光纤内窥式微弱信号检测系统开发

陆想想，李韪韬，钱志余

（南京航空航天大学 生物医学工程系，江苏省 南京市 210016）

引言

传统的治疗恶性肿瘤的方法有：手术切除、化学治疗和放射治疗等[1～3]。然而这些方法在杀灭肿瘤细胞的同时，对人体正常组织的破坏也很大。光动力疗法（photodynamic therapy，PDT）是一种新的肿瘤治疗的方法，联合利用光敏剂和氧分子，并以特定波长的激光照射肿瘤部位，通过光化学反应产生活性氧而选择性地灭杀肿瘤细胞[4]。PDT是肿瘤微创治疗手段中选择性杀灭肿瘤作用最强的方法，且能最大限度地保留正常组织。为了监测PDT治疗疗效，需要对肿瘤部位的氧含量及活性氧产量进行实时监测。

实时监测PDT过程中组织的活性氧产量，对优化PDT治疗方案和评估其疗效具有十分重要的意义[5]。由于活性氧寿命短（0.04 μs）、辐射范围小（0.02μm）、发射光谱（1270 nm）信号很弱[6]，难以采用直接检测方法。拥有特殊结构的化学发光探针L012能够高效捕获活性氧，产生化学反应而发出较强的400～500nm范围的荧光，且化学发光强度与活性氧含量成正相关性。Ondrackova等利用L012和肠炎中性粒细胞内释放的活性氧反应高灵敏度发光，有效地检测生理条件下组织细胞中的活性氧物质[7]。Liping Tang课题组已经将L012用于定位炎症反应的实时在位测量中，发现炎症组织中与活性氧相关的PMN（多形核白细胞）的数目和化学发光强度之间有很好的线性关系[8]。因此，可以基于化学发光原理检测单态氧含量。但是该化学发光的光强比较微弱，且发光部位在很多情况下处于人体深部，给探测带来了一定的难度。

对于人体深部肿瘤，需内窥式检测技术。传统的用于检测人体内部器官及肿瘤组织的方法有：内窥镜技术[9]以及新兴的胶囊内窥镜[10]。内窥镜主要由一个配有光源的管子组成，可以经人体的天然孔道，或者是经手术做的小切口进入人体内，观察肿瘤部位的情况。采用传统的内窥镜不仅观察到的范围有限，而且会使病人非常痛苦。而胶囊内窥镜的体积较小，病人痛苦程度大大降低，但这仅限于消化系统的检查。本文提出采用内窥式微创光纤探头，检测肿瘤部位的单态氧含量。光纤探头可直接插入肿瘤深部，可大大减轻患者的痛苦。光纤探头的探测部位安装有聚焦镜，起到汇聚光信号的作用，可以提高光纤的检测效率。然后将光纤探头搜集到的光信号通过光电检测系统处理，转换为可以进一步处理分析的电信号，经上位机采集后实时显示光强变化情况。

1 系统设计

光纤内窥式微弱信号检测系统由光纤探测器、光电转换模块、信号预处理模块以及上位机显示、数据保存等部分组成。

图1 光纤内窥式微弱信号检测系统框图

由于光信号通常位于肿瘤深部，且都比较微弱，甚至难以用肉眼观察到。为了达到内窥的目的，采用微米级别的微创光纤探头深入肿瘤发光部位，采集微弱光信号。其中所用的光纤为春晖科技公司生产的石英光纤，工作波长为200～1200um，芯径1mm，总长1m，探头装配有聚焦镜，起汇聚光线的作用，提高微弱信号的检测效率。

光电检测技术的核心是光电探测器，它制约着光电检测系统，是光电检测系统的重要环节。光电倍增管（PMT，Photomultiplier Tube）是一种基于外光电效应的真空光电探测器，具有极高的灵敏度和超快的响应时间[11]。本文设计的系统选用北京滨松公司的CR186型光电倍增管，作为光电检测的核心器件。

信号预处理模块则是将检测得到的模拟电信号进行转换、放大等处理，以得到适于处理和分析的电压信号。最后，将电信号通过数据采集卡送入计算机，由Labview软件对采集得到的电信号进行分析并实时显示。

