健康问题已成为本世纪全 球性的重要公共卫生问题j 。 1 9 9 7 年世界卫生组织( w h o ) 成立了“国际肥胖研究会”，将肥胖明确宣布为 一种疾病，并于1 9 9 8 年制定了肥胖的诊断标淮，我国也在2 0 0 0 年成立了“中国 肥胖问题工作组”( w g o c ) ，积极丌展肥胖问题的研讨。根据国际肥胖小组和 w h o 的报告，目前全世界约有2 5 亿肥胖成人和5 亿超重者；欧洲发达国家肥 胖的患病率已近2 0 ，美国有6 l 的成人为超重和肥胖，1 0 一1 5 的青少年超重， 每年有3 0 万人因肥胖相关疾病而死亡。1 9 9 8 年美国用于肥胖的总费用已突破一 千亿美元，其他西方国家用于肥胖防治的经费也已占到卫生总费用的5 一l o 。 我国1 9 8 2 年，1 9 8 4 年、1 9 9 2 ，1 9 9 4 年及1 9 9 8 年3 次调查9 组可比资料的人群 结果显示，在1 6 年i q 我国中年人的超重率男性上升了1 3 7 ，女性上升了9 5 ， 我国部分人群如北京市3 5 5 9 岁中年人群中1 9 9 8 年超重率高达5 0 6 0 。据上述 资料估计我国目前拥有超重者至少2 亿至3 亿，肥胖者3 0 0 0 万至4 0 0 0 万。肥胖 者患高血压、糖尿病、冠心病、血脂异常、乳腺癌、直肠癌、前列腺癌、痛) k 下肢浮肿、腰腿关节疼痛及骨质疏松等的患病机会也大大增加，重度肥胖者寿命 明显缩短。 定期测量人体脂肪含量可以检验运动和节食的效果，为人们提供指导，从而 保持健康体形，减少“肥胖病”的发生，因此研究一种简单有效的人体脂肪含量 测量方法是十分必要的。 1 2 现有方法及检测状况 现在测量人体脂肪含量已经有许多方法，比较常用的有：双能x 射线吸收 1 天拌火学硕十学位论文第一章绪论 法，水j 称重法，生物电阻抗洲量法，皮褶厚度测量法和近红外测量法。 1 2 1 双能x 射线吸收法( d e x a ) 1 5 】 双能x 射线吸收法通过全身扫描测定全身和局部区域的脂肪、瘦组纵和骨 质柬确定人体的脂肪禽量。由x 射线球管发射x 射线通过k 边缘滤波产生7 c 和 3 8 k e v 两种能峰，人体中的脂肪、瘦组织和骨矿由于有不同的密度，对两种能量 x 剁线产生不同的衰减，由n a i 探测器接受衰减后的射线强度经数学处理后计算 出身体中各成分含量。 双能x 射线吸收法测量快速并且准确，但由于昂贵的测量费用，应用很少。 1 2 2 水下称重法 6 】 水下称重法是利用阿基米德定律测量人体密度的方法，被认为是人体脂肪测 量的会标准方法。根掘人体密度法研制的水下称重系统，早在1 9 6 9 年美国的 r a k e r s 就已经提出来。这个测量系统一直沿用至今，但系统造价较高。该测量 系统需要被测试者脱去衣服，呼尽肺内空气后，浸八水中，准确得到比重。 馥方法测量准确，测量误差能控制到15 ，重复性好，但是缺点是测量系 统复杂，澳0 试者需要经历一些痛苫。 1 2 3 生物电阻抗测量法n 8 】 生物电阻抗测量法的测量原理为：当菜一频率的交流电信号通过人体时，人 体体内阻值与体内的水分总量成反比，与体内的脂肪成证比。将一标准电阻与被 测人体串联，当交流信号通过人体和标准电阻时均会产生电压降，因此可以通过 比较人体和标准电阻上的电压降计算出人体内阻值，然后利用阻值计算出人体脂 肪总量。 该方法可操作性强，测量方便，费用低。但是测量结果准确性受测量方i 、影 响较大，有非常严格的测量条件如要求测试者测量前四小时不能进食和喝水， 1 2 小时不能有剧烈运动，4 8 小时不能引用含酒精饮料等。在所有测量条件满足 时，测量误差能控制剑3 。 时，测量误差能控制到3 。 天抖r 人学硕十学位论文第一章绪论 1 2 4 皮褶厚度测量法 9 - m i 1 9 2 1 年m a t i e g k a 提出了运用人体六处位置皮下脂肪厚度( 皮褶厚度) 估 计人体脂肪含量的方法。