基于時間分辨透射光譜的血液血紅蛋白無創(chuàng)檢測方法

基于時間分辨透射光譜的血液血紅蛋白無創(chuàng)檢測方法

袁淵黃河楊基春孫美秀

300192天津，中國醫(yī)學科學院北京協(xié)和醫(yī)學院生物醫(yī)學工程研究所

目的基于時間分辨結(jié)合遮蔽光譜（TRACOS）技術(shù)進行血紅蛋白在體無創(chuàng)測量方法的理論研究。方法在人體手指部位及人工血流動力學條件下，檢測和分析動態(tài)雙波長時間分辨透射。通過對時域數(shù)據(jù)進行拉普拉斯變換，提高血紅蛋白的檢測靈敏度。使用質(zhì)量濃度范圍為6～16 g/dl的血紅蛋白對時間分辨檢測法進行驗證。結(jié)果模擬結(jié)果表明，與連續(xù)波法相比，當使用拉普拉斯變換參數(shù)p=5×1010s-1時，時間分辨檢測法可以提供更高的檢測靈敏度。結(jié)論采用小正參數(shù)對時間分辨透射光強進行拉普拉斯變換可以強調(diào)早到達光子效應，從而增強血紅蛋白探測的靈敏度。

時間分辨透射光譜；血液血紅蛋白；無創(chuàng)檢測

Fund program:National Natural Science Foundation of China(81101170)

0 引言

血紅蛋白是人類血液中的重要成分之一，負責將氧從肺部運輸?shù)缴眢w其他部位，人體血紅蛋白水平正常范圍為12～16 g/dl[1]。血液血紅蛋白檢測是臨床中的一項重要檢測。通過血紅蛋白檢測，可以診斷出貧血和出血癥狀[2]。血紅蛋白檢測廣泛應用于門診室、急診室、手術(shù)室、重癥監(jiān)護室、分娩室及婦女和兒童健康護理機構(gòu)。大多數(shù)國家的獻血中心也會在獻血前對捐獻者進行血細胞比容測定，以便在獻血前排除貧血捐獻者，并確保捐獻者血液中有足夠的血紅蛋白。

目前，常見的2種血紅蛋白檢測方法均為有創(chuàng)檢測[3]。①抽取血液樣品送至臨床實驗室進行分析。這是最常見的血紅蛋白檢測方法，具有侵入性、不連續(xù)、非實時的特點，且會加重患者的圍手術(shù)期貧血。②在體外循環(huán)手術(shù)或血液透析期間監(jiān)測體外血液回路中的血紅蛋白[4]。該方法適用范圍窄，且同樣具有侵入性。因此，血紅蛋白的非侵入、實時檢測在臨床診斷中有重要意義。

先前的研究探索了基于時間分辨結(jié)合遮蔽光譜（time-resolved approach combined with occlusionspectroscopy，TRACOS）的在體非侵入血糖檢測方法[5-6]。該方法在人工血流動力學條件下，在人手指部位使用動態(tài)雙波長時間分辨法進行血糖檢測。模擬結(jié)果表明，使用一個小負參數(shù)對時間分辨透射光強進行拉普拉斯變換可以增強葡萄糖的檢測靈敏度。本研究針對基于TRACOS的血紅蛋白檢測方法進行理論研究。通過對時域數(shù)據(jù)進行拉普拉斯變換進行參數(shù)斜率修正。應用數(shù)值模擬方法，對修正后的參數(shù)斜率與血紅蛋白質(zhì)量濃度的關(guān)系進行分析，并使用質(zhì)量濃度范圍為6～16 g/dl的血紅蛋白對該方法進行驗證。

1 吸收模型和散射系數(shù)

血紅蛋白含量對血液的吸收與散射系數(shù)產(chǎn)生影響。在手指上施加臨時的過收縮壓可以減小剪切力并使血流停滯。在低流速率下，血液中的紅細胞（red blood cell，RBC）會沿其對稱軸聚集，產(chǎn)生RBCs疊連效應（RBCs聚集）[7]。RBCs聚集會使散射粒子尺寸增大，引起散射系數(shù)變化，從而改變光透射率。本文基于文獻[5]的實驗條件開展數(shù)值模擬研究，即：假設RBC聚集是一維的，按照軸線相互堆疊，且聚集體形狀可近似為橢球體（圖1）。因此，RBC個體與RBC聚集體均可視為隨機橢球體，其散射截面、吸收截面和各向異性可通過T矩陣法進行計算。

