研究背景：　　任何有生命的物质都会自发的向外辐射光子，这种现象称为生物光子辐射。生物光子辐射是一个普遍的生命现象，存在于各种动物、植物、藻类及微生物系统之中，其光谱范围为200-800 nm，强度很弱，大约几到几百个光子/s·cm2。生物光子辐射来源于生命系统内新陈代谢过程中各种生物分子从高能态到低能态的跃迁，它是一个发生在“分子层次”的生命现象，生物光子辐射携带着有关生物分子组成和结构的信息，其对生物系统内部的变化和外界环境的影响有高度的敏感性，生物系统在分子层次的变化能引起系统生物光子辐射在强度、光谱分布以及光子计数统计性质等方面的改变。实验研究表明，生物光子辐射与生物体的氧化代谢、信息传递、细胞分裂、癌变、死亡及生长调控等重要的生命过程有着密切的联系，已成为生物光子学的重要研究方向之一。生物光子技术是近几十年来在德国、美国、日本和荷兰等国发展起来的一项新技术，其灵敏度高，灵敏度可达10光子/s·cm2(相当于10-17 W/cm2)，能够探测生物样品内部及环境的微弱变化。由于其灵敏度和准确度高、测量迅速等特点，目前已被广泛应用于水质监测、食品质量检验、种子发芽率测定和转基因种子的识别、药品性能及效果分析以及中药性能的定量测试等领域，然而其在医学领域的应用由于相关临床数据资料的缺乏而进展缓慢。　　人体皮肤表面生物光子辐射研究可追溯至上世纪六七十年代，研究内容主要集中在健康人体生物光子辐射强度与光谱分布的测试与分析，包括年龄、性别，测试部位、昼夜节律，冥想等对生物光子辐射强度的影响，以及某些疾病状态下生物光子强度的变化。以往大部分研究主要把光子强度作为描述性参数，对人体发光的其它特征参数分析较少，尤其是疾病状态下人体表面自发生物光子光谱分布、光子计数特性的研究更是罕见报道。由于相关定量化数据资料的缺失，导致生物光子技术在医学领域的应用裹足不前，因此，健康人体生物发光特征以及不同疾病状态下生物光子特征性参数的研究，成为当前亟需解决的问题。该问题的解决对于生物光子技术应用于临床具有重要意义，应用前景广阔。　　研究目的：　　1、通过与荷兰合作，组建可用于人体自发超微弱光子探测的两套探测仪器:双手自发生物光子检测系统和可移动式人体自发生物光子检测系统，并进行性能测试和实验条件优化，获得两台仪器的最佳测试条件。　　2、通过测试和分析健康及不同疾病状态下人体十指指尖自发光子辐射光强和光谱分布特征，获得可表征健康及不同疾病状态的自发光子辐射光谱分布特征，以期为生物光子检测技术用于健康评价提供数据支持。　　3、通过测试和分析健康及不同疾病状态下人体腹部正中线5个部位（脐、膈、心、喉和眉心）处的自发光子辐射特征，获得不同测试部位、不同年龄、健康与不同疾病状态的生物发光特征性参数的差异。并基于BP神经网络筛选出可用于疾病识别的最佳测试部位和生物发光特征参数组合，从而为生物光子检测技术应用于医学领域提供定量化的数据资料和科学依据。　　研究方法：　　1、与荷兰Meluna研究所合作对人体超微弱发光检测系统的暗室、光路，电磁屏蔽等部分进行设计，针对人体发光极其微弱的特点，对核心部件光电倍增管、光子计数器，光子计数软件性能进行调研，选择符合人体发光特点的零部件。　　2、测试实验环境温度分别为17℃，20℃，光电倍增管高压分别为968 V(Left)和942 V(Right)、986 V(Left)和906 V（Right）时双手自发生物光子检测系统的背景噪声(BG);测试光电倍增管前快门打开和关闭状态下，系统噪声的变化情况，观察实验暗室的光学密闭性;测试不同滤波片自身的荧光强度，便于后续实验结果的校正;测试可移动式人体自发光子检测系统随制冷时间延长本底噪声的变化情况;测试两套检测系统在长时间（＞10小时）的测量过程中背景噪声的稳定性。　　研究结果：　　第一部分 双手和人体自发生物光子检测系统的建立及性能测试　　1、双手生物光子检测系统的组成及性能。由于人体自发发光极其微弱，对探测装置的灵敏度要求很高，鉴于此，本研究与荷兰Meluna研究所共同完成线路设计、购买零部件、组装和系统调试。系统的核心部件光电倍增管采用高灵敏度51mm大口径端窗型9235QA型光电倍增管（英国ET公司生产），波谱响应范围为290 nm-630 nm;测量暗室内部及表面均发黑处理;采用PM20型高压电源及C9744型光子计数器;数据采集部分采用NI PCIe-6320集成计数器卡。　　2、三维移动式人体自发生物光子检测系统的组成及性能。相较于手部自发发光，人体其它部位的发光更弱，因此该系统采用外加FACT50型制冷器的光电倍增管(9235 QA)，HVM2000/12P型高压电源，C9744型计数器，数据采集部分采用NI USB6216集成计数器卡。　　