皮下脂肪厚度现在主要用皮褶量具测量，测具钳板劣孙 应为o 6 c m x1 5 c m ，其弹簧牵力应为1 4 7 k p a ( 1 5 9 c m2 ) ，测量前刻度应调至0 。 测量者在测量部位用左手拇指及食指将该处皮肤及皮下脂肪捏起，捏时两手指应 相距3 c m ，右手拿量具，将钳板插入捏起的皮褶两边至底部钳住，测量其厚度， 读数记录至o 5 m m 。现在测量皮下脂肪厚度的常用三个部位：上臂二头肌部位： 肩峰与鹰嘴连线中点水平腹侧，皮褶方向应与手臂长轴平行；背部：肩胛下角 下稍偏外侧处，皮裙方向应自下向上中方向与脊柱成4 5 。角i 腹部：锁骨中 线平脐处，皮褶方向与躯干长轴平行。 该方法的优点是测量简单，直观，费用低，但是其测量精度过于依赖于测试 者的操作熟练程度。 1 2 5 超声测量法。2 超声测量皮下脂肪厚度，主要是利用皮下脂肪组织与肌肉组织超声特性的不 同的原理，当超声到达脂肪肌肉边界时，就会产生回波，检测回波产生的时问即 可确定脂肪厚度。现在测量方式主要有a 超和b 超。 该方法的优点是测量简单，直观，费用低，穿透深度大，但是其测量精度过 于依赖于测试者的操作熟练程度。 1 2 6 近红外测量法 1 3 - 1 6 】 红外光谱分析方法具有绿色无污染、非破坏样品、检测快速、可实现多成分 同时定量分析等优点。利用红外光对皮肤有良好穿透特性以及其背向散射与艏肪 厚度呈线性关系的原理，可以实现人体皮下脂肪厚度的红外无损检测。1 9 8 4 年， 美国农业部提出了用红外光谱测量人体脂肪含量的方法。1 9 8 6 年r o s e n l h a l 在 专利上发明了利用此原理制作的用于商业用途的仪器，采用多二极管发射，但是 出于价钱昂贵，只有少量健身中心，医疗中心及运动队有能力购买。1 9 8 9 年 f u t r e x 公司在专利中提出并生产了一种价格相对便宜的f u t r e x 5 0 0 0 产品，得到 3 天津人学硕十学位论文第一章绪论 了较为广泛的应用1 ”】。在国内，清华大学丁海曙研究组对该方法进行了研究， 进行了蒙特卡洛模拟和实验，取得了一定的研究成果，认为检测2 5 m m 范目的 皮下脂肪厚度较为准确1 6 】。 1 3 本文主要内容 人体中脂肪的百分含量是衡量健康状况的重要标志，其中皮下脂肪是人体脂 肪的主要组成部分，人体的脂肪大约有2 3 贮存在皮下组织，它的厚度可被用来预 测人体脂肪百分含量。- - e e 便携的而且能够较为准确的测量人体脂肪厚度的仪器 是非常有价值的，它可咀对现代人健身，节食的效果进行检验，从而为他们提供 参考依据。根据红外光对皮肤有良好穿透特性以及其背向散射与脂肪厚度呈线性 关系的原理，可以实现人体皮下脂肪厚度的红外无损检测。本论文的研究内容如 下： 第一章为绪论。首先给出研究本课题的背景和意义，然后阐述了国内外人体 脂肪含量现有方法及检测状况以及当前存在的主要问题，最后介绍了本论文各部 分的主要内容。 第二章阐述了近红外光谱的基本分析方法，人体皮下脂肪组织的生物学特 性，和光在组织中的传播特性和基本理论。重点讨论了红外光测量人体皮下脂肪 厚度的理论基础，为文章提供理论指导。 第三章论述了蒙特卡洛方法在脂肪厚度测量中的应用。首先介绍了蒙特卡罗 基本理论，而后对一些通用的模拟结果及模拟脂肪厚度测量过程和结果进行了讨 论。 第四章为脂肪厚度测量近红外光谱法的基础实验。介绍了傅立叶红外光谱仪 测量实验帝1 同心九环光纤柬的脂肪厚度红外光测量实验，具体验证了红外光谱法 的可行性并讨论了在测量中应该注意的测量条件。 第五章讨论了便携式脂肪厚度测量仪的研制。该章对便携式脂肪厚度测量仪 整套测量装置的研制进行了详细的介绍：包括系统整体设计，探头设计，电路设 计和单片机系统设计。