圖1 血紅細胞一維聚集模型

圖2 血液吸收系數(shù)與RBC平均聚集數(shù)（聚集體尺寸）的關(guān)系

血液的吸收系數(shù)和散射系數(shù)與RBC（RBC聚集體）數(shù)量以及吸收和散射截面相關(guān)，RBC個體的吸收與散射系數(shù)可由下式得出[8]

式中：V0為RBC體積，σa和σs分別表示RBC個體的吸收截面與散射截面，μa和μs分別表示血液的吸收和散射系數(shù)，ρ為RBC密度（單位體積血液所含紅細胞數(shù)），H為RBC比容（血液中紅細胞體積率）。RBC比容與血紅蛋白濃度密切相關(guān)，經(jīng)驗上，RBC比容（H×100%）在數(shù)值上是血紅蛋白質(zhì)量濃度（g/dl）的3倍[9]。將式（1）推廣，可表達RBC聚集的情況。此時，V0表示RBC聚集體的體積，σa和σs分別表示RBC聚集體的吸收截面與散射截面。作為RBC平均聚集數(shù)（m）的函數(shù)，血液的吸收系數(shù)和散射系數(shù)分別如圖2和圖3所示。如圖，RBC的聚集使散射顆粒的平均尺寸增大，顯著地改變了血液的光學散射特性。使用光譜方法可對這種動態(tài)變化進行測量，并將其他組織的背景光學性質(zhì)加以區(qū)分和剔除，這是血紅蛋白無創(chuàng)檢測的理論依據(jù)。

2 血紅蛋白測定方法

為簡化模型，本研究只考慮血紅蛋白中的2個最主要成分，即：氧合血紅蛋白（HbO2）和脫氧血紅蛋白（Hb）。對于均勻的RBC，其折射系數(shù)n=nr+ini，實部nr為平均折射率，虛部ni與血液中懸浮顆粒RBC的吸收和散射有關(guān)，可由下式表示[10]

圖3 血液散射系數(shù)與RBC平均聚集數(shù)（聚集體尺寸）的關(guān)系

式中：λ0為光在自由空間中的波長，[C]為血紅蛋白質(zhì)量濃度，h1和h2（h2=1-h1）分別為HbO2和Hb的體積比率，γ1和γ2分別為HbO2和Hb的摩爾消光系數(shù)。

在數(shù)值模擬時，假設使用氣動袖帶在手指上施加過收縮壓，阻斷手指血流，產(chǎn)生RBC聚集，改變血液散射性質(zhì)。建立厚度為10 mm的人體手指組織模型，將手指簡化為由血漿和RBC聚集體組成的單層均勻介質(zhì)，不考慮組織，皮膚，骨骼等實際介質(zhì)的影響。光源和探測器工作在紅外/近紅外光譜區(qū)間，使用波長分別為660 nm和940 nm的雙波長激光束垂直入射到模型表面。時間分辨光學探測裝置布置于光源的對置部位，用以接收透射光。根據(jù)漫射方程，得出時間分辨透射公式[11]，如下

式中：D={3[μa+（1-g）μs]}-1為漫射系數(shù)，z0=[（1－g）μs]-1是介質(zhì)中一次傳輸?shù)钠骄杂沙?，g為散射角的平均余弦，c是組織中的光速，l=10 mm是樣本厚度，t為時間。

將2個波長對應的時域函數(shù)f（t）（時間分辨透射信號）經(jīng)過拉普拉斯變換后的比值定義為參數(shù)斜率。時域函數(shù)f（t）的拉普拉斯變換如下式

式中：F（p）為漫射光的加權(quán)時間積分，f（t）為為時域點源函數(shù)，p為拉普拉斯變換參數(shù)。p=σ+jω為復數(shù)（σ和ω為實數(shù)），本研究只選擇p的實數(shù)值。在散射光譜中，當p＞0時，強調(diào)早期到達光子的效應；p＜0時，晚到達光子強度增強。存在p的下界（p≥-μsc），使得積分收斂。

圖4 不同血紅蛋白濃度下的連續(xù)波雙波長透射

在人為動力學條件下（血流受阻），RBC聚集體的平均尺寸逐漸增加。在數(shù)值模擬中，假設當RBC平均聚集數(shù)（m）是整數(shù)且在3～8范圍內(nèi)時，透過手指組織的雙波長光束（λ1=940 nm，λ2=660 nm）的時間分辨透射光強可被探測到。根據(jù)相應的光學性質(zhì)（圖2、圖3）和組織模型，測得的入射光λ1和λ2對應的時間分辨透射分別為T1=f1（t，m）和T2=f2（t，m），分別可由式（3）計算得出。對任意選定的p值，可由式（4）得到相應的拉普拉斯變換F1（p，m）和F2（p，m）。本研究將F1（p，m）和F2（p，m）的平均增量的比值定義為修正參數(shù)斜率（modified parametric slope，MPS），如下式

