血流控制下时间门的人体血液参数无创检测研究

第３ 第９期 光 谱 学 与 光 谱 分 析 ３卷 ， ２０１３ 年 ９ 月 Ｓ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ｎ ｄＳ ｅ ｃ ｔ ｒ ａ ｌＡ ｎ ａ ｌ ｓ ｉ ｓ ｐ ｐ ｙａ ｐ ｙ
Ｖ ｏ ｌ ． ３ ３， Ｎ ｏ ． ９， ２ ５ ３ ６ ２ ５ ４ ０ ｐ ｐ ， Ｓ ｅ ｔ ｅ ｍ ｂ ｅ ｒ ２ ０ １ ３ ｐ
犉 犻 ３ 犃 犫 狊 狅 狉 狋 犻 狅 狀犮 狅 犲 犳 犳 犻 犮 犻 犲 狀 狋 犪 狊犪犳 狌 狀 犮 狋 犻 狅 狀狅 犳 犵 狆 ／ 犫 犱） 犪 狉 犪 犿 犲 狋 犲 狉 狊狅 犳犚 犅 犆犪 狉 犲 犪 狋 犻 狅 狀（ 狆 犵 犵 犵
犉 犻 １ 犜 犺 犲犵 犲 狅 犿 犲 狋 狉 犳 狋 犺 犲犱 犻 狊 犮 犾 犻 犽 犲 狊 犺 犪 犲狅 犳 狋 犺 犲犚 犅 犆 犵 狔狅 狆
］ 。其 中 犎 为 红 细 胞 压 积 ， 参照文献 ［ ６ ０＜ 犎 ＜１，为 血 液 中 红细胞所占体积 。通常情况下 ，一 个 健 康 人 体 的 红 细 胞 压 积 ） 表达 犎 ＝０ ． ４～０ ． ５。对于约化散射系数 μ ２ ｔ ｒ由式 （ （ ） （ 犎 １－ 犎 １－犵） 犓（ ２ ２ ρ） １－犵）＝ π（ 犱 ＋犫Ξ） ｔ ｒ ＝μ ｓ（ μ 犞０ （ ） ２ 其中， ｓ 为血液散射系数 ， 犵 为各向异性因子 ， μ ρ 为有效相移 （ 狀ＨＢ －狀Ｈ２Ｏ ） ， 犮 狀ＨＢ 为红细胞的折射率 ， 狀Ｈ２Ｏ 为红细 π Ξ ρ ＝２ λ 胞周围血浆的折射率 。 在血流控制下 ，血液中的红 细 胞 逐 渐 聚 集 ，红 细 胞 的 聚 。 集体的形状近似为椭球 （ 椭球的旋转轴 为 犫，长 轴 为 犱） ρ为 散射平均角相关参 数 。没 有 维 数 的 参 数 Ξ 与 聚 集 形 状 相 关 。 单个红细 胞 可 近 似 为 一 个 各 向 同 性 盘 状 粒 子 ，由 式 （ 表 ３）
２ 犱 表示 ， ２ 犱 ＝２ 犚
π， （ ） ，厚度由２ 犪＋ 犫 犫表示 ， ２ 犫＝ ＝２ （ ２ φ）
的典 ３） ２ 犚（ ０， 犫。对于一 个 标 准 红 细 胞 形 状 ，表 达 式 （ φ）＝ ２ 型参数为 犪＝３μ ｍ， 犫＝０ ． ７ ５μ ｍ， 狇＝５。图 １ 为 由 单 个 红 细 胞典型参数做出的红细胞结构图 。
血流控制下时间门的人体血液参数无创检测研究
吴金鹏１，孙美秀１ ，康美玲１，李 刚２，李迎新１
１．中国医学科学院生物医学工程研究所 ，天津 ３ ０ ０ １ ９ ２ ２．天津大学精密仪器与光电子工程学院 ，天津 ３ ０ ０ ０ ７ ２
摘 要 为了进一步提高人体血液成分无创伤 测 量 的 精 度 ，从 而 达 到 临 床 的 要 求 ，提 出 了 人 体 血 液 成 分 无 创伤测量的一种新方法 ，这种方法是在血流受阻条件下 ，基于动力双波长时间分辨透射测量 ，将先进的时间 门技术和拉普拉斯变换方法结合起来 ，对人体 血 液 成 分 进 行 无 创 伤 测 量 。该 理 论 模 拟 了 利 用 该 方 法 在 体 测 量人体血液参数 ，模拟结果显示当 狆＞０，强调早期到 达 的 光 子 的 贡 献 时 ，能 提 高 人 体 血 液 参 数 的 检 测 灵 敏 度。 关键词 时间分辨透射测量 ；人体血液参数 ；血流控制 ；拉普拉斯变换 ： ／ （ ） 中图分类号 ： ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ０ ０ ５ ９ ３ Ｒ ４ ４ ６ ． １ 文献标识码 ：Ａ 犇 犗 犐 １ ０ ． ３ ９ ６ ４ ２ ０ １ ３ ０ ９ ２ ５ ３ ６ ０ ５ ｊ 技术在动态过程中实现血糖无损精确测量仪器 ， ２ ０ ０ ７ 年已获