之后通过实验对整套系统的性能进行评价并验证了测量系 统对脂肪厚度的检测能力。 第六章总结了本课题的工作，并对课题进行了展望。 天津大学硕士学位论文第二章红外光测量皮下脂肪厚度的基本原理 第二章红外光测量皮下脂肪厚度的基本原理 本章阐述了近红外光谱的基本分析方法，人体皮下脂肪组织的生物学特性和 光在组织中的传播特性和基本理论，重点讨论了红外光测量人体皮下脂肪厚度的 理论基础，该章为课题提供基本的理论基础。 2 1 近红外光谱测量的基本分析方法【” 近红外光按a s t m ( a m e r i c a ns o c i e t yo f t e s t i n gm a t e r i a l s ：美国材料实验协 会) 定义是指波长在7 8 0 r i m 2 5 0 0 n m 范围内的电磁波，是人们最早发现的非可见 光区域。8 0 年代中后期，随着计算机技术的发展和化学计量学研究的深入，加 之近红外光谱仪器制造技术的日趋完善，促进了现代近红外光谱分析测试技术的 发展。由于在近红外光谱分析过程中样品不需要预处理，样品消耗量少，而且不 被破坏，测试成本低，分析速度快，自身又无污染，所以该技术已成功地应用于 许多分析领域，其应用已由传统的农副产品分析扩展到石油化工、精细化工、轻 工食品、环境、生化、医药临床等领域，并在生命科学领域也得到广泛应用，如 将n i r 用于生物组织的表征，研究皮肤组织的水分、蛋白和脂肪；t o n g 等人将 n i r 用于乳腺癌的检查；除此之外，n i r 还用于血液的体积、血流速度及组织耗 氧量以及血液中血红蛋白、血糖等成分的测定。 2 1 1 朗伯一比尔定律 红外光谱定量分析的理论基础是朗伯一比尔定律( l a m b e r t b e e r sl a w ) j 7 1 。 朗伯定律：一束一定波长的单色光通过一定浓度的均匀溶液时，光强度的减 弱与液层( 光吸收层) 厚度b 的增加成正比： i n ( o l ) = d l b ( 2 一1 ) 天津大学硕士学位论文第二章红外光测量皮下脂肪厚度的基本原理 比尔定律：一束一定波长的单色光通过厚度一定且对光吸收均匀的溶液时 光强度的减弱与溶液浓度的增3 n c , n a 射光强度成正比： t n ( i o ) = 口2 c ( 2 - 2 ) 两定律合并，即称为朗伯一比尔定律，可以将它看作是上述分子振动原理的 宏观表示，对于含n 种物质成分的混合溶液而言，其完整的数学表示式为： 其中 爿= t n ( i o l ) = l n ( 1 t ) = a 。( 兄) = 口。( a ) q ( 2 3 ) a ：吸收度，是波长的函数 而：入射辐射强度 五：透过辐射强度 g ：成分门的浓度( m g d l ) ：光程长( m ) ：成分n 的吸收系数( m g d l m ) n 透过率= i i o 对于吸收系数d ，它是物质本身的固有性质。实验证明，不同浓度的同一物 质在相同波数处具有相同的吸收系数；不同物质，在不同波数处吸收系数不同。 公式( 2 3 ) 的适用条件为： ( 1 ) 吸收过程中各物质间无相互作用，但各物质的吸收度具有可加合性； ( 2 ) 辐射与物质的作用仅限于吸收过程，无荧光、散射光等现象； ( 3 ) 吸收物是一种均匀分布的连续体系。 6 天津大学硕士学位论文 第二章红外光测量皮下脂肪厚度的基本原理 2 1 2 近红外光谱数据分析方法 1 8 】 近几年由于化学计量学的出现和应用，使得光谱分析进入了一个新时代，光 谱和化学计量学的结合已成为一种快速和高效的分析技术，即在很短时间内能够 提供出被测样品的几种甚至几十种性质数据。化学计量学是对化学测量数据进行 计算分析的。就光谱分析而言，实际测得的光谱数据不仅包括了被测样品的组成 和结构信息，而且还包括了噪音，噪音包括测量误差，不同组分之间的干扰等。 