近红外光谱法无创测量人体血红蛋白浓度

激　光　生　物　学　报第15卷第2期

　　　　　　　　　

2006年4月ACT A 　LA SER 　B I O LO GY 　SI N

・技术与方法・

I CA

　　　　　　　　　　　

Vol . 15No . 2

Ap r . 2006

近红外光谱法无创测量人体血红蛋白浓度

吴太虎, 徐可欣, 刘庆珍, 陈　锋

1

2

2

1, 2

3

(1. 军事医学科学院卫生装备研究所, 天津300161; 2. 天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津300072)

摘　要:在选定的波长处(760nm , 850nm ) 无创测量人体手指的漫反射光谱, 利用修正的Lambert 2Beer 定律,

实现了HbO2、Hb 的绝对量估算, 并由此求得血红蛋白浓度的结果。对16例志愿者进行了测量, 全部男性受试者的相对误差在7. 39%以下, 相关系数为0. 954; 全部女性受试者的相对误差在7. 26%0. 969。

关键词:近红外光谱; 无创; 血红蛋白浓度

中图分类号:O434. 3; TP274. 52文献标识码:A

文章编号:100727146(2006) of Non 2i n va si ve M ea surem en t of

oglob i n Concen tra ti on by Near I nfrared Spectroscopy

WU Ta i 2hu , XU Ke 2x in , L I U Q ing 2zhen , CHEN Feng

1

2

2

1, 2

(1. I nstitute of M edical Equi pment, Academy of M ilitary M edical Sciences, Tianjin 300161, China;

2. State Key Laborat ory of Precisi on M easuring Technol ogy and I nstrument, Tianjin University, Tianjin 300072, China )

Abstract:By measuring the diffuse reflecti on spectrum of forefinger thr ough t w o certain wavelengths (760nm , 850

nm ) , modified Lambert 2Beer p rinci p le, we esti m ated the abs olute concentrati on of HbO2、Hb and the t otal Hemogl obin . 16volunteers were tested . The relative err or of all male volunteers is bel ow 7. 39%, and R is 0. 954, and for all female volunteers, the relative err or bel ow 7. 26%, R =0. 969.

Key words:near infrared s pectr oscopy; non 2invasive; hemogl obin concentrati on

　　血红蛋白浓度是确定贫血的可靠指标, 因为它不但可以评价人群贫血患病率, 还可以反映体内铁的营养状况。血红蛋白含量的测定是评价人群贫血患病率和铁营养状况的基本方法之一。一般规定血红蛋白浓度的正常值成年男性为120g/L～160g /L,成年女性为110g/L～150g/L.现代临床血红蛋白测定多为有创方法, 具体手段是抽取人体血液, 加入相应试剂后使用专用仪器进行分析, 虽然接结果比较精确, 但比较费时费力, 给病人带来较大痛苦, 更不适用于连续监测。

近红外光是指波长在780nm ～2526nm 范围内的电磁波, 在近红外区域, 体液和软组织相对透明, 穿透力强, 是较为理想的检测光谱段。另外近红外光谱法对人体无创伤、测量速度快、操作简便, 可进行连续监测, Kaiser 和Jobsis 从20世纪70年代起, 就开始了应用光学方法进行人体内化学成份测量的尝试。通过分析人体的近红外反射或透射光谱, 可实现对血红蛋白浓度绝对值的检测。

近红外方法测量血红蛋白的理论经过30多年的发展, 溶液实验结果的精度均比较高, 而人体测量

[1]

3

收稿日期:2005205231; 修回日期:2005209220

作者简介:吴太虎(1962—) , 男, 研究员, 博士生导师, 主要研究方向生物医学工程及机电一体化系统.

(电子信箱) chenfenghz@yahoo . com. cn

第2期　　　　　　　　　　　　　吴太虎等:近红外光谱法无创测量人体血红蛋白浓度　　　　　　　　　　

205

λi

结果的精度却不是很高, 原因是多方面的, 其中, 人体光谱包含的信息多而复杂是主要原因, 因此如何从背景噪声较强的光谱中将有用信号提取出来, 选择合适的测量波长非常重要。其次, 测量部位也是影响结果的重要因素, 应该选择人体组织比较简单、并且有较丰富的血管之处。

我们采用食指中段靠近第二关节处作为测量部位, 选定760nm 和850nm 的近红外光为检测波长, 测量其漫反射光谱, 利用修正的Lambert 2Beer 定律, 实现了人体血红蛋白浓度的绝对量估算。

设置两个检测器, 检测两个波长下的吸收光A 2

A 1, 列出以下四个方程

λi

λi

λi

λi

[5]

-

:

9A =A 2-A 1

λi 　λi ε(ρ=(r Hb O 2+ε×r Hb ) ×DPF ×2-ρ1)

