虛擬儀器技術及其在皮膚組織光譜檢測系統中的應用

苑凱華 劉春利

[摘要]目的：研制適合于檢測黃種人活體皮膚及色素性病變皮膚組織吸收光譜的虛擬儀器系統。方法：利用光纖光譜儀技術和虛擬儀器技術建立皮膚組織的活體吸收光譜檢測平臺，對太田痣等色素性病變皮膚的吸收光譜進行活體檢測，并初步分析其臨床意義。結果：虛擬儀器皮膚組織光譜檢測系統具有靈敏、實時、無創的活體檢測功能，根據光譜結果可分析皮膚組織中色素分布的密度、深淺層次和治療效果，便于臨床選擇合適的治療參數。結論：本研究建立的皮膚組織吸收光譜檢測系統可準確反映色素性皮膚疾病的光吸收特性，為臨床激光治療提供輔助診斷手段。

[關鍵詞]虛擬儀器技術；數據采集；皮膚光譜檢測系統

[中圖分類號]R319 [文獻標識碼]A [文章編號]1008—6455(2007)01—0082—04

虛擬儀器(Virtual instrumentation，VI)是基于計算機的數字化測量儀器，它通過應用軟件將計算機與儀器結合起來，用戶可以通過圖形面板操作計算機，就象操作傳統的單個儀器一樣。即使面對一組相同的硬件系統，用戶也可以通過開發不同的軟件來實現不同功能的各種測量，使得一臺計算機不僅可以處理各種信息，而且可作為多種儀器。因此軟件系統是虛擬儀器的核心，“軟件就是儀器”即是這個概念。傳統儀器一般由信號采集、數據分析處理、結果顯示輸出等三大功能塊組成，這些功能全是由硬件(或固化的軟件)的形式存在的。虛擬儀器將這三大功能全部放在計算機上來完成，大大突破了傳統儀器在數據采集、分析處理、顯示和存儲等方面的限制，而且可以隨時進行儀器功能擴展和升級。我們利用虛擬儀器技術，通過軟件編程定義光譜儀和數據采集卡等硬件，將測量模塊組合在一起，實現皮膚組織光譜的檢測功能。

1 虛擬儀器的組成

虛擬儀器由硬件和軟件兩大部分組成，組成三大功能塊：信號采集、數據分析處理和結果顯示、存儲及輸出(見圖1)。

1．1硬件：虛擬儀器的硬件由信號采集調控系統和計算機硬件系統兩部分組成，完成信號采集、數據處理分析和結果顯示存儲等功能。根據虛擬儀器功能的需要及采用布線方式的不同，硬件的信號采集調控系統可以分為五種類型(如圖1所示)：①插卡式：將各種數據采集卡直接插入計算機主板上的擴展槽，通過計算機總線與計算機進行數據傳輸，與專用軟件相結合完成測試任務，這類硬件價格便宜，使用方便。我們研制的皮膚組織光譜檢測儀就是采用數據采集卡的工作方式，性能價格比較高；②并、串口及USB式：該類硬件是近年發展起來的通過計算機的串、并口及USB接口連接的設備，可與臺式機或筆記本電腦的并口／串口相連，通過軟件編程實現信號檢測功能；③GPIB總線式：由GPIB接口卡將若干GPIB形式的儀器與計算機相連，多用于大規模的自動測量和控制系統；④VXI式：VXI總線系統是一種開放的高速多處理結構，適宜于組建高速、高精度、易擴展的大、中規模的測試控制系統，但組建VXI總線控比較貴：⑤PXI式：即PCI擴展規范，由美國NI公司于1997年推出的一類新型的儀器總線規范，是在PCI總線內核技術上增加了成熟的技術規范形成的，具有高度的可擴展性、更短的開發周期和更高的性價比，因而具有廣闊的應用前景。

1．2軟件：軟件是虛擬儀器的核心，虛擬儀器的各種功能如數據采集、數據分析處理、數據顯示存儲等都是針對各種硬件開發的軟件實現的。

開發軟件時，可以采用兩種方法：①采用通用軟件即各種高級編程語言，如Delphi、VC、VB、Java等，使用這些語言進行軟件開發具有較高的自由度，但開發周期較長，難度較大，對軟件開發者有較高的要求；②采用專用軟件即目前應用日益廣泛的專業的圖形化編程軟件，如美國NI公司的Lab—VIEW、Lab Windows或HP公司的VEE等，具有編程容易、軟件開發周期短的優點，但軟件價格昂貴。

一般來講，虛擬儀器的軟件系統包括3個方面：儀器驅動程序、應用程序和前面板程序。儀器驅動程序由生產該儀器的廠家提供，主要用于儀器參數、工作方式的設定和初始化，應用程序可以由用戶針對測試要求通過編程軟件來開發、定義，主要完成數據采集和處理。前面板程序用來提供虛擬儀器與用戶的接口，與傳統儀器的面板相似，在計算機屏幕上生成的圖形界面，具有個性化的開關和按鈕，通過鍵盤或鼠標操作，用于控制檢測和顯示結果等。

2 皮膚組織光譜虛擬儀器系統的設計

傳統的組織光譜儀開發維護費用高，性價比低，更新期長，人機界面一般，儀器功能單一，有一定的局限性。我們用虛擬儀器設計研制出皮膚光譜檢測儀器，利用這臺儀器，可以對正常皮膚或各種色素性皮膚病變的光吸收作用進行實時、在體、無創檢測，并能對數據進行處理、分析、顯示和存儲，且能方便地對其進行維護、功能擴展和升級，具有很高的靈活性，人機界面友好。以下簡要介紹其設計方法。

