基于近红外光的静脉深度估算研究

朱东莹 吕勇 沈俊杰

摘 要：静脉注射和静脉抽血是最常用的医疗方法之一，都需要医护人员对患者静脉穿刺。在患者接受穿刺时，由于患者皮肤状况不同，让医护人员不能确定静脉的具体位置和深度，从而造成穿刺失败。文章尝试通过近红外技术估计静脉深度，从而为医护人员提供参考，提高穿刺成功率。通过检测手臂皮肤皮下脂肪厚度估计静脉深度。原理是人表皮对近红外光吸收率较低，脂肪存在强烈的背向散射，而静脉对近红外光存在较强的吸收与前向散射。通过检测背向散射光强度来检测静脉深度。通过蒙特卡罗法模拟皮肤结构对光的作用，建立数学模型，仿真结果显示，脂肪厚度越大，后向散射越强，出射光越强，两者相关度越好，从而能够较准确地确定静脉深度，提高医护人员穿刺成功率。

关键词：近红外；静脉深度；静脉穿刺；蒙特卡罗方法

中图分类号：R472 文献标志码：A 文章编号：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

靜脉成像技术可以从静脉图像中提取静脉特征，进行身份识别。或将静脉图像投影回手臂显示静脉位置，可以帮助医护人员准确地找到静脉并穿刺。

在720～1100nm近红外光的照射下，手臂静脉中的血红蛋白对近红外光的吸收强于周围组织对近红外光的吸收，通过光成像系统可以观察到血管部分对应的光强度低于非血管区域，形成了手臂静脉图像。本文提出一种通过850nm和940nm波长的红外光对比检测静脉深度的方法，为医护人员穿刺时的穿刺深度提供参考。

2 手臂静脉深度估算基本原理

2.1 手臂光学特性及数学模型

2.3 手臂组织的光学特性

2.3.1 手臂皮肤的结构和吸收特性

手臂的皮肤组织由表皮层、真皮层、皮下组织构成。表皮层是由角质层、透明层、颗粒层、有棘层和基底层构成的非常薄的结构，厚度约为0.0027～0.015cm。前四层对近红外光的吸收能力很弱，大部分光线能穿过前四层，进入皮肤下层，而基底层中存有黑色素。黑色素会吸收一部分红外光。真皮层分为乳头层和网状层，厚度约0.06～0.3cm，它们的主要成分是弹性纤维和结缔组织，其中含有大量的水，能吸收一部分近红外光。皮下组织由脂肪细胞和血管网组成。

在对红外光有吸收作用的成份中，胆红素、脱氧血色素和含氧血色素等细胞色素的吸收系数接近零，对红外光的吸收作用可以忽略不计。血红蛋白分为携氧血红蛋白和脱氧血红蛋白。从携氧血红蛋白、脱氧血红蛋白、水的近红外吸收光谱分析，如图1所示在800nm以下的波长范围内，水对光的吸收率小于0.02，在800nm以上的波长范围内，水的吸收率迅速增大。从图1还可以看出血液中的氧合血蛋白和还原血蛋白在850nm与940nm的近红外光照下吸收红外光的能力相似。通过脂类在近红外光的光谱图中的曲线可知，在850nm波长范围内，脂类的吸收率小于0.02，而在940nm时，吸收率变为0.05以上。由图2可以看出，表皮层的黑色素对850nm和940nm的近红外光有一定吸收能力但是吸收率变化不大。

对不同成分在850、940nm的波长下吸收率的比较，水的吸收能力显著增大，皮肤中对红外光的吸收主要为脂类、黑色素、氧合血红蛋白、还原血红蛋白和水，其中吸收率变化明显的是脂肪和水。

2.3.2 散射

皮肤是非均匀的光学介质，皮肤除了会吸收光外，还会发生散射。散射时光的传播方向发生改变，入射光与散射光的夹角称为散射角，红外光穿过皮肤的散射角多在8°～45°，是前向散射，另一部分光形成后向散射。散射与波长有关，波长越短，散射的光越多；波长越长，散射越小，光线越容易穿过皮肤组织。

表皮层的散射较少，因此除了少量被吸收的部分，其余光线都进入真皮层。真皮层的散射比较复杂。乳突层中小胶原纤维使得真皮层后向散射严重，大部分入射光被反射回去。在网状层中，入射光在胶原纤维作用下，大部分发生前向散射并继续向下传播。在脂肪层中，由于脂肪细胞远大于近红外光的波长，存在强烈的散射。

由于手臂组织的皮肤层较厚，所用近红外光源能量较弱，所以近似认为近红外光被皮肤组织完全吸收。

2.3.3 手臂组织的光学特性分析

根据朗伯·比尔定律，吸光物质所吸收的光能总量与入射辐射波的波长有关，并且与吸收层的厚度成正比。

在850nm光照下，水和脂肪对光的吸收较小，皮肤表面形成的光强差异明显，且在该波段下，后向散射明显。随着波长的增大，水和脂类对近红外光的吸收量明显增大。

2.4 手臂静脉深度估算的理论基础

静脉深度由表皮厚度、真皮厚度和覆盖在静脉上的脂肪层厚度决定。一般人的手臂皮肤表皮层厚度为0.15毫米左右，皮肤总厚度一般为2毫米左右，而脂肪层厚度每个个体与部位都不同。所以手臂静脉深度主要由脂肪层厚度决定。

