基于超微弱發(fā)光檢測技術(shù)的人體生物光子輻射與疾病相關(guān)性的研究.pdf

1、研究背景：
　　任何有生命的物質(zhì)都會自發(fā)的向外輻射光子，這種現(xiàn)象稱為生物光子輻射。生物光子輻射是一個普遍的生命現(xiàn)象，存在于各種動物、植物、藻類及微生物系統(tǒng)之中，其光譜范圍為200-800 nm，強(qiáng)度很弱，大約幾到幾百個光子/s·cm2。生物光子輻射來源于生命系統(tǒng)內(nèi)新陳代謝過程中各種生物分子從高能態(tài)到低能態(tài)的躍遷，它是一個發(fā)生在“分子層次”的生命現(xiàn)象，生物光子輻射攜帶著有關(guān)生物分子組成和結(jié)構(gòu)的信息，其對生物系統(tǒng)內(nèi)部的變化和外界環(huán)境的

2、影響有高度的敏感性，生物系統(tǒng)在分子層次的變化能引起系統(tǒng)生物光子輻射在強(qiáng)度、光譜分布以及光子計數(shù)統(tǒng)計性質(zhì)等方面的改變。實驗研究表明，生物光子輻射與生物體的氧化代謝、信息傳遞、細(xì)胞分裂、癌變、死亡及生長調(diào)控等重要的生命過程有著密切的聯(lián)系，已成為生物光子學(xué)的重要研究方向之一。生物光子技術(shù)是近幾十年來在德國、美國、日本和荷蘭等國發(fā)展起來的一項新技術(shù)，其靈敏度高，靈敏度可達(dá)10光子/s·cm2(相當(dāng)于10-17 W/cm2)，能夠探測生物樣品內(nèi)部

3、及環(huán)境的微弱變化。由于其靈敏度和準(zhǔn)確度高、測量迅速等特點，目前已被廣泛應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測、食品質(zhì)量檢驗、種子發(fā)芽率測定和轉(zhuǎn)基因種子的識別、藥品性能及效果分析以及中藥性能的定量測試等領(lǐng)域，然而其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用由于相關(guān)臨床數(shù)據(jù)資料的缺乏而進(jìn)展緩慢。
　　人體皮膚表面生物光子輻射研究可追溯至上世紀(jì)六七十年代，研究內(nèi)容主要集中在健康人體生物光子輻射強(qiáng)度與光譜分布的測試與分析，包括年齡、性別，測試部位、晝夜節(jié)律，冥想等對生物光子輻射強(qiáng)度的影響

4、，以及某些疾病狀態(tài)下生物光子強(qiáng)度的變化。以往大部分研究主要把光子強(qiáng)度作為描述性參數(shù)，對人體發(fā)光的其它特征參數(shù)分析較少，尤其是疾病狀態(tài)下人體表面自發(fā)生物光子光譜分布、光子計數(shù)特性的研究更是罕見報道。由于相關(guān)定量化數(shù)據(jù)資料的缺失，導(dǎo)致生物光子技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用裹足不前，因此，健康人體生物發(fā)光特征以及不同疾病狀態(tài)下生物光子特征性參數(shù)的研究，成為當(dāng)前亟需解決的問題。該問題的解決對于生物光子技術(shù)應(yīng)用于臨床具有重要意義，應(yīng)用前景廣闊。
　　

5、研究目的：
　　1、通過與荷蘭合作，組建可用于人體自發(fā)超微弱光子探測的兩套探測儀器:雙手自發(fā)生物光子檢測系統(tǒng)和可移動式人體自發(fā)生物光子檢測系統(tǒng)，并進(jìn)行性能測試和實驗條件優(yōu)化，獲得兩臺儀器的最佳測試條件。
　　2、通過測試和分析健康及不同疾病狀態(tài)下人體十指指尖自發(fā)光子輻射光強(qiáng)和光譜分布特征，獲得可表征健康及不同疾病狀態(tài)的自發(fā)光子輻射光譜分布特征，以期為生物光子檢測技術(shù)用于健康評價提供數(shù)據(jù)支持。
　　3、通過測試和分析健康

6、及不同疾病狀態(tài)下人體腹部正中線5個部位（臍、膈、心、喉和眉心）處的自發(fā)光子輻射特征，獲得不同測試部位、不同年齡、健康與不同疾病狀態(tài)的生物發(fā)光特征性參數(shù)的差異。并基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)篩選出可用于疾病識別的最佳測試部位和生物發(fā)光特征參數(shù)組合，從而為生物光子檢測技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域提供定量化的數(shù)據(jù)資料和科學(xué)依據(jù)。
　　研究方法：
　　1、與荷蘭Meluna研究所合作對人體超微弱發(fā)光檢測系統(tǒng)的暗室、光路，電磁屏蔽等部分進(jìn)行設(shè)計，針對人體發(fā)

