基于内源光信号的纤维光学内镜设计

李韪韬，宁 雪，张 欢，张雅檬，钱志余

（1.南京航空航天大学自动化学院，南京 211106；2.南京工程学院计算机工程学院，南京 211167）

引 言

消化道疾病是威胁人类身体健康的一大因素，临床上常用的诊断方法是通过内镜获取消化道组织结构信息来进行疾病的诊疗，必要时会进行组织取样活检。消化内镜检测具有侵入性小、创伤低、花销小等优势［1］，但是大多内镜仅能获取病变组织的结构信息，很少内镜可以检测到与疾病代谢相关的功能信息。研究表明，代谢的情况可以通过血液血红蛋白和代谢产物的含量变化来反映。氧含量不足会导致生命体无法进行正常的生理活动，同时消化道疾病与消化道氧饱和度有着很大的相关性［2］。王巍等［3］对胃癌患者血液样品进行拉曼光谱分析，发现胃癌患者氧合血红蛋白（HbO）表面增强。韩联［4］研究经皮血氧饱和度监测是否可以诊断新生儿先天性心脏病，研究发现经皮血氧饱和度监测可以作为新生儿先天性心脏病诊断的指标。

目前血氧成像的主要手段是双波长以及三波长成像，这两种技术只考虑了血红蛋白对于可见光的吸收。但是，与人体组织代谢相关的生色团还包括细胞色素C（cytochrome C）、细胞色素氧化酶、黄素腺嘌呤二核苷酸（Flavin adenine dinucleotide，FAD）。研究表明，在多种疾病如心血管疾病、癌症、败血症、脑组织损伤、糖尿病和神经性的疾病等，细胞色素C 氧化酶缺陷致心脑肌病［5］。细胞色素氧化酶在人体内分布十分广泛［6］，与人类疾病的发生有密切关关系，作为临床诊断倾向线粒体肌病的重要指标［7］。施慧群等［8］通过分析细胞色素氧化酶活性，对高压氧治疗对支气管哮喘患者血清趋化因子和免疫T 细胞的影响进行了研究。 黄素腺嘌呤二核苷酸递氢体（Flavine adenine dinucleotide reduced，FADH2）氧化态为FAD，FADH2 中的H2分离成游离的氢离子和电子，FAD 浓度变化可以反映FADH2浓度变化。 Soliz 等［9］研究烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（Nicotinamide adenine dinucleotide，NADH）和FADH2相关线粒体呼吸活性在两种帕金森病小鼠模型中变化情况，发现均显著降低，NADH 和FADH2可以作为脑部疾病的观察指标。与生物组织散射特性相关的约化散射系数（μ's）是颅脑创伤等多种疾病监测的良好指标参数［10］。基于上述6 种物质的吸收光谱，本文选用了六波长内源光信号成像技术进行血氧及与代谢相关参数成像，设计了基于内源光信号的纤维光学内镜，在保证系统能准确测量结构信息的基础上，设计实验进行了血氧及代谢相关参数信息测量。

1 内源光信号成像技术

1.1 技术原理

内源光信号（Optical intrinsic signal，OIS）成像是一种血氧和代谢产物成像技术，无需造影剂以及荧光染料。OIS 采用了多个波长进行成像，得到多种生色团的浓度变化量图像，相较传统方法，具有更高的准确性，且同一视野，并且可以提供多种生色团的数据，而这些生色团的浓度变化也可能与人体某些疾病有着密切相关，可作为诊疗依据。

在波长选择上，根据几种物质的吸收特性［11］，脱氧血红蛋白（HbR）在600 nm 波长时对光的吸收明显高于氧合血红蛋白，二者的等吸收点是500 和570 nm 波长，因此选取这3 个波长。细胞色素C 以及细胞色素氧化酶总是存在两种状态下的相互转换，浓度之和不变。分析其吸收光谱，在550 nm 处细胞色素C 出现差分吸收峰，在450 和600 nm 处细胞色素氧化酶出现差分吸收峰。通过分析FAD 的吸收光谱，发现FAD 在450 和470 nm 处存在吸收峰。NADH 的吸收峰值在紫外波段，可以忽略不计。同时，组织的散射特性也影响着内源光信号成像的最终结果。最终，选取上述6 个波长。

