基于超微弱發(fā)光檢測(cè)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(huì)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(gè)普遍的生命現(xiàn)象，存在于各種動(dòng)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(gè)光子/s·cm2。生物光子輻射來(lái)源于生命系統(tǒng)內(nèi)新陳代謝過(guò)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(gè)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(duì)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(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)性質(zhì)等方面的改變。實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)調(diào)控等重要的生命過(guò)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(lái)在德國(guó)、美國(guó)、日本和荷蘭等國(guó)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)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(cè)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(cè)量迅速等特點(diǎn)，目前已被廣泛應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)、食品質(zhì)量檢驗(yàn)、種子發(fā)芽率測(cè)定和轉(zhuǎn)基因種子的識(shí)別、藥品性能及效果分析以及中藥性能的定量測(cè)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?jī)?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(cè)試與分析，包括年齡、性別，測(cè)試部位、晝夜節(jié)律，冥想等對(duì)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(duì)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(jì)數(shù)特性的研究更是罕見(jiàn)報(bào)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(wèn)題。該問(wèn)題的解決對(duì)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(guò)與荷蘭合作，組建可用于人體自發(fā)超微弱光子探測(cè)的兩套探測(cè)儀器:雙手自發(fā)生物光子檢測(cè)系統(tǒng)和可移動(dòng)式人體自發(fā)生物光子檢測(cè)系統(tǒng)，并進(jìn)行性能測(cè)試和實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化，獲得兩臺(tái)儀器的最佳測(cè)試條件。
　　2、通過(guò)測(cè)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(cè)技術(shù)用于健康評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)支持。
　　3、通過(guò)測(cè)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(gè)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(cè)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(shí)別的最佳測(cè)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(cè)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(duì)人體超微弱發(fā)光檢測(cè)系統(tǒng)的暗室、光路，電磁屏蔽等部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，針對(duì)人體發(fā)

7、光極其微弱的特點(diǎn)，對(duì)核心部件光電倍增管、光子計(jì)數(shù)器，光子計(jì)數(shù)軟件性能進(jìn)行調(diào)研，選擇符合人體發(fā)光特點(diǎn)的零部件。
　　2、測(cè)試實(shí)驗(yàn)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(shí)雙手自發(fā)生物光子檢測(cè)系統(tǒng)的背景噪聲(BG);測(cè)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(shí)驗(yàn)暗室的光學(xué)密閉性;測(cè)試不同濾波片自身的熒光強(qiáng)度，

8、便于后續(xù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的校正;測(cè)試可移動(dòng)式人體自發(fā)光子檢測(cè)系統(tǒng)隨制冷時(shí)間延長(zhǎng)本底噪聲的變化情況;測(cè)試兩套檢測(cè)系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間（＞10小時(shí)）的測(cè)量過(guò)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(cè)系統(tǒng)的建立及性能測(cè)試
　　1、雙手生物光子檢測(cè)系統(tǒng)的組成及性能。由于人體自發(fā)發(fā)光極其微弱，對(duì)探測(cè)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(jì)、購(gòu)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(guó)ET公司生產(chǎn)），波譜響應(yīng)范圍為290 nm-630 nm;測(cè)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(jì)數(shù)器;數(shù)據(jù)采集部分采用NI PCIe-6320集成計(jì)數(shù)器卡。
　　2、三維移動(dòng)式人體自發(fā)生物光子檢測(cè)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(jì)數(shù)器，數(shù)據(jù)采集部分采用NI USB6216集成計(jì)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(wú)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(duì)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(gè)峰值出現(xiàn)，而不同疾病狀態(tài)對(duì)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(wú)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(duì)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(cè)的儀器，靈敏度可達(dá)10-17 W/cm2;經(jīng)性能調(diào)試和實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化，最終確定了最佳測(cè)試環(huán)境溫度20℃，雙手生物光子探測(cè)儀最佳光電倍增管高壓986 V（左）和906 V（右），此時(shí)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(cè)儀經(jīng)過(guò)2h制冷可使PMT冷卻至-25℃，此時(shí)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(duì)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(duì)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(duì)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(wú)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(gè)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(guò)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(gè)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(gè)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(gè)參數(shù)可以將冠心病患者和健康人較好的區(qū)分開來(lái)。最后通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)不同參數(shù)組合和測(cè)試部位對(duì)疾病的識(shí)別效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Signal strength，

17、intercept，slope，SSI，Q，|α|，r，θ，ψ這9個(gè)參數(shù)組合作為訓(xùn)練輸入時(shí)，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)糖尿病和冠心病患者的識(shí)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(gè)測(cè)試部位分別是識(shí)別糖尿病和冠心病較好的測(cè)試部位。
　　創(chuàng)新點(diǎn)與意義：
　　1、本研究與荷蘭合作設(shè)計(jì)搭建了雙手和人體自發(fā)生物光子檢測(cè)系統(tǒng)，靈敏度好，信噪比高，可測(cè)量人體輻射的超微弱光子信號(hào)，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(tái)。

18、r>　　2、通過(guò)Matlab軟件設(shè)計(jì)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(gè)參數(shù)，為人體超微弱生物光子信號(hào)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(guó)內(nèi)外罕見(jiàn)報(bào)道，本課題通過(guò)對(duì)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(jì)數(shù)特征參數(shù)的比較研究，獲得了幾種常見(jiàn)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(kù)的建立提供了思路和方法，同時(shí)也為生物光子無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于人體