7、光極其微弱的特點，對核心部件光電倍增管、光子計數(shù)器，光子計數(shù)軟件性能進(jìn)行調(diào)研，選擇符合人體發(fā)光特點的零部件。
　　2、測試實驗環(huán)境溫度分別為17℃，20℃，光電倍增管高壓分別為968 V(Left)和942 V(Right)、986 V(Left)和906 V（Right）時雙手自發(fā)生物光子檢測系統(tǒng)的背景噪聲(BG);測試光電倍增管前快門打開和關(guān)閉狀態(tài)下，系統(tǒng)噪聲的變化情況，觀察實驗暗室的光學(xué)密閉性;測試不同濾波片自身的熒光強(qiáng)度，

8、便于后續(xù)實驗結(jié)果的校正;測試可移動式人體自發(fā)光子檢測系統(tǒng)隨制冷時間延長本底噪聲的變化情況;測試兩套檢測系統(tǒng)在長時間（＞10小時）的測量過程中背景噪聲的穩(wěn)定性。
　　研究結(jié)果：
　　第一部分 雙手和人體自發(fā)生物光子檢測系統(tǒng)的建立及性能測試
　　1、雙手生物光子檢測系統(tǒng)的組成及性能。由于人體自發(fā)發(fā)光極其微弱，對探測裝置的靈敏度要求很高，鑒于此，本研究與荷蘭Meluna研究所共同完成線路設(shè)計、購買零部件、組裝和系統(tǒng)調(diào)試。系統(tǒng)

9、的核心部件光電倍增管采用高靈敏度51mm大口徑端窗型9235QA型光電倍增管（英國ET公司生產(chǎn)），波譜響應(yīng)范圍為290 nm-630 nm;測量暗室內(nèi)部及表面均發(fā)黑處理;采用PM20型高壓電源及C9744型光子計數(shù)器;數(shù)據(jù)采集部分采用NI PCIe-6320集成計數(shù)器卡。
　　2、三維移動式人體自發(fā)生物光子檢測系統(tǒng)的組成及性能。相較于手部自發(fā)發(fā)光，人體其它部位的發(fā)光更弱，因此該系統(tǒng)采用外加FACT50型制冷器的光電倍增管(9235

10、 QA)，HVM2000/12P型高壓電源，C9744型計數(shù)器，數(shù)據(jù)采集部分采用NI USB6216集成計數(shù)器卡。
　　第二部分 健康及不同疾病狀態(tài)下手指指尖自發(fā)發(fā)光光強(qiáng)和光譜的研究
　　1、健康及不同疾病狀態(tài)左右手十指指尖自發(fā)發(fā)光強(qiáng)度分析:健康人左右手手指指尖自發(fā)光子強(qiáng)度呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，表現(xiàn)為從拇指、食指、中指、無名指、小指光強(qiáng)的依次降低，并且左右手相應(yīng)手指的光子強(qiáng)度相近，左右手差異分別為5.68％、1.61％、0.8

11、2％、3.8％和5.86％，對稱性較好。
　　2、健康及不同疾病狀態(tài)左右手十指指尖自發(fā)生物光子光譜分析:健康人左右手十指光譜分布相似，光譜峰值均出現(xiàn)在495-550 nm之間，且只有一個峰值出現(xiàn)，而不同疾病狀態(tài)對應(yīng)不同的光譜分布特征，如感冒患者與健康人相比，中指、無名指和小指的光譜分布發(fā)生了紅移現(xiàn)象，即光譜峰值從495-550 nm移至550-610 nm。
　　第三部分 健康及不同疾病狀態(tài)下人體自發(fā)生物光子特征性參數(shù)研究<

12、br>　　1、健康人體生物發(fā)光特征性參數(shù)分析:不同部位之間自發(fā)光子輻射強(qiáng)度相差較大，喉和眉心處的光子強(qiáng)度顯著高于其余三處(p＜0.05);年齡對不同部位生物光子強(qiáng)度的影響不一，眉心處的光子強(qiáng)度老年組顯著高于青年組(p＜0.01)。
　　2、不同疾病狀態(tài)下人體生物發(fā)光特征性參數(shù)分析:糖尿病患者臍和眉心處的自發(fā)光子強(qiáng)度與健康老年組相較差異明顯（p=0.032和p=0.012），冠心病患者5處自發(fā)光強(qiáng)均值與老年組差異均不顯著(p＞0.0