1.2 成像算法

朗伯比尔定律描述了特定波长的光穿过某一物质时该物质吸收之后的光强变化量与该物质的浓度以及光程之间的关系为［12］

式中：Ii和Io为入射光和出射光的强度，ε为摩尔消光系数，c为物质浓度，L为光程差，用吸光度A来表示经过组织后光的强度变化。

选取某一时刻为基准，即0 时刻，0 时刻的吸光度定义为

式中：c0为0 时刻的物质浓度；Ii，0，Io，0分别为0 时刻的出射光和入射光的强度；A0为0 时刻的吸光度。

时刻t的吸光度为

则两时刻吸光度的差为

式中Δc为物质浓度的变化。在实验过程中，入射光的强度是不变的，即Ii，t=Ii，0，那么式（4）可简化为

物质浓度的变化Δc与出射光强Io的变化有关。反射光R来代替出射光Io，基线时刻所测光强R0，t时刻所测光强Rt。因人体吸光物质的多样性，并且光的波长不同，在组织中的穿透深度不同，于是得到

式中：Δci和εi(λ)分别为第i种生色团的浓度和摩尔消光系数变化；Da(λ)表示差分路径因子［12］，是修正的朗伯比尔定律中一个重要参数［13］，其与波长有关，组织在不同波长光的平均自由程能被反映，可代替光程差L。

散射在光学内源信号分析中需要考虑。将其视为伪生色团，式（6）中加入散射特性变化量Δs，故将式（6）修正为

为简化计算，将组织散射看作一个伪色团，那么μ's(λ) 定义为约化散射系数，Δs是散射变化的变量，Ds(λ) 是和散射伪色团有关的差分路径因子［13］。 根据模特卡罗模拟得到差分路径因子（Da(λ) 和Ds(λ)）随吸收系数μa和约化散射系数μ's的变化曲线［13］。通过文献［14］可获得6 种物质摩尔消光系数εi(λ)、约化散射系数μ's(λ)、6 个波长下与生色团以及散射伪生色团相关的差分路径因子Da(λ)和Ds(λ)，代入式（7）的系数矩阵。然后测量两个时间点或两种状态下的光信号变化量，可以解得6 种生色团的浓度变化量Δci。

2 基于内源光信号的纤维光学内镜系统

2.1 硬件系统

基于内源光信号的纤维光学内镜系统如图1 所示，整个系统由宽带光源、纤维内镜、滤光片轮以及电荷耦合器件（Charge coupled device，CCD）相机构成。光纤胃镜内部含有12 000 根传像光纤所组成的光纤束，外部用聚氨酯涂塑软管，与目前临床内镜所用材料一致，传像光纤的单丝分辨率为13 μm，总长度为1 050 mm，整体直径10 mm。在光纤束前端安装有透镜，可以扩展视野，视场角为120°。内镜前部可以上、下、左、右4 个方位旋转，旋转角度大于90°。内镜还加入了器械通道和水汽通道，器械通道可以通入器械进行活体组织取样，直径为1.5 mm；水汽通道直径1.2 mm，可以冲洗镜头，辅助止血，或者对某些器官充气使组织平滑。同时含有调焦旋钮，通过转动调焦旋钮使图像达到最清晰状态。

图1 基于内源光信号的纤维光学内镜系统Fig.1 Fiber optic endoscopy system based on endogenous optical signal

宽带光源可以通过螺纹与内镜连接，宽带光可以准直进入光纤内镜，经传光光纤传输，照射在生物组织上，经生物组织吸收之后出射光被传像光纤收集。经传输被滤光片滤除其他波段的光，只留下某一波长的出射光，被CCD 采集并转换成数字信号。数字信号通过USB 接口连接到计算机，经计算机接收进行图像处理。