由于待检测的光信号比较微弱，在检测过程中很容易受到背景杂光的干扰，从而将待检测信号完全淹没在噪声中。为了将背景干扰降到最低，为光电倍增管设计了金属屏蔽罩。金属屏蔽罩既可以起到屏蔽背景杂光的作用，也可以起到电磁屏蔽的作用，防止信号处理电路产生的电磁波对光电倍增管的影响。另外，在光纤与光电倍增管的入射窗之间加入滤光片，用以特定波长段的光通过。光电检测部分示意图如图2所示。

2 光电检测电路设计

设计的电路包括光电检测和信号预处理两部分。其中光电检测电路部分的作用是，将微弱光信号转换为电信号；信号处理电路部分则是将检测到的电信号进行调理，使之成为适于后续采集分析的电压信号。

图2 光电检测示意图

2.1 PMT供电电路设计

对于微弱光信号的检测，使用一般的光电探测器易引入噪声，而光电倍增低噪声，且具有极高灵敏度，因此非常适于微弱光信号的检测。本文设计的系统所使用的光电倍增管的型号为CR186，具有十一级倍增级，其光谱响应范围为300～650nm，峰值波长为420nm，阳极最大电流能达到0.1mA。为该PMT配备的高压供电模块是北京滨松光子公司的产品，型号为CC228-01Y，其输入电压为12V，输出电压为0～-1250V。通过外加控制电阻的调节，可以给光电倍增管提供千伏以上的负高压。PMT的供电系统如图所示。

图3 PMT供电系统

2.2 PMT分压电路设计

光电倍增管各倍增极之间的电压，由一系列电阻构成分压器来提供。下图4所示。

在理想情况下，分压器回路可以给各个倍增级提供均等的电压，此时流过各个分压电阻的电流为：

考虑到流过各个倍增极分压电阻的电流并不相等，其中阳极电流Ia最大，该电阻上的压降也就越大。这样会产生电压重分配效应。后果是，各个倍增极的分压会随阳极电流的变化而变化，从而使PMT的增益发生变化。但是，当流过分压电阻的电流IR远远大于Ia时，即IR＞＞Ia时，流过各分压电阻的电流可以认为近似相等。因此应该选择的分压电阻阻值尽量小。

但是另一方面，选择太小的电阻将使分压电阻功率损耗加大，倍增管温度升高导致性能的降低，以至于温升太高而无法工作。综上，需要折衷考虑电阻的取值。

图4 PMT分压电路

当入射辐射信号为高速变化的信号或脉冲信号时，会引起最后3级倍增极电流剧烈变化，破坏光电倍增管增益的稳定性。在末三极并联3个电容C1、C2与C3，通过电容的充放电，使末三级电压保持稳定稳定。

2.3 电流-电压转换电路设计

由于光电倍增管输出的是电流信号，而后续电路是基于电压信号而设计的，因此，需要将电流信号转换为电压信号。在这里，我们可以通过串联一个负载电阻，进行信号的转换。如下图5所示：

图5 I-V转换电路

光电倍增管输出电流为10-10～10-3A，可近似将其看作一个恒流源，因此，一般认为负载电阻可任意大选取，从而从一个较低电流信号，得到一个很高的电压信号。但实际上，如果负载电阻过大，会导致频率响应和输出线性恶化。

若负载电阻为RL，光电倍增管阳极和其它电极之间的静电电容量以及由于布线等引起的杂散电容量的总和为CS，则截止频率fC为：由上式可以看到，尽管光电倍增管和放大器有极快的响应时间，输出线路响应也会受到截止频率的限制。如果负载电阻RL值较高，在较高输出电流的情况下，负载电阻将导致阳极电位电压降增大，造成阳极与末倍增极电压降低，从而降低了输出线性。

负载电阻RL应采用温度系数较小的金属膜电阻，而不能采用温度影响较大的碳膜电阻，以减小温度漂移对测量结果的影响。此外，光电倍增管的阳极信号输出部分应选用低噪声同轴电缆线，以降低噪声对信号的影响。

