虚拟仪器技术及其在皮肤组织光谱检测系统中的应用|神经组织 光谱

　　苑凯华　刘春利 　　[摘要]目的：研制适合于检测黄种人活体皮肤及色素性病变皮肤组织吸收光谱的虚拟仪器系统。方法：利用光纤光谱仪技术和虚拟仪器技术建立皮肤组织的活体吸收光谱检测平台，对太田痣等色素性病变皮肤的吸收光谱进行活体检测，并初步分析其临床意义。结果：虚拟仪器皮肤组织光谱检测系统具有灵敏、实时、无创的活体检测功能，根据光谱结果可分析皮肤组织中色素分布的密度、深浅层次和治疗效果，便于临床选择合适的治疗参数。结论：本研究建立的皮肤组织吸收光谱检测系统可准确反映色素性皮肤疾病的光吸收特性，为临床激光治疗提供辅助诊断手段。
　　[关键词]虚拟仪器技术；数据采集；皮肤光谱检测系统
　　[中图分类号]R319　[文献标识码]A　[文章编号]1008―6455(2007)01―0082―04
　　
　　虚拟仪器(Virtual instrumentation，VI)是基于计算机的数字化测量仪器，它通过应用软件将计算机与仪器结合起来，用户可以通过图形面板操作计算机，就象操作传统的单个仪器一样。即使面对一组相同的硬件系统，用户也可以通过开发不同的软件来实现不同功能的各种测量，使得一台计算机不仅可以处理各种信息，而且可作为多种仪器。因此软件系统是虚拟仪器的核心，“软件就是仪器”即是这个概念。传统仪器一般由信号采集、数据分析处理、结果显示输出等三大功能块组成，这些功能全是由硬件(或固化的软件)的形式存在的。虚拟仪器将这三大功能全部放在计算机上来完成，大大突破了传统仪器在数据采集、分析处理、显示和存储等方面的限制，而且可以随时进行仪器功能扩展和升级。我们利用虚拟仪器技术，通过软件编程定义光谱仪和数据采集卡等硬件，将测量模块组合在一起，实现皮肤组织光谱的检测功能。
　　
　　1　�拟仪器的组成
　　
　　虚拟仪器由硬件和软件两大部分组成，组成三大功能块：信号采集、数据分析处理和结果显示、存储及输出(见图1)。
　　
　　1．1硬件：虚拟仪器的硬件由信号采集调控系统和计算机硬件系统两部分组成，完成信号采集、数据处理分析和结果显示存储等功能。根据虚拟仪器功能的需要及采用布线方式的不同，硬件的信号采集调控系统可以分为五种类型(如图1所示)：①插卡式：将各种数据采集卡直接插入计算机主板上的扩展槽，通过计算机总线与计算机进行数据传输，与专用软件相结合完成测试任务，这类硬件价格便宜，使用方便。我们研制的皮肤组织光谱检测仪就是采用数据采集卡的工作方式，性能价格比较高；②并、串口及USB式：该类硬件是近年发展起来的通过计算机的串、并口及USB接口连接的设备，可与台式机或笔记本电脑的并口／串口相连，通过软件编程实现信号检测功能；③GPIB总线式：由GPIB接口卡将若干GPIB形式的仪器与计算机相连，多用于大规模的自动测量和控制系统；④VXI式：VXI总线系统是一种开放的高速多处理结构，适宜于组建高速、高精度、易扩展的大、中规模的测试控制系统，但组建VXI总线控比较贵：⑤PXI式：即PCI扩展规范，由美国NI公司于1997年推出的一类新型的仪器总线规范，是在PCI总线内核技术上增加了成熟的技术规范形成的，具有高度的可扩展性、更短的开发周期和更高的性价比，因而具有广阔的应用前景。
　　1．2软件：软件是虚拟仪器的核心，虚拟仪器的各种功能如数据采集、数据分析处理、数据显示存储等都是针对各种硬件开发的软件实现的。
　　开发软件时，可以采用两种方法：①采用通用软件即各种高级编程语言，如Delphi、VC、VB、Java等，使用这些语言进行软件开发具有较高的自由度，但开发周期较长，难度较大，对软件开发者有较高的要求；②采用专用软件即目前应用日益广泛的专业的图形化编程软件，如美国NI公司的Lab―VIEW、Lab Windows或HP公司的VEE等，具有编程容易、软件开发周期短的优点，但软件价格昂贵。
　　一般来讲，虚拟仪器的软件系统包括3个方面：仪器驱动程序、应用程序和前面板程序。仪器驱动程序由生产该仪器的厂家提供，主要用于仪器参数、工作方式的设定和初始化，应用程序可以由用户针对测试要求通过编程软件来开发、定义，主要完成数据采集和处理。前面板程序用来提供虚拟仪器与用户的接口，与传统仪器的面板相似，在计算机屏幕上生成的图形界面，具有个性化的开关和按钮，通过键盘或鼠标操作，用于控制检测和显示结果等。
　　
　　2　皮肤组织光谱虚拟仪器系统的设计
　　
　　传统的组织光谱仪开发维护费用高，性价比低，更新期长，人机界面一般，仪器功能单一，有一定的局限性。我们用虚拟仪器设计研制出皮肤光谱检测仪器，利用这台仪器，可以对正常皮肤或各种色素性皮肤病变的光吸收作用进行实时、在体、无创检测，并能对数据进行处理、分析、显示和存储，且能方便地对其进行维护、功能扩展和升级，具有很高的灵活性，人机界面友好。以下简要介绍其设计方法。
　　