由于噪音的影响，尤其在复杂分析体系中，常常不能满足光谱分析的基础一一比 尔定律成立的条件。而化学计量学方法可有效地剔除这些噪音。 图2 1 近红外光谱分析方法示意图 红外光谱分析技术常使用“黑匣子”分析技术，即间接测量技术，其方法流 程图如图2 1 所示，即通过对样品光谱和其质量参数进行关联，建立校正模型， 然后通过校正模型预测样品的组成和性质的方法。样品的光谱包含了组成与结构 信息。而质量参数也与其组成、结构相关。因此，在样品的近红外光谱和其质量 参数间存在着内在联系。使用数学方法对两者进行关联，可确立这两者间的定量 或定性关系，即校正模型。建立模型后，只要测量未知样品的近红外光谱，根据 校正模型和样品的近红外光谱就可以预测样品的质量参数。近红外光谱分析常用 的化学计量学方法为多元校正方法，主要包括：多元线性回归( m l r ) 、主成分 分析( p c a ) 、主成分回归( p c r ) 、偏最小二乘法( p l s ) 。 其中p l s 是近红外光谱分析中使用最多、效果最好的一种方法。它是一种将 因子分析和回归分析结合的方法。p l s 通过因子分析将光谱压缩成较低维空间数 据，即将光谱数据向协方差最大方向投影。将原近红外光谱分解为多种主成分光 天津大学硕士学位论文 第二章红外光测量皮下脂肪厚度的基本原理 谱，不同近红外光谱的主成分分别代表不同组分和因素对光谱的贡献，通过对主 成分的合理选取，去掉代表干扰组分和干扰因素主成分，仅选取有用的主成分参 与质量参数的回归。p l s 对参加关联的数据( 如光谱数据) 可随意选取，可以是 全谱，也可以是其中的部分数据。采用p l s 建立校正模型，其中很重要的工作是 如何对所建模型的质量进行评判，评判方法很多，其中使用最多的是交互验证方 法。 由于光谱的原始数据中除含有与样品组成有关的化学信息外，还含有来自于 各方面的噪音影响，这里主要指由高频随机噪音、基线漂移、光散射、测样器件 不一致等引起谱图变形的影响。谱图平滑是消除高频噪音的有效方法。对各种原 因引起的谱图偏移和漂移可以通过扣减、微分等方法进行处理。近红外光谱分析 中样品的不均匀、微粒大小和光程长短往往对光谱的强度产生一定的影响，从而 影响最终的分析结果。光谱标准归一化处理( s n v ) 是解决测量光程变化的一种较 理想的方法；多元散射校正( m s c ) 对光谱进行处理，也可以有效解决样品微 粒不均匀或者测样容器不一致引起的光程差变化对结果的影响。一些常用的数据 预处理方法，如平滑，微分等方法在这里不再赘述，一些能够提高校正模型的预 测精度和稳健性的特殊预处理方法将在本论文中其它部分做详细研究。 2 1 3 主要评价指标 一、相关系数( 肋： 相关系数用于描叙变量r 和，的线性相关的程度，并常用r 来表示，r 的值 介于 - 1 ，1 】之间。r 的绝对值越接近于1 表示y 和y 之间的线性关系越密切： r 0 ，两者呈正比关系，叫正相关；r 光子包的发射 模拟中发射的光束为垂直于组织的理想无限细光束，这对应于模拟过程中所 有光子包的初始位置为( 0 ，0 ，0 ) ，表示光子包的最初传输方向为沿着z 轴并指向组 织深处，用方向余弦( 以，。，：) 表示为( o ，0 ，1 ) 。设定光子包的初始权重为w = 1 。 光子包入射到组织表面时，如果外部介质与组织表层折射率不匹配，其值分 别为n o 和n 。，此时将会发生镜面反射。由于镜面反射的存在，光子包的权重将减 小为， 天津大学硕士学位论文第三章蒙特卡洛方法在脂肪厚度测量中的应用 w = 1 一r 。 式中，r 。为镜面反射的反射系数，根据f r e s n e l 反射定律有 妒 嚣) 2 ( 3 1 ) ( 3 2 ) 2 ) 光子包运动步长的确定 由于光子在运动时与粒子的碰撞是随机的，同时组织内部散射体是随机分布 的，所以光子的运动步长也是随机的。