Hb O 2

Hb

λλ21λ1λ

ε9A -ε9A 2

r Hb O 2λi 　λλi 　λ11

(ρρ) (εεεε) DPF ×-×-21

Hb O 2Hb Hb O 2Hb

1　实验原理

光谱法测量人体血红蛋白, 实质上是在强散射介质中对光吸收的定量检测。生物组织是由不同大小、不同成分的细胞和细胞间质组成的, 在其中, 的吸收和散射同时存在, , 在光学上称之为浑浊介质

[2]

λλ2　1　λλ1

ε9A -ε9A 2

Hb O 22

r Hb λλ212　λ1

(ρρ) (εε) ×-×-21

2Hb O 2Hb

rt =2+r Hb

　指端部位皮肤厚度较小, 其他体液成分如细胞色素、肌血球素的干扰较少, 此处的近红外组织光谱含有的血液成分信息虽然并不多, 但亦可以满足血红蛋白检测的需要。本文选择食指中段靠近第二关节处作为测量部位, 并且通过血管造影术我们可以

看到在皮肤下面有一根血管(图1) , 从医学的角度, 此处是测量血红蛋白的较佳部位。

散射介质, , 其行进传播路径。述, 即单个光子在迁移过程中不断发生碰撞, 每次碰撞不但伴有吸收, 还会发生改变迁移方

向的散射。如果把一次散射碰撞作为一次迁移, 则每次迁移的步长是随机的, 由前一次迁移到后一次迁移的方向改变也是随机的。

在测量血红蛋白浓度时, 将光源与检测器相隔一定的距离放于体表某部位, 由光源发出的光子透过外层组织进入待测部位, 经过组织的散射, 总会有一小部分光子经过曲折的迁移路径后被检测器接收。大量统计结果表明, 由于散射的影响, 光子从光源到检测器之间为随机迁移过程, 总的传播路径呈“香蕉”形

[3]

。

考虑强散射介质中多次散射和衰减, Delpy 提出用下式来描述光在组织中的传播:

A =log

ρΣεiC i +G =D PE ×

Ir

图1　食指第二关节处血管造影

Fig . 1　The f orefinger ’s second arthr osis angi ography p icture

另外, 局部皮肤温度对微血管内血液流速和血细胞聚集状态有一定的影响。一般来说, 加热情况下血管容量和血液流速会增加, 寒冷情况下则相反。在加热局部皮肤时, 原先闭合的末梢血管大量开放, 使流经其中的血液量比原来增加近20至30倍, 血流量的增加使受热部位对入射光的吸收(散射) 能力大幅度提高, 因此, 在测量外周血液循环时, 一定要注意皮肤的恒温控制。然而影响皮肤温度的因素很多, 如室温、情绪、运动、饥饿、饱食、吸烟或药物等,

其中, I 0为入射光强, Ir 为出射光强, A 为吸光

度, ρ为光源到检测器的距离, εi 为摩尔吸光系数

(取决于光的波长和吸收体性质) , Ci 为被检测物质

的浓度, G 为背景吸收、散射引起的衰减。DPF 为差分路径因子

[4]

。

通过测量氧合血红蛋白(HbO2) 浓度值rHbO2和去氧血红蛋白(Hb ) 浓度值rHb, 将两者相加便可得出全血红蛋白浓度值rtHb, 这需要在相近的位置

　　　　　　　　　　　　　　激　光　生　物　学　报　　　　　　　　　　　第206

均可使皮肤温度波动, 所以, 测定病人皮肤温度的绝对值是没有意义的。皮肤温度的个体差异也很大, 个体间不能以皮肤温度的绝对值比较。但同一个人其对称部位的皮温应当相仿, 相差不大于2℃。在实验中, 为了保证受测部位温度的恒定, 减少温度对外周血液循环的直接影响, 我们让受试对象在温度恒定的室内放松10分钟～20分钟, 在其情绪稳定、呼吸均匀后, 再做检测。2. 2　测量波长的选择

2. 3　差分路径因子(DPF ) 的确定

15卷

人体组织是一种强散射介质, 光子进入组织后传播路径非常不规则,

对于光子在其中的传播规律, 可将人体组织视为单层半无限大介质, 采用Monte

Carlo 模拟的方法进行研究, Monte Carlo 方法是一种

统计实验方法, 它建立一个随机模型, 通过大样本统

计获得其中的一个或多个随机变量(或多个随机变量的组合) 的期望值, 进而确定待定物理量的值。其实质就是计算机模拟大量光子在组织内的随机游动, 结果的精确性是以统计理论为基础。

Monte Carlo 我们采用双波长法计算出氧合血红蛋白和去氧血红蛋白浓度。该方法假定了组织吸光度的变化只是由氧合血红蛋白和去氧血红蛋白浓度改变引起的, 因此, 在选择这两个检测波长时要尽量避免其他成份的影响

