基于近紅外光的靜脈深度估算研究

朱東瑩 呂勇 沈俊杰

摘 要：靜脈注射和靜脈抽血是最常用的醫療方法之一，都需要醫護人員對患者靜脈穿刺。在患者接受穿刺時，由于患者皮膚狀況不同，讓醫護人員不能確定靜脈的具體位置和深度，從而造成穿刺失敗。文章嘗試通過近紅外技術估計靜脈深度，從而為醫護人員提供參考，提高穿刺成功率。通過檢測手臂皮膚皮下脂肪厚度估計靜脈深度。原理是人表皮對近紅外光吸收率較低，脂肪存在強烈的背向散射，而靜脈對近紅外光存在較強的吸收與前向散射。通過檢測背向散射光強度來檢測靜脈深度。通過蒙特卡羅法模擬皮膚結構對光的作用，建立數學模型，仿真結果顯示，脂肪厚度越大，后向散射越強，出射光越強，兩者相關度越好，從而能夠較準確地確定靜脈深度，提高醫護人員穿刺成功率。

關鍵詞：近紅外；靜脈深度；靜脈穿刺；蒙特卡羅方法

中圖分類號：R472 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）28-0018-04

Abstract： Intravenous injection and venous blood sampling is one of the most commonly used medical methods， both of which need medical staff to the patient venipuncture. At the time of puncture， due to the different skin condition of the patient， the doctors and nurses can not determine the specific location and depth of the vein， resulting in puncture failure. This paper attempts to estimate the depth of vein by near-infrared technique so as to provide references for doctors and nurses and improve the success rate of puncture. The vein depth was estimated by measuring the thickness of the subcutaneous fat of the arm skin. The principle is that human epidermis has lower absorption rate of near-infrared light， fat has strong backscattering， while vein has stronger absorption and forward scattering of near-infrared light. The depth of vein was measured by measuring the intensity of backscattered light. The effect of skin structure on light is simulated by Monte Carlo method， and the mathematical model is established. The simulation results show that the greater the thickness of fat， the stronger the backscattering and the stronger the output light， the better the correlation between the two， so that the vein depth can be determined more accurately， to improve the success rate of puncture.

Keywords： near-infrared； vein depth； venipuncture； Monte Carlo method

1 概述

靜脈成像技術可以從靜脈圖像中提取靜脈特征，進行身份識別。或將靜脈圖像投影回手臂顯示靜脈位置，可以幫助醫護人員準確地找到靜脈并穿刺。

在720～1100nm近紅外光的照射下，手臂靜脈中的血紅蛋白對近紅外光的吸收強于周圍組織對近紅外光的吸收，通過光成像系統可以觀察到血管部分對應的光強度低于非血管區域，形成了手臂靜脈圖像。本文提出一種通過850nm和940nm波長的紅外光對比檢測靜脈深度的方法，為醫護人員穿刺時的穿刺深度提供參考。

2 手臂靜脈深度估算基本原理

2.1 手臂光學特性及數學模型

2.3 手臂組織的光學特性

2.3.1 手臂皮膚的結構和吸收特性

手臂的皮膚組織由表皮層、真皮層、皮下組織構成。表皮層是由角質層、透明層、顆粒層、有棘層和基底層構成的非常薄的結構，厚度約為0.0027～0.015cm。前四層對近紅外光的吸收能力很弱，大部分光線能穿過前四層，進入皮膚下層，而基底層中存有黑色素。黑色素會吸收一部分紅外光。真皮層分為乳頭層和網狀層，厚度約0.06～0.3cm，它們的主要成分是彈性纖維和結締組織，其中含有大量的水，能吸收一部分近紅外光。皮下組織由脂肪細胞和血管網組成。

在對紅外光有吸收作用的成份中，膽紅素、脫氧血色素和含氧血色素等細胞色素的吸收系數接近零，對紅外光的吸收作用可以忽略不計。血紅蛋白分為攜氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白。從攜氧血紅蛋白、脫氧血紅蛋白、水的近紅外吸收光譜分析，如圖1所示在800nm以下的波長范圍內，水對光的吸收率小于0.02，在800nm以上的波長范圍內，水的吸收率迅速增大。從圖1還可以看出血液中的氧合血蛋白和還原血蛋白在850nm與940nm的近紅外光照下吸收紅外光的能力相似。通過脂類在近紅外光的光譜圖中的曲線可知，在850nm波長范圍內，脂類的吸收率小于0.02，而在940nm時，吸收率變為0.05以上。由圖2可以看出，表皮層的黑色素對850nm和940nm的近紅外光有一定吸收能力但是吸收率變化不大。

對不同成分在850、940nm的波長下吸收率的比較，水的吸收能力顯著增大，皮膚中對紅外光的吸收主要為脂類、黑色素、氧合血紅蛋白、還原血紅蛋白和水，其中吸收率變化明顯的是脂肪和水。

2.3.2 散射

皮膚是非均勻的光學介質，皮膚除了會吸收光外，還會發生散射。散射時光的傳播方向發生改變，入射光與散射光的夾角稱為散射角，紅外光穿過皮膚的散射角多在8°～45°，是前向散射，另一部分光形成后向散射。散射與波長有關，波長越短，散射的光越多；波長越長，散射越小，光線越容易穿過皮膚組織。