2.2 软件系统

采用LabVIEW 和MATLAB 为工具开发了采集、控制和图像处理软件系统，实现了血氧及与代谢相关参数的成像。软件所实现的功能主要包括以下几方面：可以实时观察图像；可以自动或者手动调整曝光时间、增益以及曝光补偿模式3 个参数，使图像质量达到最佳；能够选择采集张数，节省采集时间；可以设置保存路径，将图像保存在指定位置。

3 实验验证

3.1 实验模型

实验采用小鼠耳朵作为目标成像，观察注射了过量亚硝酸钠的小鼠在不同时间的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度变化，判断其是否符合小鼠心肌缺血死亡过程中的生理变化规律，同时验证系统其他参数的有效性。

研究所采用的小鼠是美国癌症研究所（Institute of Cancer Research，ICR）雌性小鼠，小鼠出生后约8 周，将其在恒温恒湿（温度为25±1 ℃，湿度为55±10 %）环境中饲养7 d，在此过程中保证水以及食物充足。通过对小鼠腹腔注射过量亚硝酸钠溶液致小鼠亚硝酸盐中毒，在此过程中亚硝酸钠实际上是作为一种氧化剂。经血液循环，发挥其氧化性，将血红蛋白中的铁元素转换成三价态，这样的血红蛋白无法携带氧，于是就导致组织和器官氧气供应不足［15］。

3.2 实验设计

首先对小鼠耳部进行脱毛并清理干净，将小鼠耳部粘贴在透明玻璃板上并放置在铺了白纸的位移台上，连接系统。接着将放置了小鼠的位移台移至纤维光学内镜的探头处，调整位置，探头端面与小鼠耳部的距离为5 mm 左右。首先在注射药物之前拍摄在此过程的450、470、500、550、570 以及600 nm 六波长图像，每拍摄一个波长的图片，记录下在此波长下的曝光时间、增益以及曝光补偿模式3 个参数，等到曝光时间结束之后，旋转滤光片轮到下一个波长。滤光片轮上的滤光片是按照波长大小依次排列，因此使得旋转过程很便捷，这样依次拍摄，直到6 个波长的图像都拍摄完毕，至此一个时间点的图像采集结束。接着给小鼠注射过量亚硝酸钠溶液（800 mg/kg），在注射药物后3、6、9、12、15 以及18 min 采集六波长图像，实验结束。

4 实验结果

4.1 6 种生色团的浓度变化

由本系统所拍摄的六波长原始图像如图2 所示。可见小鼠耳部血管清晰可见，但每种波长下的原始图像不相同，在600 nm 波长下的小鼠耳部图像的对比度出现明显下降，清晰度不足。采用文献中的差分路径因子、摩尔消光系数以及散射系数，根据内源光信号的算法公式，得到6 种生色团浓度变化的图像如图3 所示。图3 为注射药物之后18 min 相对于注射药物之前的6 种生色团浓度变化图像，其中ΔHbO 为氧合血红蛋白浓度变化，ΔHbR 为脱氧血红蛋白浓度变化，ΔCyt⁃C 为细胞色素C 浓度变化，ΔCCO 为细胞色素氯化酶浓度变化，ΔFAD 为黄素腺嘌呤二核苷酸浓度变化，ΔLS 为光散射浓度变化。

图2 波长原始图Fig.2 Original wavelength map

图3 生色团浓度变化图Fig.3 Changes of chromophores map

4.2 氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度变化

对氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度变化着重分析。采用上述的图像处理方法对6 个时间点的36 张图像进行处理，获得了氧合血红蛋白浓度变化量和脱氧血红蛋白浓度随时间变化的图像分别如图4，5 所示。

图4 氧合血红蛋白浓度变化量随时间变化图像Fig.4 Images of oxy-hemoglobin concentration change with time