　　2．1硬件组成：皮肤组织光谱检测虚拟仪器构成见图2，LS―1卤钨光源发出的光经光纤接口耦合进Y形光纤的照明光纤中，传输到待测皮肤组织上，光子在组织中经过一系列的反射、吸收和散射，携带的皮肤组织光谱吸收信息被Y形光纤的收集光纤接收，传送至光纤光谱仪，经光谱仪产生色散，形成光谱分布，光谱仪线阵CCD的2048个像元分别接收对应于展开光谱各个波长的光子，经过光电转换，产生相应的电信号， 并依次输出，由Lab-PC-1200数据采集卡进行A／D转换，送入计算机。在计算机中，基于LabVIEW的VI程序控制数据的采集，并对数据进行处理、分析、显示和存储等。
　　2．2虚拟仪器开发软件－LabVIEW：目前国际上应用最广的虚拟仪器开发环境首推美国NI公司(Na―tional Instruments Corp)的LabVIEW和HP公司(惠普公司)的VEE这两种软件。我们采用LabVIEW软件开发虚拟仪器程序(VI程序)。LabVIEW(Labo-ratory Virtual Instrument Engineering Work-bench)是由一种基于图形的程序设计语言――G语言构成的，与C、Pascal、BasiC等传统编程语言有着诸多相似之处，如相似的数据类型、数据流控制结构、程序调试工具，以及层次化、模块化的编程特点等。但它的每一条语句都是由图形来表示的，界面非常直观形象，用LabVIEW编程无需具备太多编程经验。
　　
　　一个LabVIEW程序包括三个主要部分：框图程序、前面板、图标／接线端口。框图程序是利用LabVIEW的图形语言对前面板上的控制量和指示量进行控制。前面板是面向用户的模拟传统仪器面板的交互式图形化界面，如图3所示，用于设置用户输入和显示程序输出。图标／接线端口用于把Lab VIEW程序定义成一个子程序，以便在其他程序中加以调用，这使Lab VIEW得以实现层次化、模块化编程。
　　组织光谱检测虚拟仪器系统的数据采集(Data AcquiSition，DAQ)程序包括模拟输入、模拟输出、数字输入／输出、计数器操作等。包括6个子模板，分别是：模拟输入(Analog Input)、模拟输出(Analog Output)、数字输入／输出(Digital I／O)、计数器(Counter)、标定和配置(Calibrationand Configuration)以及信号调理(Signal Con-ditioning)。操作人员通过鼠标点击按钮和图标发送各种命令，完成光谱数据采集、处理和显示等基本任务。
　　
　　3　临床应用
　　
　　虚拟仪器皮肤组织光谱在皮肤色素性和血管性疾病的激光治疗中起辅助诊断、指导选择治疗参数和判断疗效的作用。组织光谱可精确显示皮肤病变对某特定波长光子的吸收系数，可指导临床选择吸收系数高的激光波长进行治疗。同时，由于短波长的吸收系数反映病灶浅层的吸收结果，长波长的吸收系数反映的是病灶深层和浅层组织对光了吸收的总的结果，先用短波长的吸收情况分析出病灶浅层色素平均密度的大小，再将长波长吸收中浅层的吸收信息去除，得到深层色素的密度大小。这样可以由浅入深地对病灶组织各个深度层次的黑素密度进行分析。
　　太田痣通常选用Q755nm和Q1 064nm两种激光进行治疗，通过对755nm和1064nm两处的吸收系数进行统计分析，明确太田痣病变对两种波长激光的吸收率范围，并按吸收强弱对太田痣进行光谱学分类，可以了解皮肤不同深度层次病灶中的色素密度，结合临床实践，可指导选择激光治疗参数。图4为１例太田痣(女，26岁，面部左侧太田痣)患者的测试结果。该病例在755nm处吸收较弱，而在1064nm处的吸收较强。由此可以看出，该病例的患处应主要分布在较深的真皮组织中，且色素密度较大，应用1064nm激光治疗会得到明显的治疗效果。图5为2例太田痣患者的吸收光谱，其中a例已经过4次治疗，b例已经过6次治疗。两例的吸收率虽然在1064nm处相近，但在755nm明显不同，a＞b。说明a例黑素在浅层还比较密集，应用755nm进行治疗。b例曲线已出现血红蛋白吸收特征，说明该例浅层经治疗已有好转，接近正常皮肤，而深层黑素密度还较大，应用1064nm，加大治疗剂量。
　　　　
　　4　小结
　　
　　虚拟仪器是各种设备与计算机技术相结合的产物，已成为当今仪器领域发展的重要方向之一。它简化了科学计算、过程控制和测试应用，增强了用户组建自己的科学和工程系统的能力，因而具有传统仪器不可比拟的优越性，虚拟仪器技术在生物医学领域的应用也越来越多。我们采用LabVIEW开发环境研制了皮肤组织光谱检测系统，可以对各种色素性皮肤病变进行在体、实时、无创的光吸收作用检测，不仅可以用来探讨黄种人皮肤组织的光吸收特性，而且可以为临床激光美容提供理论指导。
　　编辑／李阳利
　　注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。