考慮到在m的范圍內(nèi)，F(xiàn)1（p，m）與F2（p，m)之間的關(guān)系可能不是線性的，因此使用最小二乘法擬合得到最佳擬合曲線及對應的斜率。

使用2種血紅蛋水平（6 g/dl和8 g/dl）對時間分辨測量法的可行性和準確性進行驗證。為了模擬真實條件，分別在采集到的時間分辨信號f1（t，m）和f2（t，m）中添加隨機泊松噪聲。選擇拉普拉斯變換參數(shù)（p值）為：-3×1010s-1，-2×1010s-1，-1×1010s-1，0 s-1，1×1010s-1，2×1010s-1，3×1010s-1和5×1010s-1。每組實驗重復10次，結(jié)果以平均值表示。

3 結(jié)果與討論

如圖4、5所示，連續(xù)波透過率F1（0，m）和F2（0，m）與時間分辨透過率F1（p，m）和F2（p，m）均隨m值的增大而增大。如圖4所示，當p＝0時（連續(xù)波），[C]＝6 g/dl的最佳擬合曲線的斜率為0.597 9，[C]=8 g/dl的最佳擬合曲線的斜率為0.370 8。如圖5所示，當p=5×1010s-1時（時間分辨），[C]=6 g/dl的擬合曲線的斜率為1.078，[C]=8 g/dl的擬合曲線的斜率為0.815。比較圖4和圖5可知，選擇適當?shù)膮?shù)p對時域函數(shù)進行拉普拉斯變換，可以增強MPS，也就是提高檢測的靈敏度。

圖5 不同血紅蛋白濃度下的時間分辨雙波長透射（p=5×1010s-1）

為了進一步驗證時間分辨法的有效性，分別對血紅蛋白質(zhì)量濃度范圍為6～15 g/dl（間隔1 g/dl）的10種血液進行了檢測，結(jié)果見表1。2種方法得到的MPS與血紅蛋白質(zhì)量濃度的關(guān)系如圖6所示。總體看來，當選擇拉普拉斯變換參數(shù)p=5×1010s-1時，時間分辨檢測法比連續(xù)波檢測法具有更高的靈敏度。

表1 連續(xù)波檢測法與時間分辨檢測法MPS對比

4 結(jié)論

本研究從理論上對基于時間分辨結(jié)合遮蔽光譜（TRACOS）技術(shù)用于在體血紅蛋白濃度測量的方法進行了分析。該方法基于人體手指模型，在人工血流動力學環(huán)境下，通過檢測和分析動態(tài)雙波長時間分辨透射，實現(xiàn)對血紅蛋白濃度的檢測。模擬結(jié)果表明，采用小正參數(shù)對時間分辨透射光強進行拉普拉斯變換可以強調(diào)早到達光子效應，從而增強血紅蛋白探測的靈敏度。本研究結(jié)果可為基于光譜法的非侵入連續(xù)性血紅蛋白檢測技術(shù)提供理論依據(jù)。

利益沖突無

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Non-invasive method of blood hemoglobin measurement based on time-resolved transmission spectroscopy

Yuan Yuan,Huang He,Yang Jichun,Sun Meixiu
Institute of Biomedical Engineering,Chinese Academy of Medical Sciences&Peking Union Medical College,Tianjin 300192,China

ObjectiveTo theoretically study the non-invasive measurement method of blood hemoglobin in vivo based on the time-resolved approach combined with occlusion spectroscopy.MethodsThe dynamic dual wavelength time-resolved transmission was analyzed based on the artificial blood flow kinetics condition on a human finger model.The sensitivity of hemoglobin measurement was improved by Laplace transforming of time-domain data. The method was validated using hemoglobin with a mass concentration range of 6～16 g/dl.ResultsThe simulation results showed that compared with the continuous wave method,the time-resolved method could provide higher detection sensitivity using Laplace transform parameter p=5×1010s-1.ConclusionsThe sensitivity of hemoglobin measurement can be enhanced when early arriving photons are emphasized by Laplace transformingthe time-resolved transmission with a small positive parameter.

Time-resolved transmission spectroscopy;Blood hemoglobin;Non-invasive measurement

Sun Meixiu,Email:meixiu_sun@126.com

國家自然科學基金（81101170）

2016-10-09）

孫美秀，Email：meixiu_sun@126.com

10．3760/cma．j．issn．1673-4181．2016．06．005