２］ 。 适应性等指标尚不如微创伤检测的结果 ［
在众多的测量方法中 ，测量都是在正 常 血 流 状 态 下 进 行 的 ，测量信号也是脉动相关的 信 号 。利 用 压 力 停 止 受 测 部 分 的血流可以诱导血红细胞的聚集 ，聚集起 来 的 红 细 胞 逐 渐 减 小血液的散射系数从而导 致 透 射 信 号 有 一 个 １ ０ 倍的量的增
第 ９ 期 光谱学与光谱分析 血液的光学特性由吸收系数 μ ａ 和约化 散 射 系 数μ ｔ ｒ来 代 ） 、氧 化 血 红 蛋 白 （ 表 。血液吸收系数 为 血 红 蛋 白 （ Ｈ ｂ Ｈ ｂ Ｏ ２） 和水的吸收系数的线性组合 ，对 于 动 脉 血 ，血 红 蛋 白 氧 饱 和 ） 表达 度为狊 ＝９ ８％ ，吸收系数由式 （ １ （ （ ） ） （ ） 狊＋μ 狊 犎 ＋μ １ －μ ａ ＝ μ ａ Ｈ ｂ Ｏ ａ Ｈ ｂ １－ ａ Ｈ ａ Ｈ μ ２ ２Ｏ ２Ｏ 式中 μ ａ Ｈ ｂ Ｏ ， ａ Ｈ ｂ和 μ ａ Ｈ Ｏ 三种 血 液 成 分 吸 收 系 数 的 光 谱 性 质 μ
和患者的生活质量密切相关 ，十多年来各 国 科 学 家 从 各 个 可 能的技术角度以多种方案开展了不懈的 研 究 。对 无 创 伤 血 液 成分的检测研究 ，主要是通过提取光学信 息 来 测 量 患 者 血 液 成分浓度 。人 体 血 液 成 分 的 无 创 伤 检 测 方 法 包 括 近 红 外 光 谱 、中 （ 远） 红外光谱 、拉曼光谱 、光声光谱 、光散射 、毫米波 检测 、颜色法 和 偏 振 光 旋 光 等 。检 测 部 位 包 括 指 尖 、指 肚 、 前额 、手臂 、耳垂 、眼球等 。检测介质包括血液 、组织 液 、眼 房水 、汗水 等 。有 体 外 采 集 组 织 液 检 测 和 在 体 组 织 直 接 检 测 。无 创 伤 检 测 的 数 据 重 现 性 、灵 敏 度 、选 择 性 、对 个 体 的
５］ 。 方法 ［
一个必要的信噪比 。这种技术近年来被应 用 到 人 体 血 液 成 分 无创伤检测 技 术 中 ，成 为 无 创 伤 人 体 血 液 成 分 检 测 的 新 手
４］ 。以 色 列 Ｏ 段 ，并 且 取 得 了 良 好 的 效 果 ［ ｒ Ｓ ｅ ｎ ｓ ｅ公 司 利 用 该
２ ０ １ ２ １ ２ ２ １，修订日期 ： ２ ０ １ ３ ０ ２ ２ ０ 收稿日期 ： ） 资助 ８ １ １ ０ １ １ ７ ０ 基金项目 ：国家自然科学基金青年科学基金项目 （ ：ｍ １ ９ ７ ２ 年生 ，中国医学科学院生物医学工程研究所博士 ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ｉ ｃ ｒ ｏ ｋ ｎ＠１ ２ ６． ｃ ｏ ｍ 作者简介 ：吴金鹏 ， ： ｍ ａ ｉ ｌ ｓ ｍ ｅ ｉ ｘ ２ ０ ０ ３＠ｙ ｓ ｕ ｎ ｍ ｅ ｉ ｘ ｉ ｕ＠ｇ ａ ｈ ｏ ｏ ． ｃ ｏ ｍ． ｃ ｎ； ｍ ａ ｉ ｌ ． ｃ ｏ ｍ 通讯联系人 ｅ
Ξ＝
（ ） ５
／ ２ １ ２ ／ ） 。 其中ε＝ （ １－ （ 犫 犱） ε反应了散射的各向异性以及所有 例 如犫 ＞ 犱 阶 可能聚集方向的平均 。对 于 更 长 阶 段一个复平面中由式 （
Ξ＝
１ ａ ｒ ｃ ｔ 狕 ｇ （ 狕）
（ ） ６
／ ２ １ ２ （ ／ ） 。 其中 狕 ＝ （ 犫 犱） －１
７］ 达［
犓（ ρ）＝ １－
（ （ ｓ ｉ ｎ ２ ｎ ρ） ＋ ｓ ρ） （ ） （ｉ ） ρ ρ
２
（ ） ４