2.4 信号放大电路设计

经负载电阻RL后得到的电压信号为毫伏级别甚至更低，所以需要进行进一步的放大处理，以满足后续数据采集的要求。首先是运算放大器的选择。对于微弱信号的放大，选择的运算放大器应该近似为理想的运算放大器，才能将失真降低到最低，这就要求其开环放大倍数和输入阻抗无穷大，这样才能保证输入端工作电流为0，也要求输出阻抗无穷小，这样才能保证输出电压不随下级负载而变。

运算放大器最好选零点偏移小、无外部调零的器件。系统选用TI公司的TLC272作为核心放大器芯片，该芯片特点是低噪声、高输入阻抗、低失调电压，且响应速度非常快，非常适合微弱信号的放大。设计的信号放大电路图6所示：

图6 信号放大电路

设计了一个转换开关，一共有四个档位，不同的档位对应不同的放大倍数，以适应不同强度的光信号。每个档位由一个电阻和一个电容构成，显然电阻值越大其放大倍数也越大。其中C1起积分作用，可以抑制或平滑高频噪声的干扰。C1的值取得越大，抗干扰能力越强，但是会降低系统的响应速度，需要根据系统的需求合理选取C1的值。

3 数据采集

3.1 采集系统设计

本系统的信号变化范围为0～10V。为了实时地观测信号的变化情况，需要设计一个数据采集系统，直观地读取信号特征。由于普通的A/D转换芯片转换过程中容易引入噪声，且转换速度慢、精度低、也不能实现多路信号同时采集。所以本文设计的系统选取了美国国家仪器公司的PCI-6251高速数据采集卡进行数据采集。该型号的数据采集卡具有16位模拟输出，速度达1.25 M/s。

数据采集系统流程图如图7所示。

图7 采集系统流程图

3.2 Labview程序设计

Labview[12]有两个基本窗口：分别是前面板窗口和程序框图窗口。系统利用Labview设计的采集系统程序框图如图8所示。

Labview的基本程序单位是VI (Virtual Instrument)，其中每一个VI均由前面板和程序框图组成。用于数据采集的子VI主要有以下几个。

DAQmx Create Channel. VI，用于创建虚拟通道，设定输入的范围，配置接线端的接线模式等。本文设定的输入范围为-0.1～10V，接线端采用差分输入模式。差分输入模式能消除有用信号在传输过程中受到的大部分环境干扰噪声。

DAQmx Timing. VI，其功能是设置采样时钟源，时钟频率等信息。本文设定的采样模式为连续采样，每通道采样数参与定义循环缓冲的大小。若数据的读取速度有限，可以适当增加每通道采样数以增大缓存，防止数据溢出。

DAQmx Start Task. VI，显式地将一个任务转换至运行状态。

DAQmx Read. VI，从指定的虚拟通道读取采集得到的数据，读入的数据为光强转换得到的电压值，模拟信号以波形的方式直观地显示，幅值范围为0～10V。有用信号不可避免地会受到50Hz工频干扰，以及其他一些系统高频干扰，因此设置了低通滤波器，截止频率为10Hz。

DAQmx Stop Task. VI，结束一次采集任务。

DAQmx Clear Task. VI，清除缓存区。

以Labview为平台设计的数据采集系统仪器面板如图9所示。仪器面板的左上部分为系统设置窗，在开始采集之前需要进行通道设置，选择数据采集卡的任一可用模拟输入通道，并确定采样率，每通道采样数以及采样模式等。然后启动程序，通过右边部分的窗口对数据进行实时观测，其中上半部分是原始采样得到的数据，下半部分是滤除高频噪声以后得到的比较稳定的数据，同时也可以在左下部分的窗口读取实时的电压值。同时将采样得到的数据写入测量文件，以便于数据的后续处理和分析。

4 系统实验验证

4.1 荧光量子点实验

实验选取紫外灯作为激发光源，发射峰值波长为520nm的荧光量子点作为样品，并且按照100%，50%，25%，12.5%，6.25%的浓度配置了五种样品，序号分别为2、3、4、5、6，如下图10所示。