光子运动的步长，可以由平均自由程 m y ? = “。的累积概率分布决定： z ：一鳖 ( 3 3 ) u f 上式中，孝表示均匀分布于( 0 , 1 ) 上的随机数，可由计算机的随机函数产生。 3 ) 光子包的传输 确定了光子包运动步长后，光子包即可在组织内进行传输。当光子包在同一 层内传输时，传输过程的每一步都将有部分被吸收、部分被散射。 吸收将导致光子包权重( 设此刻为w 0 ) 衰减，权重损失量为： w ：w 0 丝( 3 - - 4 ) ， 光子包的权重更新为： w = w o a w = w o w o 量= w o + 口( 3 - - 5 、 卢 其中，a 为生物组织的漫反射率： d = 丝( 3 - - 6 、 r 散射将使光子包的传输方向发生改变，此时散射程长，给出了光子包到下一 个散射体的距离，从而可确定光子包新位置的坐标。设光子包当前位置坐标为 ( ，y o ，气) ，散射方向余弦值为( 以，。，t ：) ，则新位置的坐标( x ，y ，z ) 为： 2 2 天津大学硕士学位论文第三章蒙特卡洛方法在脂肪厚度测量中的应用 jx = x o + 心， y = y o + y ， ( 3 7 ) lz = z o + ：， 光子包新的传输方向由散射角0 的累积概率分布决定，新方向与散射前的方 向夹角由散射角0 和方位角妒决定。h e n y e y - g r e e n s t e i n 相位函数( 见公式2 - - 2 ) 确定了散射角0 余弦值的分布几率，且0 角满足： 向 c o s 0 = 高 2 g 0 。( 3 _ 8 ) g = 方位角可用同一随机数f 来表示为 伊= 2 砖 ( 3 9 ) 确定了散射角口和方位角妒，用方向余弦：，以，丘) 表示光子包新的运动方 卢：粤兰垒亍( ，：c 。s 妒一，s i n 妒) + xc o s 口 卢x2 而z z 。8 妒一，5 1 n 妒 丘：芒( 缈：c o s 妒s i i l 妒) + y c o s 口( 3 _ 1 0 ) 一2 万霄一p z c 0 8 妒+ 段5 m 纠 咿。_ 1 “x = 一麻s i n o c o s 妒+ “z c o s 0 4 ) 交界面或边界面上光子包的处理 我们研究的生物组织是分层的，各层之间的光学特性参数不同。由于各层之 间的折射率不匹配，而生物组织表层与外部介质之间的折射率也不匹配，光子包 在各层之间的传输会发生几种情况：在两层界面上发生内镜面反射、透射到下一 层、逸出边界。针对这几种情况，在模拟中需要做如下考虑： 当光子包传输到两层之间的交界面时，根据随机数善和反射率g ( a 。) 进行 判断： 当f 兰r ( a 。) 时，光子包发生全反射；当 r ( 口，) 时，光子包穿过交界面。 g l + 一， “ 一 萄上豫 天津大学硕士学位论文第三章蒙特卡洛方法在脂肪厚度测量中的应用 其中可根据菲涅耳公式给出r ( a 。) r ( a ，) ( 3 1 1 ) 其中，口。为入射角，满足公式= c o s 。( k ：1 ) ：为出射角，可由s n e l l 定 律计算：n ，s i n g = 一s i n a ，；吩与一分别为两层介质的折射率。 当光子包在交界面发生反射时，首先计算光子包沿当前运动方向到达交 界面的程长出，并记录剩余程长f = ，一a i ；光子包按照新的传输方向 ( 以，以，以) 卜( 以，a y , - p ) 运行步长r 后，到达新的作用点，再重复前述的传输 过程。 当光子包穿过组织内部各层间交界面后，将在新的方向上以新的步长继 续传输。针对组织各层的衰减系数a t 。和。：不同，光子包的运行步长f 2 需要进行 如下修正： = l l , u f l a f 2 ( 3 1 2 ) 当光子包穿过组织边界时，其运动就此终止，该光子包消亡。