专利名称：基于反射光谱测量的皮肤生理参数与光学特性参数的测量方法和系统的制作方法近年来，利用光学手段进行医学诊断与治疗正逐渐受到生物医学研究者的广泛关 注。相对于X射线、CT、核磁共振等其他医学检测技术，光学技术可以以非侵入式的方式实 施组织的无损结构与功能检测，并具有适用范围广、便携性高、成本低廉等优点。组织光学 特性参数通过对组织中吸收与散射等光学特性的评价，来描述生物组织对不同波长入射光 的响应。定量评价组织中的光学特性参数，一方面将有助于优化光学诊断方法在生物组织 中的诊断深度与光学成像技术在生物组织中的成像质量。另一方面，将可对光学治疗到达 治疗部位的能量强度给出定量分析，有助于优化光学治疗的治疗剂量。此外，组织光学特性 参数本身是由组织中生理状态所决定的，例如皮肤组织中对可见及近红外波长下的吸收 主要是由皮肤中黑色素，含氧血红蛋白，脱氧血红蛋白和水分贡献的。在此波长范围内的吸 收强度高低反映了这些物质含量的高低。因此，皮肤光学参数测量结果可以进一步反映皮 肤生理参数的变化，从而对皮肤表面的生理状态给出客观科学的评价。作为人体最大和最重要的器官，皮肤的厚度约为0. 5 4mm，总重量约占人体的 8%，皮肤内容纳了人体约1/3的循环血液和约1/4的水分。皮肤组织的吸收系数ya* 约化散射系数μ ‘ s等光学特性参数，对于激光诊断、激光治疗、光剂量学等理论研究和 临床实践有着非常重要的意义。黑色素是皮肤表皮层中的主要吸收物质，其浓度与皮肤白 皙程度和色斑形成有直接关系，适当浓度的黑色素能阻挡过量的紫外线辐射对皮肤的影 响，健康人表皮层黑色素浓度在-10%之间(参见S. L.Jacques，“Origins of tissue optical properties inthe UVA, visible, and NIR regions,，，in Advances in Optical Imaging andPhotonMigration, R. R. Alfano and J. G.Fujimoto, eds. (Optical Society of America)，1996)。皮肤中含氧血红蛋白，脱氧血红蛋白与皮肤组织微循环状态有关，反 应了组织代谢能力的强弱，健康人皮肤含氧血红蛋白与脱氧血红蛋白的总浓度即总血红蛋 白含量在 0. 2%-7%之间(参见 E.Angelopoulou，"Understanding the color of human skin, "Proc. SPIE 4299，243-251，2001)，而含氧血红蛋白在总血红蛋白中所占比例，即 血氧饱和度在 0%-100%之间(参见 D. Yudovsky and L. Pilon, "Rapid and accurate estimation of bloodsaturation, melanin content, and epidermis thickness from spectral diffuseref lectance", Applied Optics，2010)。皮肤中的水分含量是影响皮肤 弹性与生理状态的重要指标，健康人皮肤的水分含量在15% -70%之间(参见R. R. Warner, Μ. C. Myers and D. A. Taylor, "Electron Probe Analysis of Human Skin !Determination of the WaterConcentration Pro file",Journa1 of Investigative Dermatology，1988)。测量组织光学特性参数的方法主要有两种，一种是测量光在经过组织后的空间分布，通过分析光的空间分布信息将组织的约化散射系数对光强衰减的贡献从组织吸收系 数对光强的衰减中分离出来。另一种是利用脉冲激光作为光源，利用检测器获得的时域 光强信号来计算接收到的信号受到组织散射影响的程度，从而确定组织的光学特性参数。 