经络与非经络光学传输特性测量系统

刘思妍　何昱滨　张永杰　陈长水

摘 要：近年来，激光在生物医学光子学领域的研究中得到越来越多的应用，不同波长的激光在生物组织中的传输特性也因其光学特性而异，生物组织的光学特性与生理状态有关，通过测量生物组织表面漫射光分布进而可以了解其生理状态。该系统基于三波长测量法设计并实现了一套多通道三波长漫射光自动测量系统，对人体经络与非经络的光传输特性进行了测量分析。实验结果表明，经络与非经络循行线上的光传输特性存在差异，在手阙阴心包经方向上光的传输比起非经络方向上衰减得慢。经络与非经络这一光学传输特性对证明經络的客观存在和对经络这一方面进一步的研究有着重要的意义。

关键词：生物医学光子学 三波长测量法 经络 光传输特性

中图分类号：R224.1 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）07（a）-0185-02

由于生物组织的光学特性，当光照射到生物组织后，一部分光会在生物组织表面发生反射，一部分光则会到达生物组织内部一定深度，而这部分光一些被组织吸收而大部分被散射回组织表面，即被漫反射。漫反射光子包含了生物组织的重要信息，因此基于漫反射光的测量可以获得有关人体的生理参数。

该系统测量区域为人体手腕手厥阴心包经处和平行相距1 cm非经络处。腕部手厥阴心包经部位组织结构由皮肤、皮下组织、肌腱、深筋膜和结缔组织等组成，旁路非经络由皮肤、皮下组织和结缔组织等组成[1]。不同生物组织的吸收、散射等特性不同，因此其光学特性也不同，根据这一特性，可由射入肌肤漫射出的漫射光来研究生物组织的光学特性。生物医学光子学中有关光子的输运理论采用吸收系数、散射系数及相位函数来描述吸收现象和散射现象以及散射的各向异性。

另外，当一束单色光照射于吸光介质（组织）表面，一部分光子在通过一定距离后被吸收，满足比尔-朗伯定律的表述；另一部分光则呈各向异性，向四周散射。通过该文设计的系统探测该散射光强，引入三波长测量提高精确度。

基于上述理论，我们自行设计了一套多通道三波长漫射光自动测量系统对垂直入射经络与非经络的激光的漫射光进行测量，使用该系统可以有效提高测量速度和测量精度。

1 基本原理

1.1 光源模块

在该实验系统中，入射光源为半导体激光器，输出的激光束经过斩波控制器选定特定波长后，成为具有一定频率的光脉冲，再耦合进入射光纤。同时，斩波器的频率信号将连接到锁相放大器的输入端放大，使其锁定入射波长的光，作为滤除噪声信号的参考频率，比较收集光强度和入射的差值。用于发射激光的光纤头垂直接触皮肤表面时，由于激光在皮肤表面会发生吸收、反射等导致光强衰弱，最后会有一部分漫反射光从皮肤表面辐射出，由于生物组织的不均匀性，漫射光通常也是不均匀的，为了保证能够顺利接受到漫射的激光信号，在探测点旁边一侧垂直放置一根芯径同样为600 μm的探测光纤来收集漫射光，接着传输至光电倍增管，经过光电倍增管将微弱的光信号转换和放大，进而送至锁相放大器，锁相放大器根据锁定的频率对有用的信号进行放大和数字，最终输入计算机进行数据处理和分析。整个实验过程中必须保持激光器的输出功率、光电倍增管的控制电压和斩波器频率不变。

选择三波长测量法相较于单波长检测和双波长检测，提高了准确度。图1为一吸收曲线，在该曲线上任意选取三个波长λ1、λ2、λ3，其对应的待测数值A1、A2、A3有如下关系：

△A=A2-mA1+nA3m+n=ελ2-mελ1+mελ3m+n×C×l

式中，m为i为λ2波长和λ3的差值， n为波长λ1和λ2的差值，eλ1、eλ2和eλ3为待测物在三个波长处的摩尔吸光系数，其中C 为待测物的摩尔浓度，l为光程[2]。由该式可知，△A与待测物浓度成正比，则当△A值为零时，即所选取的三个波长对应的吸收光谱的三个点在同一直线上，所测A1、A2、A3与待测物浓度无关，只与待测组分的浓度有关。

1.2 控制模块

该模块主要控制光源和数据收集处理。发光模块部分由斩波控制器选择特定波长，当入射光发出时，斩波器改变光的频率，由C（光速）=f（频率）λ（波长）算得获得光的波长，以达到获得三种波长的目的；同时将控制特定波长的光强度传入锁相放大器，以供比较接收光强与入射光强。