此时可以 累计记录出射点所在的栅格单元( ，口，) 的漫反射率心( ，口，) 或漫透射率乃( ，a ，) 的值，即得到激光与生物组织作用后产生的扩散反射和透射能量分布情况。其中 ，表示柱面坐标系的径向坐标。 5 ) 光子包的消亡 对于光子包的消亡需要具备如下几个条件： 当光子包传输到组织边界面时，将不再追踪，认为光子包消亡； 对于仍在生物组织中传输的光子包，如果其权重w 小于某一设定阈值 时，从原理上讲不必进一步研究其后续的传输行为。此时为了保持光子包总 能量的恒定，采用“轮盘赌”技术对该光子包进行处理，判断是否继续对其进行 追踪。基本思路是：给定一整数m ，设定随机数f ( o ，1 ) ：如果f s i m ，则光子 包复活，其权重更新为m w ，并继续在组织中传输；如果f 1 m ，则权重变为0 ， 门刘 q q 一一+口一盯堕洫 盟嘞 二+ 一 g 一血 s s l 1 2 天津大学硕士学位论文第三章蒙特卡洛方法在脂肪厚度测量中的应用 光子包将终止运动过程，判定光子包消亡。 3 3 一些有用的m o n t e c a r l o 模拟结果 下面为m o n t ec a r l o 方法模拟单 层半无限介质的结果，其模拟结果 具有一定的通用性，具有一定的理论指 导意义。光学参数分别为 儿= 0 0 1 1 1 酊1 ，以= 1 0 0r a m - 1 ，g = 0 9 。 图3 ：3 是出射光子的平均光程长与光 源检测器径向距离的关系，可以看出光 附辟啊啉_ - 瞰忡n * d 冉枷棚铆呻 子的平均程长在一定范围内与接收位图3 - 3 不同接收位置的光子平均光程长 置的径向距离是成正比的。光子的平均 程长与光源接受器之间距离成正比 ( r 2 = o 9 9 4 8 ) 。 j n 图3 _ 4 表面接收到的光子所能到达的最大深度 t h c1 1 1 e q 1 1 1d c p t i l ( 田) 图3 - 5 不同接收位置的光子穿透深度分布 根据组织中光子传输的香蕉状分布特性，在不同的出射位置所接收到的光子 是来自不同的组织深度的，而且到达不同深度的光子所携代的人体生命信息是不 一样的。如图3 4 是所有表面接收到的光子能到达的最大深度的分布图，从图中 天津大学硕士学位论文第三章蒙特卡洛方法在脂肪厚度测量中的应用 我们可以看出大部分光予在5 m m 之前就反射回来了，而大多数光子的最大穿透深 度为l m m ( 当然，这种分布与组织 的光学特性参数有密切的关系) 。 如图3 5 为在不同位置接收到的 光子的最大深度的分布规律。最后 我们讨论一下在不同出射位置的 光子的平均到达最大深度。如图 3 6 所示，不同出射位置所有光子 的平均到达最大深度与光源接收 。 2 ：。：= 。2 = 1 i器之间的距离在一定的范围内呈 m _ d 岫哪m 州 ”一 图3 - 6 不同出射位置所有光子的平均穿透深度 线性关系。 3 4 不同脂肪厚度出射光分布的研究 编制蒙特卡罗模拟程序进行三层组织( 表皮、脂肪、肌肉) 模拟。三层组织 的光学参数吸收系数心，散射系数z ，各项异性因子g ，折射率f i ，厚度d 如下 表3 - 1 所示【4 5 1 。 表3 - 1 蒙特卡罗模拟程序中各层参数设定 其中表皮层厚度设定为l m m ，皮下脂肪层的厚度由0 1 m m 到1 2 m m 逐渐变化。由 一一 ， l i 5 3 2 1 口 f己暑篇口旨譬e 天津大学硕士学位论文第三章蒙特卡洛方法在脂肪厚度测量中的应用 于肌肉层的吸光系数很强，光子很难达到其底层，因此将其厚度设为无限大c l m m ，5 姗，l o m 脂肪厚度对应的光分布如图3 7 所示，可见，出射位置在 5 m 一1 5 m m ，光能量随脂肪厚度的变化较大。 