利用光强分布测量组织光学特性参数的方法需要多个检测器以不同距离接收光源经组织 传输的衰减光强，且在距离范围内的组织光学特性参数必须一致。(参见F. Bevilacqua, D. Piguet 等，“In vivolocal determination of tissue optical properties applications to human brain” . Applied Optics，1999)为 了得到较好的吸收与散射分 辨效果，需要较大的测量范围，但皮肤组织结构的复杂性使得大范围的测量无法满足组织 均一性的条件。因此难以在皮肤组织上适用。而时域方法测量组织光学特性方法需要采 用脉冲激光器和时间分辨能力在皮秒量级的检测器，(参见B. J. Tromberg, N. Shah等， “Non-Invasive In Vivo Characterization ofBreast Tumors Using Photon Migration Spectroscopy”，Neoplasia, 2000)设备价格昂贵，可实施性差。
鉴于上述现有技术方法对于皮肤光学特性参数测量的局限性，本发明所要解决的 技术问题是通过实验数据和蒙特卡罗模拟相结合的分析方法提供更加精确的反射光强与 皮肤光学特性参数的对应数据，在实际测量样本皮肤时以实际测量反射光谱为基础，通过 该数据与多个生理参数进行计算拟合以得到基于反射光谱测量的皮肤生理参数与光学特 性参数，最终以非侵入的方式无损、实时测量皮肤吸收系数μ3和约化散射系数μ/等光学 特性参数以及黑色素含量，脱氧血红蛋白、含氧血红蛋白含量，水分含量等生理信息。本发明首先利用蒙特卡罗计算得到模拟标准数据Tmc，利用脂肪乳溶液混合印度 墨水模拟生物组织进行组织模型实验，获得基于实验记录的对应光学特性参数下组织反射 光强的实验标准数据Texp，并通过实验标准数据Texp校准模拟标准数据Tmc，从而得到最 终优化标准数据T。针对实际测量样本，获取样本反射光谱曲线，利用最终优化标准数据T，通过对黑 色素浓度M,总血红蛋白含量B，血氧饱和度S,水分含量W，波长为500nm时约化散射系数 μ/ —瑞丽散射含量f等参数进行拟合得到最接近样本反射光谱曲线的模拟反射光谱曲 线，此时计算得到生理参数黑色素浓度M,总血红蛋白含量B，血氧饱和度S，水分含量W，并 进一步求得皮肤在所有波长下的吸收系数μ a和约化散射系数μ s’。同时本发明进一步包括一种具有计算模块的皮肤生理参数与光学特性参数测量 系统，该系统包括皮肤反射光谱的测量装置、计算与显示装置。其中皮肤反射光谱的测量 装置包括宽光谱光源、光谱检测器、入射光纤、反射探头、接收光纤、反射探头支架、数据传 输线。计算与显示装置中包括模数转化模块、计算模块、存储器、显示处理模块、显示器、数 据总线。测量得到的组织模型实验数据由数据传输线传入计算与显示装置。通过模数转换 后存储于存储器中，计算模块利用蒙特卡罗计算得到模拟标准数据Tmc，并调用存储于存储 器中的组织模型实验数据得到实验标准数据Texp对模拟标准数据Tmc进行校准，从而得到 最终优化标准数据T，并存储于存储器中。测量待测皮肤反射光谱时，分别测量待测皮肤的反射光谱与反射标准片的反射光 谱，测量数据由数据传输线传入计算与显示装置。通过模数转换后存储于存储器中，计算模块利用反射标准片数据校准皮肤测量数据得到测量皮肤反射光谱。计算模块调用优化标准 数据T，利用非线性迭代算法计算不同皮肤组织生理参数下对应的皮肤拟合反射光谱。将计 算得到拟合反射光谱与测量皮肤反射光谱进行比较，得到待测皮肤反射光谱所对应的生理 参数，并进一步计算得到所有波长下皮肤光学特性参数μ 3和μ s’，将测量结果和皮肤反射 光谱图像显示于显示器上。本发明的任务是提供一种基于反射光谱测量的皮肤生理参数与光学特性参数测 量方法和皮肤生理参数与光学特性参数测量系统。