皮肤表皮层对红外光有很好的透过特性。照射到人体皮肤的近红外光线，大部分都能穿过表皮进入皮下脂肪组织。并且，脂肪的后向散射光大部分能穿过皮肤。光在脂肪中也存在散射和吸收两种作用。但脂肪吸收系数小而且稳定，在940nm 波长附近有吸收红外光的峰值，而在850nm 波长下，吸收红外的作用较小，可以利用两波长下吸收红外光能量的差值推算脂肪厚度。由于脂肪细胞尺寸远大于近红外光的波长，脂肪中存在着很强的背向散射。使用可以利用背向散射光差值推测脂肪的厚度。

3 蒙特卡罗方法测静脉深度

生物组织对光在其中传播时的散射系数远大于吸收系数，所以组织中的传播不能用一般的朗伯·比尔定律来描述，所以很难测量生物组织中的光程长。组织光学研究光在组织的传播的情况时一般使用的数学模型是漫射方程或通过蒙特卡罗仿真方法。蒙特卡罗方法能模拟光子流在皮肤组织中的传输过程，被认为是最能模拟实际情况的方法。

3.1 蒙特卡罗模拟步骤分析

将皮肤对光的作用分为四个步骤：光子产生、光子传输、光子边界的反射、光子消亡。总结出蒙特卡罗方法步骤，如图3所示。

为了满足模型，需要对光子和生物组织进行一定的假设：

a.假设光源每次发出一个光子，并垂直射入皮肤。

b.入射光子的能量具有可分性，即光子能量会减少。

c.不考虑光子的波动性。

d.皮肤结构具有明确的分层。

e.各层结构之间互相平行。

f.每层的光学参数不同，同层质地均匀，光学参数相同。

为了描述光子的运动与状况，基于假设，建立坐标系。通常选择两套坐标系。O-XYZ用来表示光子的位置，其中O表示光子的入射点。引入坐标变量（r，θ）来描述光子的位置，其中r表示光子在OXY平面投影点距离O点的距离，θ表示O点到投影点向量与X的夹角；0′- X′Y′Z′是用来描述光子的运动方向，用（ψ，φ）来表示光子原来运动方向与X和Z轴夹角，在光子被散射時，其散射角分别为（ψs，φs），则ψs， φs分别为与X′、Z′的夹角。

3.1.1 光子包的发射

3.1.4 光子消亡

当光子到组织边界面时，认为光子已经消亡；在生物组织中的光子，如果权重w过小时，不研究该光子的后续传输。采用蒙特卡罗方法对判定是否对光子研究。设定整数a，随机数ζ；如果ζ>1/a，认为光子消失；当ζ≤1/a，则光子的权重改为aw。

3.2 蒙特卡罗仿真

通过蒙特卡罗方法模拟红外光与三层组织（表皮、脂肪、静脉和肌肉）的作用。

图4显示出在一定范围内，光子的光程长度与接收器成正比。图5中可以看出大部分光子不能进入超过5mm的内部。反射回的光子大部分没有穿透1mm。

3.3 不同脂肪厚度对光的影响

设定表皮层厚度为1mm，皮下脂肪为0.1mm到10mm。取1mm，5mm，10mm进行试验。图6显示初射位置在5mm到15mm光强变化比较大。图7为初射位置与脂肪厚度的相关系数，表明初射距离10mm以上光强与脂肪厚度有较好的相关性。

计算机模拟的蒙特卡罗模拟显示： 不同出射位置，光子的平均到达的最大深度与光接收器之间的距离呈一定的线性关系； 当脂肪厚度较大，散射光较强，出射光强度大时，脂肪厚度与出射光的强度的相关性较好，此时，通过光强预测静脉深度就较准确。

4 结束语

利用不同波长的近红外光对比的蒙特卡罗方法能较准确地估计静脉深度，为医护人员对病患静脉穿刺提供参考。在对静脉深度进行估计时，适当提高近红外光的光强能使检测结果更准确。

参考文献：

[1]Michael J. Mendenhall， Abel S. Nunez， Richard K. Martin， Human skin detection in the visible and near infrared [J].Applied Optics，2015（54）.

[2]高静，韩光，卢启鹏.近红外光在皮肤组织中的传播和光纤探测结构设计[J].光子学报，2018，47（1）：149-155.

[3]李飞.人体皮肤组织光谱研究的计算机方法[D].中国科学院大学，2014.

[4]王爽.人体皮肤黑色素近红外荧光及拉曼光谱特性研究[D].西安：西北大学，2011.

[5]陈旭，孔佩慧.中国人体外重建表皮模型的建立和特征[J].中华皮肤科杂志，2016，49（4）：300-301.