0 - 0 6 00 5 00 4 蔷0 - 0 3 山 00 2 0 d 1 o i o o 24o8021 41 61 82 0 d i s t a n c eb e t w e e nl i g h ts o u r c ea n dd e t e c t or ( m m ) 图3 - 7 不同厚度脂肪不同出射位置光分布情况 一、 j ；d l s = i s m m 一p “”一j 。 。 。 j 。 自t 。 ”1 。 一口|j 。 。1 - 百i - r 丁r 1f 1 7 百f 百。i 1 图3 - 8 不同出射位置光随脂肪厚度的变化情况 2 7 天津大学硕士学位论文第三章蒙特卡洛方法在脂肪厚度测量中的应用 各位置出射光强随脂肪的变化如图3 8 所示。可见，在距离入射光较近处 出射光随脂肪厚度变化线性度较差，较远处线性度较好。 图3 9 为不同出射位置出射光强与脂肪厚度的相关系数，可见3 4 哪往后 其相关系数能达到0 9 ，并且随着检测器和光源距离的加大而变大。 3 5 小结 石 e o u c o t o o 0246e1 01 2 t 41 61 82 02 2 d i s t a n c eb e t w ee nl i g h ts our c ea n dd e t e c t or ( r a m ) 图3 - 9 不同出射位置出射光强与脂肪厚度的相关系数 计算机模拟主要采用组织光学中常用的蒙特卡罗模拟，模拟结果显示：不同 出射位置处，所有光子的平均到达最大深度与光源接收器之间的距离在一定的范 围内呈线性关系；脂肪厚度越大，后向散射光越强，出射光强度越大，且出射光 位置离入射位置距离越大，脂肪厚度与出射光强度的相关越好。以上模拟结果为 实验设计及仪器研制提供了很好的指导。 o 0 8 7 6 5 1 o o o 0 o 天津大学硕士学位论文第四章近红外光谱法脂肪厚度测量基础实验 第四章近红外光谱法脂肪厚度测量基础实验 本章分别介绍了傅立叶红外光谱仪人体皮下脂肪测量实验和同心九环光纤 束的脂肪厚度红外光测量实验，具体验证了红外光谱法的可行性并讨论了在测量 中应该注意的测量条件。 4 1 傅立叶红外光谱仪人体皮下脂肪测量实验 m a t r i x f 型光谱仪是德国布鲁克公司生产的紧凑型便携式近红外光谱仪，光 谱范围7 8 0 2 5 0 0 n m ，i n g a a s 检测器，波长精度o 1 ，标称测量精度o 1 t 。附 件：光纤探头，材料为石英，允许光谱范围：4 0 0 2 6 3 0 n m ，光纤直径o 2 m m ，光 纤头直径1 0 r a m 。 4 1 1 仪器重复性实验 为确定仪器重复性，及光纤头测量的可用性，我们进行了背景测量重复性实 验和上臂测量重复性实验。 1 ) 背景测量重复性使用仪器自带的光纤头架与标准反射物进行重复性测 量，共测量1 6 次，开始测量8 次，3 0 分钟后再测量8 次。测量光谱及各波长下 的信噪比如图4 1 和图4 - 2 所示。各个波长下信噪比能达到5 0 0 。 天津大学硕士学位论文第四章近红外光谱法脂肪厚度测量基础实验 d 07 0 6 口帅4 o w a y e n u m b er ( e m - 1 ， 图4 - 1 背景测量光谱 图4 2 背景测量各波长对应信噪比 2 ) 上臂测量重复性用光纤头测量肱二头肌中部，得到光谱。测量过程较 随意，未注意光纤角度，压力的重复性。共测量1 6 次，其测量结果如幽4 - 3 和 图4 4 所示。可见，由于受影响条件增多，信噪比大大降低，只能达到5 0 。 天津大学硕士学位论文 第四章近红外光谱法脂肪厚度测量基础实验 昂o m 5 1 0 0 0 0舯0 0 7 0 0 00 0 t l o4 0 w a v e b e q c m - 1 ) 图4 - 3 人体上臂多次测量光谱 图4 - 4 上臂测量各波长对应信噪比 3 ) 总结：m a t r i x - f 型光谱仪光纤头测量长时间重复性，对标准反射物的测 量信噪比在5 0 0 左右，对上臂的测量只能达到5 0 左右，信噪比下降到了1 1 c ：。 