第二部分 健康及不同疾病状态下手指指尖自发发光光强和光谱的研究　　1、健康及不同疾病状态左右手十指指尖自发发光强度分析:健康人左右手手指指尖自发光子强度呈现出明显的规律性，表现为从拇指、食指、中指、无名指、小指光强的依次降低，并且左右手相应手指的光子强度相近，左右手差异分别为5.68％、1.61％、0.82％、3.8％和5.86％，对称性较好。　　2、健康及不同疾病状态左右手十指指尖自发生物光子光谱分析:健康人左右手十指光谱分布相似，光谱峰值均出现在495-550 nm之间，且只有一个峰值出现，而不同疾病状态对应不同的光谱分布特征，如感冒患者与健康人相比，中指、无名指和小指的光谱分布发生了红移现象，即光谱峰值从495-550 nm移至550-610 nm。　　第三部分 健康及不同疾病状态下人体自发生物光子特征性参数研究　　1、健康人体生物发光特征性参数分析:不同部位之间自发光子辐射强度相差较大，喉和眉心处的光子强度显著高于其余三处(p＜0.05);年龄对不同部位生物光子强度的影响不一，眉心处的光子强度老年组显著高于青年组(p＜0.01)。　　2、不同疾病状态下人体生物发光特征性参数分析:糖尿病患者脐和眉心处的自发光子强度与健康老年组相较差异明显（p=0.032和p=0.012），冠心病患者5处自发光强均值与老年组差异均不显著(p＞0.05)。　　研究结论：　　1、与荷兰合作成功组建了两套可分别用于双手和人体其它部位自发光子辐射探测的仪器，灵敏度可达10-17 W/cm2;经性能调试和实验条件优化，最终确定了最佳测试环境温度20℃，双手生物光子探测仪最佳光电倍增管高压986 V（左）和906 V（右），此时背景噪声为7.98±0.85 cps（左）和7.54±1.15 cps（右）;人体生物光子探测仪经过2h制冷可使PMT冷却至-25℃，此时系统达到稳定，背景噪声为11±0.54 cps。　　2、健康人左右手手指指尖自发光子强度呈现出明显的规律性，表现为从拇指到小指光强的依次降低，并且左右手相应手指的光子强度相近，对称性较好，疾病状态下，左右手从拇指到小指自发光子强度依次递减的规律消失，表现为某一根指头光强的明显增强，并且左右手相应手指的自发光强相差较大，呈现左右不对称性现象。健康人十指指尖的光谱峰值均出现在495-550 nm之间，而不同疾病对应着不同的光谱分布特征（峰值的数量和位置）。感冒患者双手中指、无名指和小指的光谱峰值从495-550 nm移至550-610 nm，糖尿病患者手指光谱分布与健康人相似，峰值位于495-550 nm波段之间，但峰值强度是健康状态下相应波段峰值强度的2-5倍;冠心病患者右手中指光谱出现2个峰值，分别为395-455 nm和495-550 nm。结果提示手指指尖的光谱分布特征可能作为不同疾病的表征指标。　　3、通过分析比较健康人、糖尿病、冠心病患者自发光子辐射的12个特征性参数，发现糖尿病患者在光强(Signal strength)、Q值、压缩态参数r，θ，ψ出现标准值的比例、SSI这6个参数上与健康人相较差异显著，而冠心病患者在光强(Mean)、Q值上与健康人相较差异不明显，但Fano因子曲线、压缩态参数r，θ，ψ出现标准值的比例、SSI这5个参数可以将冠心病患者和健康人较好的区分开来。最后通过BP神经网络对不同参数组合和测试部位对疾病的识别效果进行了评价，发现当Signal strength，intercept，slope，SSI，Q，|α|，r，θ，ψ这9个参数组合作为训练输入时，BP神经网络对糖尿病和冠心病患者的识别在训练正确率、训练误差和训练步数上达到最佳，而脐和心这两个测试部位分别是识别糖尿病和冠心病较好的测试部位。　　创新点与意义：　　1、本研究与荷兰合作设计搭建了双手和人体自发生物光子检测系统，灵敏度好，信噪比高，可测量人体辐射的超微弱光子信号，为从人体自发发光角度研究机体状态提供了技术平台。　　2、通过Matlab软件设计编码的数据处理程序，得到了可表征自发发光特征的12个参数，为人体超微弱生物光子信号的处理提供了系统的数据处理方法。　　3、目前关于疾病状态下人体超微弱光子辐射特征的研究国内外罕见报道，本课题通过对健康与不同疾病状态下人体发光强度、光谱分布和光子计数特征参数的比较研究，获得了几种常见疾病的生物发光特征，不仅为今后多种疾病发光特征数据库的建立提供了思路和方法，同时也为生物光子无损检测技术应用于人体健康状态评估提供了数据支持。