式中 ， 做为有效相移ρ 的函数 ，随着ρ 值震荡变化 。 犓（ ρ） 在聚集过程的初始阶段 ，例如在犫＜犱 过程中 ，没有维数 ） 的参数 Ξ，在方程 （ 中 ，对于一个相移等于 ２ （ ） １ １＋ε ｌ ｏ ｇ［ （ ） ］ （ ） ２ １－ε ε
２ ５ ３ ８
光谱学与光谱分析 第 ３ ３卷 斜率 。 红细胞压积和血氧饱和度的测量 ： ） 从式 （ 和式（ 可 以 看 出 ，红 细 胞 压 积 犎 既 影 响 吸 收 １ ２） 系数又影响约化散 射 系 数 。血 氧 饱 和 度 犛 只 影 响 吸 收 系 数 。 为了调查该方法的可行性和正确性 ，分别 调 查 了 两 个 红 细 胞 压积水平 ０ ． ４和０ ． ３ ８，两个血氧饱和度 ９ ８％ 和 ８ ６％ 。
犉 犻 ２ 犜 犺 犲犿 狅 犱 犲 犾 狅 犳 １ 犇犚 犅 犆犪 狉 犲 犪 狋 犲 狊 犵 犵 犵 犵 假设红细胞沿一维方式聚集 ，也就是 红 细 胞 边 靠 边 的 聚
犉 犻 ４ 犚 犲 犱 狌 犮 犲 犱狊 犮 犪 狋 狋 犲 狉 犻 狀 狅 犲 犳 犳 犻 犮 犻 犲 狀 狋 犪 狊犪犳 狌 狀 犮 狋 犻 狅 狀 犵 犵犮 ／ 狅 犳狆 犪 狉 犪 犿 犲 狋 犲 狉 狊狅 犳犚 犅 犆犪 狉 犲 犪 狋 犻 狅 狀（ 犫 犱） 犵 犵 犵
／ 血液吸收和散射系 数 做 为 红 细 胞 聚 集 体 的 粒 子 参 数 （ 犫 的函数如图 ３ 和图 ４ 所示 ，文中分别模拟了 三 个 入 射 波 长 犱） （ ，因为对于血氧饱和度的测量λ ６ ３ ７， ９ ４ ０和７ ６ ０ｎ ｍ） ６ ０ １ ＝７
狇 （ ） 犚（ ｓ ｉ ｎ ３ θ， θ ＋犫 φ）＝ 犪 ， ） 。 其中 犪 和犫 为表达式 犚（ 的 参 数 盘 状 红 细 胞 的 直 径 由 θ φ
２ ２
２ ５ ３ ７
集 ，如图 ２ 所示 。根据 此 模 型 ，红 细 胞 聚 集 体 近 似 为 椭 球 形 状 ，其中椭球的两个相等的轴的长度等于 单 个 红 细 胞 的 长 轴 ２ 犱，第三个 轴 长 在 聚 集 过 程 中 随 着 时 间 而 改 变 。在 此 模 型 ６］ 。 下 ，红细胞压积并不随着聚集过程而改变 ［ 反应了每一个 ． ９ ９ ５，函 数 犓 （ 选取各向异性因子 犵＝０ ρ） 单次散射的内部性质 ，
引 言
对人体血液成分的检测是医疗诊断和医学研究的重要手 段 ，近年来无创伤血液成分检测方法吸引 了 众 多 学 者 进 行 研
１］ 。由于人体血液成分的无创伤测量与 提 高 人 民 健 康 水 平 究［
得欧洲的 Ｃ Ｅ 认证 。为了进一 步 提 高 人 体 血 液 成 分 无 创 伤 测 量的精度 ，从而达到临床的要 求 ，我 们 提 出 了 人 体 血 液 成 分 无创伤测量的一种 新 方 法 ，这 种 方 法 是 在 血 流 受 阻 条 件 下 ， 将先进的时间门技术和拉普拉斯变换方 法 结 合 起 来 ，对 人 体 血液成分进行无创伤测量 。我们提出的在 利 用 压 力 停 止 受 测 部分血流条件下 ，将先进的时间门技术和 拉 普 拉 斯 变 换 方 法 结合起来的测量方法 ，包含了利用压力停 止 受 测 部 分 的 血 流 诱导透射信号明显增强 ，对双波长入射下 的 时 间 分 辨 透 射 信 号的测量 ，利用拉普拉斯变换手段增加血 液 成 分 浓 度 测 量 的 灵敏度三个部分 。关于利用压力停止受测 部 分 的 血 流 诱 导 透 射信号增强的原理对 人 体 血 液 成 分 无 创 伤 测 量 已 经 有 报 道 ， 但是把利用压力停止受测部分的血流诱导透射信号增强的原 理和时间门技术以及拉普拉斯变换方法结合起来的无创伤人 体血液成分检测方法还未见报道 。