因此有必要探讨测量条件对测量结果的影响，以提高测量重复性。 4 1 2 人体脂肪厚度测量 1 ) 实验准备参加实验的受测者共1 5 人，9 男，6 女，年龄2 2 3 0 岁之间， 肱二头肌脂肪厚度在3 2 1 0 o m m 之间，平均值为7 3 8 m m ，标准偏差为1 9 r a m 。 天津大学硕士学位论文第四章近红外光谱法脂肪厚度测量基础实验 实验系统包括b r u k e r 便携式近红外光谱仪，日本制皮脂计及游标卡尺。 2 ) 实验步骤首先用皮褶法测量肱二头肌脂肪厚度：先用脂肪计标定肱二 头肌中部脂肪厚度，然后用卡尺准确测量。一共测量三次，取平均值。而后用 b r u k e r 便携式近红外光谱仪的光纤头垂直入射肱二头肌中部测量散射光谱，尽量 保持被测者的手臂不抖动，不改变光纤测量位置和测量角度。一共测量三次，选 择噪声较小的一次。最后进行建模预测。 3 ) 结果与讨论9 位男受测者和6 位女受测者上臂的测量光谱分别如图4 5 和图4 6 所示： 高0 0 4 5 。0 1 3 09 0 0 0 8 0 0 07 0 d o0 0 0 05 0 0 04 0 0 3 w a v e n u m b e r ( cr n 1 ) 图4 59 位不同脂肪厚度男受测者上臂的测量光谱 1 0 0 0 09 0 0 08 0 0 07 0 0 0b 0 0 06 0 0 04 0 0 0 w a ver i g n 3 b e r ( c m 一1 】 图4 - 66 位不同脂肪厚度女受测者上臂的测量光谱 6 o 5 0 5 0 虹 啦 刚 州 哆 州 掣 一 一 天津大学硕士学位论文 第四章近红外光谱法脂肪厚度测量基础实验 由图4 - 5 ，图4 - 6 可见，各测量光谱的区别很大，但能量大小不完全按脂肪厚 度大小排列，如图4 7 所示： 图4 76 0 0 0 c m 。1 波数下1 5 位不同脂肪厚度受测者的测量光能量 由于女受测者的样品数太少，我们只对男受测者的测量光谱进行了建模预测， 采用p l s l 算法，主成分数为5 ，中心化，交互验证 4 6 】( 即将所有样品作为校正集 同时又作为验证集) ，用预测均方根误差r m s e p 评价建模预测结果。建模结果 如图4 - 8 所示。 少 ， 度褶法测量厚度( r a m ) 图4 - 8 男受测者测量光谱的建模预测结果 ( 7 ，1 m m 对应测量光谱误差较大，除去) 由图4 - 8 可见，用光纤头测量取得了较好的建模预测结果，r m s e p 值达到 o 2 2 m m 。但由于测量条件的影响，测量光能量变化并不随脂肪厚度变化方向变 一 一 唧 一 一 啪 o o o o o o 2 0 8 6 4 2 0 飞ou越鸯霹嚼制 天津大学硕士学位论文 第四章近红外光谱法脂肪厚度测量基础实验 化，实验证明采用多波长可对其进行校正。由于便携式仪器设计多波长测量比较 困难，下面我们讨论测量条件的影响。 4 2 同心九环光纤束的脂肪厚度红外光测量实验 为了验证双波长测量脂肪厚度的可行性并获得最佳的测头传感器形式，即 得到光源与检测器脂肪测量的最佳径向空间几何距离，及探头与测量对象的最佳 接触压力，我们设计了同心九环光纤束的脂肪厚度红外光测量实验。该实验为之 后的便携式脂肪厚度测量仪的研制提供了参考及理论基础。 4 2 1 实验装置介绍 图4 9 为同心九环光纤束的脂肪厚度红外光测量实验实验装置示意图，装 置的主要组成部分包括： 图4 - 9 同心九环光纤束的脂肪厚度红外光测量实验系统 表4 1 各环光纤距中心入射光纤的距离 环数 l234 5678 ir ( 胁) o 81 52 5 3