2．1硬件組成：皮膚組織光譜檢測虛擬儀器構成見圖2，LS—1鹵鎢光源發出的光經光纖接口耦合進Y形光纖的照明光纖中，傳輸到待測皮膚組織上，光子在組織中經過一系列的反射、吸收和散射，攜帶的皮膚組織光譜吸收信息被Y形光纖的收集光纖接收，傳送至光纖光譜儀，經光譜儀產生色散，形成光譜分布，光譜儀線陣CCD的2048個像元分別接收對應于展開光譜各個波長的光子，經過光電轉換，產生相應的電信號， 并依次輸出，由Lab-PC-1200數據采集卡進行A／D轉換，送入計算機。在計算機中，基于LabVIEW的VI程序控制數據的采集，并對數據進行處理、分析、顯示和存儲等。

2．2虛擬儀器開發軟件－LabVIEW：目前國際上應用最廣的虛擬儀器開發環境首推美國NI公司(Na—tional Instruments Corp)的LabVIEW和HP公司(惠普公司)的VEE這兩種軟件。我們采用LabVIEW軟件開發虛擬儀器程序(VI程序)。LabVIEW(Labo-ratory Virtual Instrument Engineering Work-bench)是由一種基于圖形的程序設計語言——G語言構成的，與C、Pascal、BasiC等傳統編程語言有著諸多相似之處，如相似的數據類型、數據流控制結構、程序調試工具，以及層次化、模塊化的編程特點等。但它的每一條語句都是由圖形來表示的，界面非常直觀形象，用LabVIEW編程無需具備太多編程經驗。

一個LabVIEW程序包括三個主要部分：框圖程序、前面板、圖標／接線端口。框圖程序是利用LabVIEW的圖形語言對前面板上的控制量和指示量進行控制。前面板是面向用戶的模擬傳統儀器面板的交互式圖形化界面，如圖3所示，用于設置用戶輸入和顯示程序輸出。圖標／接線端口用于把Lab VIEW程序定義成一個子程序，以便在其他程序中加以調用，這使Lab VIEW得以實現層次化、模塊化編程。

組織光譜檢測虛擬儀器系統的數據采集(Data AcquiSition，DAQ)程序包括模擬輸入、模擬輸出、數字輸入／輸出、計數器操作等。包括6個子模板，分別是：模擬輸入(Analog Input)、模擬輸出(Analog Output)、數字輸入／輸出(Digital I／O)、計數器(Counter)、標定和配置(Calibrationand Configuration)以及信號調理(Signal Con-ditioning)。操作人員通過鼠標點擊按鈕和圖標發送各種命令，完成光譜數據采集、處理和顯示等基本任務。

3 臨床應用

虛擬儀器皮膚組織光譜在皮膚色素性和血管性疾病的激光治療中起輔助診斷、指導選擇治療參數和判斷療效的作用。組織光譜可精確顯示皮膚病變對某特定波長光子的吸收系數，可指導臨床選擇吸收系數高的激光波長進行治療。同時，由于短波長的吸收系數反映病灶淺層的吸收結果，長波長的吸收系數反映的是病灶深層和淺層組織對光了吸收的總的結果，先用短波長的吸收情況分析出病灶淺層色素平均密度的大小，再將長波長吸收中淺層的吸收信息去除，得到深層色素的密度大小。這樣可以由淺入深地對病灶組織各個深度層次的黑素密度進行分析。

太田痣通常選用Q755nm和Q1 064nm兩種激光進行治療，通過對755nm和1064nm兩處的吸收系數進行統計分析，明確太田痣病變對兩種波長激光的吸收率范圍，并按吸收強弱對太田痣進行光譜學分類，可以了解皮膚不同深度層次病灶中的色素密度，結合臨床實踐，可指導選擇激光治療參數。圖4為１例太田痣(女，26歲，面部左側太田痣)患者的測試結果。該病例在755nm處吸收較弱，而在1064nm處的吸收較強。由此可以看出，該病例的患處應主要分布在較深的真皮組織中，且色素密度較大，應用1064nm激光治療會得到明顯的治療效果。圖5為2例太田痣患者的吸收光譜，其中a例已經過4次治療，b例已經過6次治療。兩例的吸收率雖然在1064nm處相近，但在755nm明顯不同，a＞b。說明a例黑素在淺層還比較密集，應用755nm進行治療。b例曲線已出現血紅蛋白吸收特征，說明該例淺層經治療已有好轉，接近正常皮膚，而深層黑素密度還較大，應用1064nm，加大治療劑量。

4 小結

虛擬儀器是各種設備與計算機技術相結合的產物，已成為當今儀器領域發展的重要方向之一。它簡化了科學計算、過程控制和測試應用，增強了用戶組建自己的科學和工程系統的能力，因而具有傳統儀器不可比擬的優越性，虛擬儀器技術在生物醫學領域的應用也越來越多。我們采用LabVIEW開發環境研制了皮膚組織光譜檢測系統，可以對各種色素性皮膚病變進行在體、實時、無創的光吸收作用檢測，不僅可以用來探討黃種人皮膚組織的光吸收特性，而且可以為臨床激光美容提供理論指導。

編輯／李陽利

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。