4.3 氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度变化曲线

为了能更直观地体现注射药物之后两种物质与注射药物之前的浓度变化量随时间变化规律，对氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白图像取了一个感兴趣区域，计算平均灰度值。因为图像矩阵都是通过内源光信号血氧成像算法公式所计算得到的，因此每一个灰度值都代表该时刻该像素点相对于注射药物之前的生色团浓度变化量，感兴趣区域的平均灰度值也就是该区域的平均浓度变化量。氧合血红蛋白的含量3 min 为-0.525×10-5mol/L 逐渐减少至18 min 为-2.25×10-5mol/L，具有差异性（p<0.05）。脱氧血红蛋白的变化量3 min 为1.0×10-5mol/L 逐渐增加至18 min 为3.20×10-5mol/L，具有差异性（p<0.05）。二者变化情况如图6，7 所示。

图6 氧合血红蛋白浓度变化量随时间变化曲线Fig.6 Oxy-hemoglobin concentration variation with time

5 讨 论

论文根据内源光信号成像原理，所设计的内窥成像系统可以获得与人体组织类似的血管结构和功能信息。人体毛细血管的直径为9 μm，而小鼠耳朵的微动脉口径不超过7 μm，微静脉的口径在13 μm左右，微毛细血管的口径不超过4 μm。胃黏膜血管是人体毛细血管［16］，因此直径与人体毛细血管直径较为相近。同时，选用小鼠耳部作为实验目标血管，可以避免了采用其他部位作为实验目标的复杂操作。图2 表明系统可以获得清晰的血管结构图像［17］，图3 表明系统可以获得6 种与代谢相关的信息的变化图像。

亚硝酸钠实际上是作为一种氧化剂。经血液循环，发挥其氧化性，将血红蛋白中的铁元素转换成三价态，这样的血红蛋白无法携带氧，于是就导致组织和器官氧气供应不足，导致氧合血红蛋白下降、脱氧血红蛋白上升。通过建立小鼠亚硝酸盐中毒试验模型，验证基于内源光信号的纤维光学内镜系统测量效果。结果可见小鼠耳部氧合血红蛋白及脱氧血红蛋白均有显著变化。图4 小鼠耳部血管的亮度变化减少，表明注射药物之后氧和血红蛋白的浓度是持续减少。图5 小鼠耳部血管的亮度变化增加，表明注射药物之后脱氧血红蛋白的浓度是持续增加。

图5 脱氧血红蛋白浓度变化量随时间变化图像Fig.5 Images of deoxyhemoglobin concentration change with time

图6 和图7 对图4 和图5 中的感兴趣区浓度变化进行计算。得出氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度随时间变化的曲线。图6 的曲线在数值上表明注射药物之后的氧合血红蛋白浓度相对于注射药物之前持续降低。图7 表明脱氧血红蛋白的浓度都呈现持续增加的趋势，与图6 呈现反比趋势。因此数据可以验证：注射药物之后，血红蛋白无法与氧结合，导致大量血红蛋白处于脱氧状态，相反脱氧血红蛋白的浓度不断增加。通过数据分析，更加直观地体现了两种物质浓度变化量的变化趋势，从而说明了本系统在进行血氧成像［17］方面地有效性。实验结果与实际的小鼠生理变化相符，也证实了内源光信号的纤维光学内镜系统能够准确反映生物组织功能信息的变化规律。

图7 脱氧血红蛋白浓度变化量随时间变化曲线Fig.7 Hemoglobin concentration variation with time

6 结束语

本文主要介绍了基于内源光信号的纤维光学内镜系统，包括硬件及软件系统。接着对系统进行实验验证，通过对小鼠注射过量亚硝酸钠致小鼠心肌缺血死亡，拍摄在注射药物之前以及注射药物之后的六波长图像，运用内源光信号成像算法计算注射药物之后不同时刻6 种生色团的浓度变化量，发现氧合血红蛋白浓度持续下降，脱氧血红蛋白浓度则呈相反趋势。论文的研究结果表明所开发的纤维光学内镜系统可以获得组织的功能信息变化图像，在临床上具有重要的应用价值。