实现本发明的具体技术方案是本发明提供的这种基于反射光谱测量的皮肤生理参数与光学特性参数测量方法， 包括如下步骤步骤一计算表示光学特性参数和反射光强之间的函数联系的优化数据T，包括 以下分步骤a)配置标准组织模型溶液；b)测量标准组织模型溶液的光学特性参数；c)将入射光纤和反射光纤前端平行地置入标准组织模型溶液中，入射光纤另一 端与光源相连，光源提供覆盖400-1000nm波长范围的入射光，反射光纤另一端与光谱仪相 连，记录400-1000nm波长范围光学特性参数对应的组织反射光强的实验数据Texp ；d)利用蒙特卡罗方法在输入组织模型溶液光学特性参数的情况下模拟得到反射 光强的模拟数据Tmc ；e)求使得|K · Tmc-Texp |的方差为最小时的常数K值；f)以K ·Τπκ3为示光学特性参数和反射光强之间的函数联系的优化数据T步骤二 测量皮肤生理参数与光学特性参数，包括以下分步骤1)将与步骤一 C)中相同的入射光纤和反射光纤的前端端面与洁净平整的待测皮 肤表面接触，入射光纤另一端与光源相连，光源提供覆盖400-1000nm波长范围的入射光， 反射光纤另一端与光谱仪相连，记录400-1000nm波长范围皮肤反射光强Μ( λ )；2)将入射光纤和反射光纤的前端端面置于反射标准片上方，记录标准片反射光强 Mstd(A)；4)设置四个生理参数和两个散射参数黑色素含量MO初值范围为1%-10%，优 选5% ；血红蛋白含量BO初值范围为0.2%-7% ；优选0.3% ；血氧饱和度SO初值范围为 0% -100%，优选75%;水分含量WO初值范围为15% -70%，优选60% ；波长500nm的约化 散射系数μ / 5(1(lnm初值范围为20-200，优选50 ；瑞丽散射含量f0初值范围为0% -100%, 优选50% ；5)通过生理参数计算皮肤组织在各波长下的吸收系数和约化散射系数，针对该吸 收系数和约化散射系数从步骤一得到的优化数据T中计算对应的标准反射光强；6)组合步骤二 1)所测量波长下计算得到的反射光强得到预测反射光谱PSPR(A)；7)计算预测反射光谱与步骤二 4)得到的测量皮肤反射光谱之间的误差u =3)归一化的测量皮肤反射光谱为mSPF4A.i=，Σ |mSPR(X )-pSPR(X ) | ；8)循环重复步骤二 4) -7)，得到使误差u达到最小的被测样本对应的生理参数；9)通过被测样本对应的生理参数计算得到被测样本皮肤的吸收系数μ 3和约化散 射系数μ/。本发明方法中的标准组织模型溶液是用脂肪乳溶液与印度墨水配置得到，配置的 标准组织模型溶液由32组不同浓度溶液构成，溶液中脂肪乳的浓度为以下4个之一 20%， 5%,1. 25%,0. 3125% ；溶液中印度墨水的浓度为以下8个之一 0，0. 0015%,0. 003%, 0. 013%,0. 023%,0. 048%,0. 073%,0. 098% ；本发明测量标准组织模型溶液的光学特性参数包括以下步骤i)选定测量波长；ii)在距离光源位置r处针对所述标准组织模型溶液进行测量得到所述测量波长 的光通量Μω ；iii)n次改变反射光纤探头与光源之间的距离r，并分别测量光通量Mwi，其中i =2,3,4......η ；iv)将ln(r*Mw)对于距离r进行线性拟合，计算得到拟合曲线的斜率1/δ Q ；ν)向溶液中滴加墨水，增加的组织模型溶液中的吸收系数为Δ μ a，所述吸收系数 Δ μ 3通过分光光度计测量墨水吸光度得到；vi)以滴加了墨水的溶液为对象，针对所述波长重新进行步骤ii)_iv)，计算得到 此时拟合曲线的斜率vii)通过下列方程组本发明提供了一种基于反射光谱测量的皮肤生理参数与光学特性参数的测量方法和测量系统，本发明测量系统由皮肤反射光谱的测量装置和计算与显示装置组成。本发明通过实验数据和蒙特卡罗模拟相结合的分析方法，提供更加精确的反射光强与皮肤光学特性参数的对应数据，在实际测量样本皮肤时以实际测量反射光谱为基础，通过该数据与多个生理参数进行计算拟合得到基于反射光谱测量的皮肤生理参数与光学特性参数，最终以非侵入的方式无损、实时测量皮肤吸收系数μa和约化散射系数μs’等光学特性参数以及黑色素含量、脱氧血红蛋白、含氧血红蛋白含量、水分含量等生理信息。