接收模块数据的处理则主要由锁相放大器受计算机进行控制。当接收模块产生数据，则数据存储在锁相放大器中。计算机发送对应指令给锁相放大器，锁相放大器实现相应功能并将所得数据进行读取、处理、分析。其中，通信与控制以串口通信程序为基础实现，串行通信接口为RS232，一次只检测及处理一个接收点的数据。串口通信程序有NI-Labview编写的VISA模块通信程序，该程序以发送指令形式代替锁相放大器按键面板，将收集到的数据直接导入excel表格，界面清晰，操作简单。

1.3 接收测量模块

该模块的工作是把多个测量点探头接收到的漫射光信号通过光纤作为传播介质分时切换到光电倍增管，把光信号转变为电信号，再将电信号进行放大。然后由锁相放大器将模拟的电信号转换为数字信号，同时把和参考信号形同频率为21.31 Hz的电信号提取出来，最后由Lalview软件程序自动对数据进行采集并传送至计算机。在测量点光纤和光电倍增管之间通过光开关来切换，在光传输的过程中光开关起到通道间切换的作用，使得测量点的光纤按顺序依次传输到光电倍增管放大并被读取。该实验需选取切换速度小的光开关，因为各个测量点的测量速度取决于光开关的切换速度，切换速度越快，各个测量点所需的时间越短。

根据信号在光纤中传输的模式可分为单模和多模光纤，它们有各自的优点，为了保证多个波长的光在同一根光纤上传输，该实验中采用了多模光纤，纤芯直径选择50 um/125的光纤，为了便于测量光纤在探头上进行固定，取用了FC/PC接头。

测量光源的发光是以经络与非经络两条路径为顺序的，当A激光源垂直入射手阙阴心包经时，路劲1的4个测量点光纤按顺序切换进行测量；当B激光源在平行相距1cm垂直入射时，路劲2的4个测量点光纤也按顺序切换进行测量，其中每个测量点分时测量3次。

1.4 系统整体示意图

系统整体示意图如图3所示。

2 实验结果

由于光在组织中的传输与组织本身的种类、结构有关，因为不同组织的组织光学特性包括组织的吸收系数、散射系数、各向异性因子等均不相同。通过该系统选择了808 nm波长的光来进行测量，其测量结果如图3。通知实验得知在腕部手厥阴心包经循行线及旁开非经络线上，漫射光强度都随入射光纤和探测光纤之间距离的增加而呈指数衰减。从漫射光强度的大小来看，腕部手厥阴心包经循行路线上漫射光强度比旁开非经络线上的漫射光强度更大。在手厥阴心包经方向上，光波沿经络方向传输时都比其旁开的传输路径衰减得较慢，由前面的分析可推断经络循行路线方向组织的吸收系数和散射系数相对较小。由此可得出激光在经络与非经络循行线上的光学传输特性是不一样的。

使用该系统测量漫射光强度从而得出相对强度分布，再由相对强度分布拟合出衰减因子，通过比较衰减因子比较经络与非经络之间散射系数和吸收系数大小的方法是稳定可靠的，这种方法也比传统的电阻测量法要更具有科学依据与可行性。

3 分析与讨论

在现存的生物医疗中，中医的经络医疗得到了理论和实际的验证。而该文面向的光在经络位置的传输理论系统是由人们提出的许多近似或模拟的理论形成。

该文提出的系统主要针对光漫射对于经络与非经络之间传输差异，并对检测系统提出优化，也是基于近似的光学参数的取舍，主要理论涉及散射理论、软件通信和光在组织中的传输参数选定等；还包括三波长检测法对于精确度的提高，开发板的控制和控制模块之间的通信对于检测流程的精简，可弯曲的探测头装置对于身体凹凸部位的适应，都致力于提高系统的检测可靠性和易操作性。

在系统检测得到的数据中，我们可以知道，随着检测点距光源的距离，经络和非经络部分接收光强呈现先急后缓的单调下降趋势。然而具体数值显示，经络部分的光传输与非经络部分的光传输存在着明显差异。这也进一步提出了出现该现象因素的探究，包括具体物质、生理状态等。

除此之外，该课题的研究仍有许多空间可以展望。一是测量精度的进一步提高，尤其是消除更微小的皮肤组织起伏所带来的影响；二是引入更多的可能影响光在经络部位组织传输的变量，例如健康状态；以及其他值得探究的方向。

参考文献

[1] 谢浩然.经络穴位的准确测量[J].上海针灸杂志，1988（2）：33-35.

[2] 過乃蓉，罗庆尧，陈震华，等.三波长分光光度法的原理和应用[J].分析化学，1983，11（6）：408.