表皮層的散射較少，因此除了少量被吸收的部分，其余光線都進入真皮層。真皮層的散射比較復雜。乳突層中小膠原纖維使得真皮層后向散射嚴重，大部分入射光被反射回去。在網狀層中，入射光在膠原纖維作用下，大部分發生前向散射并繼續向下傳播。在脂肪層中，由于脂肪細胞遠大于近紅外光的波長，存在強烈的散射。

由于手臂組織的皮膚層較厚，所用近紅外光源能量較弱，所以近似認為近紅外光被皮膚組織完全吸收。

2.3.3 手臂組織的光學特性分析

根據朗伯·比爾定律，吸光物質所吸收的光能總量與入射輻射波的波長有關，并且與吸收層的厚度成正比。

在850nm光照下，水和脂肪對光的吸收較小，皮膚表面形成的光強差異明顯，且在該波段下，后向散射明顯。隨著波長的增大，水和脂類對近紅外光的吸收量明顯增大。

2.4 手臂靜脈深度估算的理論基礎

靜脈深度由表皮厚度、真皮厚度和覆蓋在靜脈上的脂肪層厚度決定。一般人的手臂皮膚表皮層厚度為0.15毫米左右，皮膚總厚度一般為2毫米左右，而脂肪層厚度每個個體與部位都不同。所以手臂靜脈深度主要由脂肪層厚度決定。

皮膚表皮層對紅外光有很好的透過特性。照射到人體皮膚的近紅外光線，大部分都能穿過表皮進入皮下脂肪組織。并且，脂肪的后向散射光大部分能穿過皮膚。光在脂肪中也存在散射和吸收兩種作用。但脂肪吸收系數小而且穩定，在940nm 波長附近有吸收紅外光的峰值，而在850nm 波長下，吸收紅外的作用較小，可以利用兩波長下吸收紅外光能量的差值推算脂肪厚度。由于脂肪細胞尺寸遠大于近紅外光的波長，脂肪中存在著很強的背向散射。使用可以利用背向散射光差值推測脂肪的厚度。

3 蒙特卡羅方法測靜脈深度

生物組織對光在其中傳播時的散射系數遠大于吸收系數，所以組織中的傳播不能用一般的朗伯·比爾定律來描述，所以很難測量生物組織中的光程長。組織光學研究光在組織的傳播的情況時一般使用的數學模型是漫射方程或通過蒙特卡羅仿真方法。蒙特卡羅方法能模擬光子流在皮膚組織中的傳輸過程，被認為是最能模擬實際情況的方法。

3.1 蒙特卡羅模擬步驟分析

將皮膚對光的作用分為四個步驟：光子產生、光子傳輸、光子邊界的反射、光子消亡。總結出蒙特卡羅方法步驟，如圖3所示。

為了滿足模型，需要對光子和生物組織進行一定的假設：

a.假設光源每次發出一個光子，并垂直射入皮膚。

b.入射光子的能量具有可分性，即光子能量會減少。

c.不考慮光子的波動性。

d.皮膚結構具有明確的分層。

e.各層結構之間互相平行。

f.每層的光學參數不同，同層質地均勻，光學參數相同。

為了描述光子的運動與狀況，基于假設，建立坐標系。通常選擇兩套坐標系。O-XYZ用來表示光子的位置，其中O表示光子的入射點。引入坐標變量（r，θ）來描述光子的位置，其中r表示光子在OXY平面投影點距離O點的距離，θ表示O點到投影點向量與X的夾角；0′- X′Y′Z′是用來描述光子的運動方向，用（ψ，φ）來表示光子原來運動方向與X和Z軸夾角，在光子被散射時，其散射角分別為（ψs，φs），則ψs， φs分別為與X′、Z′的夾角。

3.1.1 光子包的發射

3.1.4 光子消亡

當光子到組織邊界面時，認為光子已經消亡；在生物組織中的光子，如果權重w過小時，不研究該光子的后續傳輸。采用蒙特卡羅方法對判定是否對光子研究。設定整數a，隨機數ζ；如果ζ>1/a，認為光子消失；當ζ≤1/a，則光子的權重改為aw。

3.2 蒙特卡羅仿真

通過蒙特卡羅方法模擬紅外光與三層組織（表皮、脂肪、靜脈和肌肉）的作用。

圖4顯示出在一定范圍內，光子的光程長度與接收器成正比。圖5中可以看出大部分光子不能進入超過5mm的內部。反射回的光子大部分沒有穿透1mm。

3.3 不同脂肪厚度對光的影響

設定表皮層厚度為1mm，皮下脂肪為0.1mm到10mm。取1mm，5mm，10mm進行試驗。圖6顯示初射位置在5mm到15mm光強變化比較大。圖7為初射位置與脂肪厚度的相關系數，表明初射距離10mm以上光強與脂肪厚度有較好的相關性。

計算機模擬的蒙特卡羅模擬顯示： 不同出射位置，光子的平均到達的最大深度與光接收器之間的距離呈一定的線性關系； 當脂肪厚度較大，散射光較強，出射光強度大時，脂肪厚度與出射光的強度的相關性較好，此時，通過光強預測靜脈深度就較準確。

4 結束語

利用不同波長的近紅外光對比的蒙特卡羅方法能較準確地估計靜脈深度，為醫護人員對病患靜脈穿刺提供參考。在對靜脈深度進行估計時，適當提高近紅外光的光強能使檢測結果更準確。

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