动态光谱法在血栓标志物无创检测中的应用

 动态光谱法在血栓标志物无创检测中的应用

张亚宁 ,徐孟瑶 ,胡自聪 

山东协和学院  山东济南   250200

摘要：基于动态光谱法的血液成分无创检测技术是近年来生物医学工程领域的研究热点。本项目将基于动态光谱法研发的GTF动态光谱法引入血栓标志物无创检测的应用中。本文通过研究动态光谱数据的波长筛选方法、基于光电脉搏波原理，记录各波长脉搏波时域内变化波形的峰值，即动脉充盈至最大与收缩至最小时吸光度的差值，该差值理论上只与动脉血液成分有关。

本文首先针对动态光谱数据的波长筛选过程，提出了基于多波段谱线差异系数的波长筛选方法。该方法针对被测对象进行特征波长筛选，在检测过程中抑制了其他因素的影响，提高了检测精度。同时该方法有效的减少了血液成分检测所

需的波长数，有利于血栓标志物无创检测系统的便携化设计。

关键词：动态光谱法；波长筛选方法；多波段谱线差异系数；便携化

人体血液中的细胞成分包括红细胞、白细胞和血小板。红细胞是血液中数量

最多的细胞，担负着向机体供血供氧的重要生理功能。白细胞分为中性粒细胞、淋巴细胞、单核细胞、嗜酸性粒细胞和嗜碱性粒细胞五种，中性粒细胞占白细胞总数的50%-70%，承担着维持机体正常免疫力的功能。红细胞、白细胞和血小板系列参数统称为血液学指标。在医学实验室中，对于血液学指标的检测主要通过血细胞分析仪完成，此类设备采用电阻抗法和流式细胞技术对血液细胞进行计数和分类，为临床提供患者病理信息。血细胞分析仪的检测方法具有精确度高和稳定性好的特点，但同时也存在着静脉穿刺采集血液样本带来的一系列生物安全隐患，此外试剂消耗量大、污染环境也是无法解决的问题。

目前，血液成分无创检测的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法等[1]。其中光学检测方法由于其快速、高精度、低成本且可以同时测量多种成分的优势处于主流地位[2-3]。相比于中(远)红外、紫外波长区，血液和人体组织对近红外波长区的吸收量最小，近红外光谱可穿透人体，获得更大的探测深度(＞1 mm)，以提供相对较强的光学信号[4]，而对于机体无损害。近年来，近红外光谱技术由于其快速、无创、低成本等特点应用于人体血液成分无创检测，已经成为生物医学工程领域的研究热点之一[5]。利用近红外光谱测定血液中血红蛋白、血糖及其他成分已经取得了一定的研究成果[6]。

近年来，应用近红外光谱测定血液成分已经取得了一定的研究成果，但其成果主要集中在模拟血液样品、离体血液检测及个人在体模型的建立等[6]，对于人体血液成分无创检测这种复杂的测量情况，仍面临诸多方面的技术难题，其中个体差异和测量环境的影响是突出的技术问题。为了消除个体差异和测量条件对光谱检测的影响，李刚等提出了一种新的基于近红外光谱的无创检测方法— 动态光谱法，并在相应的数据处理方法以及检测精度等方面做了较为系统的研究，取得了较多的成果[7-9]。文献[5-7]详细介绍了该方法的设计思想和基本原理；文献[9]对其检测精度做了详细分析；文献[6-9]介绍了动态光谱数据处理方式及其频域提取原理；文献[13-15]就相移波形和散射对光谱检测的影响做了详细讨论。由于既往的研究多集中于理论研究和离体测量方面，因此本文基于动态光谱的理论研究基础，对健康志愿者同时进行了血常规体检和在体测量，利用偏最小二乘法(partialleastsquares，PLS)建立被测对象血液中多种蛋白含量值与其动态光谱数据之间的校正模型，并得到了一定的研究成果。

一、动态光谱原理

动态光谱法是基于光电脉搏波原理，即动脉血液充盈最低时，光强没有受到

动脉脉动影响，此时的出射光强最大(Imax)，将其视为脉动动脉血液的入射光强I0；动脉血液充盈最高时，光强受动脉脉动影响最大，此时的出射光强最弱

(Imin)，将其视为脉动动脉血液的出射光强I。记录动脉充盈至最大与收缩至最小时吸光度的差值，该差值理论上只与血液组成成分有关，消除了个体差异和测量环境对光谱的影响。据朗伯比尔定律，对脉动血液层，有

式中：αi,λ为组分i在波长为λ的单色光消光系数；Aλ为脉动动脉血液在波长为λ处的吸光度，若已知的血液各组分的吸光系数和脉动动脉血液的等效光程长d,根据朗伯-比尔定律即可计算出各组分的含量ci。