13、5)。
　　研究結(jié)論：
　　1、與荷蘭合作成功組建了兩套可分別用于雙手和人體其它部位自發(fā)光子輻射探測的儀器，靈敏度可達(dá)10-17 W/cm2;經(jīng)性能調(diào)試和實驗條件優(yōu)化，最終確定了最佳測試環(huán)境溫度20℃，雙手生物光子探測儀最佳光電倍增管高壓986 V（左）和906 V（右），此時背景噪聲為7.98±0.85 cps（左）和7.54±1.15 cps（右）;人體生物光子探測儀經(jīng)過2h制冷可使PMT冷卻至-25℃，此時系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定

14、，背景噪聲為11±0.54 cps。
　　2、健康人左右手手指指尖自發(fā)光子強(qiáng)度呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，表現(xiàn)為從拇指到小指光強(qiáng)的依次降低，并且左右手相應(yīng)手指的光子強(qiáng)度相近，對稱性較好，疾病狀態(tài)下，左右手從拇指到小指自發(fā)光子強(qiáng)度依次遞減的規(guī)律消失，表現(xiàn)為某一根指頭光強(qiáng)的明顯增強(qiáng)，并且左右手相應(yīng)手指的自發(fā)光強(qiáng)相差較大，呈現(xiàn)左右不對稱性現(xiàn)象。健康人十指指尖的光譜峰值均出現(xiàn)在495-550 nm之間，而不同疾病對應(yīng)著不同的光譜分布特征（峰值的數(shù)

15、量和位置）。感冒患者雙手中指、無名指和小指的光譜峰值從495-550 nm移至550-610 nm，糖尿病患者手指光譜分布與健康人相似，峰值位于495-550 nm波段之間，但峰值強(qiáng)度是健康狀態(tài)下相應(yīng)波段峰值強(qiáng)度的2-5倍;冠心病患者右手中指光譜出現(xiàn)2個峰值，分別為395-455 nm和495-550 nm。結(jié)果提示手指指尖的光譜分布特征可能作為不同疾病的表征指標(biāo)。
　　3、通過分析比較健康人、糖尿病、冠心病患者自發(fā)光子輻射的12

16、個特征性參數(shù)，發(fā)現(xiàn)糖尿病患者在光強(qiáng)(Signal strength)、Q值、壓縮態(tài)參數(shù)r，θ，ψ出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)值的比例、SSI這6個參數(shù)上與健康人相較差異顯著，而冠心病患者在光強(qiáng)(Mean)、Q值上與健康人相較差異不明顯，但Fano因子曲線、壓縮態(tài)參數(shù)r，θ，ψ出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)值的比例、SSI這5個參數(shù)可以將冠心病患者和健康人較好的區(qū)分開來。最后通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對不同參數(shù)組合和測試部位對疾病的識別效果進(jìn)行了評價，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Signal strength，

17、intercept，slope，SSI，Q，|α|，r，θ，ψ這9個參數(shù)組合作為訓(xùn)練輸入時，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對糖尿病和冠心病患者的識別在訓(xùn)練正確率、訓(xùn)練誤差和訓(xùn)練步數(shù)上達(dá)到最佳，而臍和心這兩個測試部位分別是識別糖尿病和冠心病較好的測試部位。
　　創(chuàng)新點與意義：
　　1、本研究與荷蘭合作設(shè)計搭建了雙手和人體自發(fā)生物光子檢測系統(tǒng)，靈敏度好，信噪比高，可測量人體輻射的超微弱光子信號，為從人體自發(fā)發(fā)光角度研究機(jī)體狀態(tài)提供了技術(shù)平臺。

18、r>　　2、通過Matlab軟件設(shè)計編碼的數(shù)據(jù)處理程序，得到了可表征自發(fā)發(fā)光特征的12個參數(shù)，為人體超微弱生物光子信號的處理提供了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法。
　　3、目前關(guān)于疾病狀態(tài)下人體超微弱光子輻射特征的研究國內(nèi)外罕見報道，本課題通過對健康與不同疾病狀態(tài)下人體發(fā)光強(qiáng)度、光譜分布和光子計數(shù)特征參數(shù)的比較研究，獲得了幾種常見疾病的生物發(fā)光特征，不僅為今后多種疾病發(fā)光特征數(shù)據(jù)庫的建立提供了思路和方法，同時也為生物光子無損檢測技術(shù)應(yīng)用于人體