图8 数据采集系统程序

图9 数据采集系统仪器面板

图10 荧光量子点样品及其激发态

为了尽可能地减少激发光和环境光对实验结果的影响，保证实验结果的准确性，因此需要在PMT的阴极之前加一适当的滤光片。实验选用的是上海兆九光学的滤光片，型号为：520BP10OD4T75A02。其主要的光学参数有，中心波长：520nm；带宽：10nm；峰值透过率： T＞75% at 520nm；截止深度：OD4-A。

打开紫外激发灯，并与光纤探头的探测方向呈90°，进行背景光采集。然后使用紫外灯依次激发这五种不同浓度的荧光量子点样品。实验中的激发顺序为6、5、4、3、2。采集经过滤光片后的荧光信息，进入光电倍增管，光电转换后所得电压值如下图11所示。每组荧光量子点样品的电压值因检测位置变化略有浮动，不同浓度所得的电压值差异较大，如表1所示。将五组荧光量子点样品以及背景值，以100%浓度样品的电压值为100%，以背景的电压值为0%为标准进行归一化处理，如表2所示，从表中可以看出，不同浓度样品的电压值保持着较好的差异性，且与浓度值呈同比增减。

表1 五组浓度荧光量子点电压值

表2 五组浓度荧光量子点电压值归一化

图11 五组浓度荧光量子点电压值

实验数据表明：该系统能够较为准确地完成荧光信号转换成电压信号的作用，且所得电压值与荧光强度值保持着较好的同一性。

4.2 鲁米诺化学发光实验

实验选取鲁米诺（luminol）作为化学发光的反应底物，它是淡黄色的晶体，可溶于水和大多数有机极性溶剂。鲁米诺的发光需要氧化剂的参与。实验使用过氧化氢溶液作为反应物。硫酸铜溶液中的二价铜离子催化过氧化氢反应生成水和氧气。鲁米诺与氢氧化物反应生成一个双负离子，它可被过氧化氢分解出的氧气氧化，生成有机过氧化物。该过氧化物很不稳定，立即分解出氮气，并生成激发态的3-氨基邻苯二甲酸。激发态至基态转化中，释放的能量以光子的形式存在，波长位于可见光的蓝光部分。

实验分为四组，每组选取浓度为0.1mol/L的鲁米诺水溶液1000μL，并加入20μL 浓度为0.0015mol/L的硫酸铜溶液作为催化剂。首先将光纤探头置于溶液中，进行背景光采集。然后分别加入10μL、50μL、100μL和200μL0.3%的过氧化氢溶液，检测这四组溶液的化学发光情况。整个实验需要在暗室中进行。

将采集结果进行归一化处理，如图12所示。由图可看出，在鲁米诺一定量情况下，加入的过氧化氢溶液量越多，化学发光强度越强。即氧化剂量越多，化学发光越强。因此，可利用化学发光强度来判断PDT治疗过程中活性氧的产率，而活性氧是评估PDT治疗疗效的一个重要参数。

图12 不同过氧化氢量化学发光光强变化图

5 结论

本文利用光电转换技术，以光电倍增管为核心探测器，使用高速数据采集卡进行数据采集，采用虚拟仪器技术，以Labview为信息处理平台，设计了基于微创光纤探头的内窥式光信号采集系统。该系统针对肿瘤深部光信号的检测和采集问题，可实时反映肿瘤深部的光强变化情况，从而可以检测PDT治疗过程中活性氧的产率。

本设计在初级阶段，对PDT治疗过程中化学发光的强度与治疗疗效之间对应的关系，还需要进行大量的临床实验。同时还需要改进检测电路，改进光纤探头设计，提高检测信号的质量。本系统为后续的研究提供了有利条件。另外，本文研究的微创光纤探头不仅可以作为内窥式探测器，还可以作为激发信号的导入载体。因此，基于微创光纤探头的内窥式微弱光信号的系统开发，对于在体医疗器械的开发和研究，具有一定的应用价值。

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