二、测量装置

在光谱测量中采取指端透射在体测量，装置如图2-1所示，其中光谱仪采用Ocean Optics公司的QE65000微型光谱仪(分辨率为0.81nm)，波长范围200~1100nm，通过USB线与计算机相连；光源为普通溴钨灯，波长范围为463~1356nm；考虑到光源发出的光透过人体组织(大拇指指尖)衰减很大，本实验中将人体手指直接置于光谱仪信号人口处，使光源发出的光透过人体手指后直接由光谱仪进行采集。

图2-1动态光谱接受装置

三、PLS建模

应用 Matlab 软件，采用偏最小二乘回归方法把测得的光谱数据和医学实验室测得的红细胞含量，结合“剔一”的交互验证法进行建模。

1.中性粒细胞光谱数据的处理：对21个被测对象光谱数据依次进行处理，获取其相应的动态光谱图，每个动态光谱图有470个点，从21个样本中抽取15个作为定标集，另外6个作为预测集。

2.红细胞光谱数据的处理：对28个被测对象光谱数据依次进行处理，获取其相应的动态光谱图，每个动态光谱图有470个点，从28个样本中抽取21个作为定标集，另外7个作为预测集。

四、主因子数的选择

使用PLS方法建立定量定标模型时，主因子数的选择直接影响模型对中性粒细胞比例和红细胞数量的实际预测能力。如选择的主因子数过少，则光谱拟合度不足；如选择的主因子数太多，对重建光谱可能会拟合过度。本文以RMECV为评价指标，结合“剔一”内部交互验证法选择最优的主因子数。

1.中性粒细胞光谱数据：图2-2显示，当主因子数为5时，RMECV降至最小，故选取主因子数为5

2.红细胞光谱数据：图2-3显示，当主因子数为9时，RMECV降至最小，故选取主因子数为9

图2-2主因子数对中性粒细胞光谱数据PLS定标模型中RMECV的影响

图2-3主因子数对红细胞光谱数据PLS定标模型中RMECV的影响

五、结论

在临床诊疗过程中，血液学检查是医生掌握患者病理信息最为常规的手段，检查量非常巨大。而中性粒细胞比例和红细胞数量则是此项常规检查的核心内容。在日常工作中，医学实验室的血液学检查在为临床提供支持的同时，也产生了无法忽视的生物安全、成本昂贵和污染问题。因此，推动无创血液学检测方法的研究对于临床诊断和研究具有十分重要的意义。存在的问题是，由于个体差异和测量环境对光谱测量的影响，使基于光谱原理的无创检测研究进行人体测量时存在一定困难。近年来，动态光谱法的前期理论研究已经表明，该方法从原理上可以有效抑制测量条件等因素对光谱测量的影响。

我们通过建立模型的方法来评价光谱法数据与传统方法数据间的相关性。由

于光谱数据经模型处理后反映出来的血液成分浓度应有与传统方法非常接近，才

能说明研究方法的有效性，因此必须首先证明数据之间的相关性。我们选择PLS

模型主要是该模型具有较好的实现多元线性回归、数据结构简化的特点，在数据

具有多重共线性特征的情况下解释因变量，能明显改善光谱数据结果的可靠性和

准确度。

本文的研究结果初步证明了动态光谱法无创检测具有比较能够被接受的精

度，而且与传统方法的测定结果之间通过建模存在一定相关性。我们选择的两组健康志愿者中多数为青壮年男性，因此，我们的光谱分析数据准确讲是反映青年人群的数据分布特点，而最终对于光谱数据无创检测的有效性的评价一定是要收集到不同年龄段、不同性别人群中的光谱数据才有说服力，这就需要我们在未来要不断收集大量的研究样本。由于通过该方法获取的光谱信号受测量条件影响很小，比普通的近红外透射光谱能更准确地反映人体血液成分信息，所以可以预期动态光谱法也可以应用于血液中其他成分如血糖、血脂等的无创检测研究。下一步研究将开始对更广泛的人群进行测试，来深入评价光谱法的性能。由于生理性差异，估计光谱法在不同性别和年龄人群中可能会存在一定的差异，因此可能需要在对不同人群检测时尝试性对波长数量、范围甚至检测时间进行选择

和变化。

[参考文献]

[1]吕丽娜,刘蓉,周定文.O-2PLS在近红外无创人体血糖浓度测量基础研究中的应用[J].光谱学与光谱分析.2005,25(12):1950—1954.

[2]王宏,刘则毅,李庆波,等.径向基函数网络在近红外人体无创伤血糖浓度检测基础研究中的应用[J].分析化学.2003,31(4):440—443.

[3]彭玉华.小波变换与工程应用[M].北京：科学出版社.1999.

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[5]宋翎萍，宋玲珍，杨晓艺.一基于小波变换的图像去噪算法[J].

电子与信息学报，2006,19(2):130—133.

[6]刘永昌，张平，严卫东，等.小波包阈值法去除合成孔径雷达图像斑点噪声.红外与激光工程，2001,30(3):160-167.

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作者简介：张亚宁（2002.7—），女，汉族，山东省成武县，山东协和学院