[6]

。将光子的两, 若发生吸收事件, 。若发生散射, 则通过给定相函数和另一个随机数就选定了一个新的传播方向。只有光子从组织边界逸出或者它的权重小于一个预定的截止阈值时, 整个过程结束。

近红外波段内人体主要成分的吸收峰

如表1所示:

表1　Tab . 1　B i o 2tissue ti on bands I 葡萄糖

Dextr ose 714nm

939nm 980nm H 2O 749

nm

脂肪Fat

770nm 920nm 蛋白质Pr otein

910nm 近红外谱段氧合血红蛋白和去氧血红蛋白的光谱特性如图2所示:

入射光源波长选择的原则为:尽可能使除血红蛋白外的物质吸收率低, 而血红蛋白的吸收率高, 从而提高信噪比。由表1可以看出, 应该在760nm ～

900nm 之间选择测量波长, 而760nm 和850nm 分

图3　DPF 因子与组织厚度之间的关系

Fig . 3　Relati onshi p bet w een the DPF and tissue ’s thickness

通过仿真可以看出, 光子的平均程长与光源接受器之间的距离在一定范围成正比, 当光源接收器的距离在3mm ～5mm 之间时, 线性度最好。

下面给出皮肤表皮厚度与部分差分路径因子

DPF 的仿真规律(图3) 。横坐标为组织厚度(mm ) ,

别位于去氧血红蛋白和氧合血红蛋白的吸收峰附近, 是比较理想的波长组合。

纵坐标为表皮组织中的DPF 因子。可以看出, 在组织厚度较小时, DPF 因子与组织厚度成很好的线性关系。

3　实验方法

3. 1　测量系统设计

近红外血红蛋白无创测量系统包括以下部分:

图2　血红蛋白吸收光谱特性

Fig . 2　The abs or p ti on s pectrum of hemogl obin

Ocean Op tics 公司的HR2000高分辨率光纤光谱仪(分辨率为0. 23nm ) , 反射探头光纤R40027, 光纤QP1000222V IS 2N I R , 光源LS 21(钨光源, 360nm ～2

第2期　　　　　　　　　　　　　吴太虎等:近红外光谱法无创测量人体血红蛋白浓度　　　　　　　　　　

207

um ) , 计算机等

。定、呼吸均匀后, 将手指放在检测光纤探头下, 手指自然放松。皮肤与光纤探头之间以刚刚接触为准, 从而减少因接触压力不同而给测量结果带来的影响。

根据前面Monte Carlo 模拟的结果, 取DPF 因子

ρ为0. 46cm; HbO2为2. 4076; 两检测器之间距离Δ

和Hb 在波长760nm 和850nm 的摩尔吸收系数取:

760nm

Hb 　

21

图4　血红蛋白测量系统简图

Fig . 4　The hemogl obin measure system

εε

=1548. 52c m /M =691. 32c m /M =586c m /M 1058c /2121

21

850nm

Hb 　

3. 2　测量对象

受试者共16人, 男性8人, 女性8人, 年龄均在

22岁～26岁之间。无创光谱数据通过光纤从受试

ε760nm

Hb O 2

O 2

者左手食指中段取得, 并记录在计算机中。在检测

前, 仪器预热60分钟。先让受试者在恒温(23) 室内放松10分钟～20分钟, , 由此可以。

表2　Tab . 2　relative err or

男

M ale 12345678

Test value 153. 7638125. 845106. 7501121. 3136132. 091125. 1051144. 5118156. 9174

真实值

True value [***********]140161

相对误差

Relative err or 0. 0566640. 0537970. 102940. 0739420. 0142460. 0449990. 0322270. 025358

女

Female 12345678

测量值

Test value 149. 9003101. 0921123. 4296131. 0682117. 577142. 8296146. 7655165. 0558

真实值

True value [***********]141158

相对误差

Relative err or 0. 0482540. 072550. 0640480. 0485460. 0035850. 0149680. 040890. 044657

3. 3　标准对照值的测量16位受试者血红蛋白浓度的计算结果、真值及

测完一组光谱数据后, 用有创的方法测出每个受试者血红蛋白浓度的真实值。本文使用一台上海分析仪器总厂生产的5020血红蛋白仪。实验之前, 仪器已经充分预热, 并已用氰化高铁血红蛋白标准液(100g/L) 进行了校正。先用75%的酒精消毒指尖, 并用干棉球擦干, 然后用一次性采血针穿刺受试者无名指尖, 擦去开始冒出的第一滴血。用一次性微量采血管准确吸取全血20uL, 擦去采血管管端和外部的血迹, 加入稀释液中, 并将采血管反复冲洗三次后混匀。然后将混匀的血液样品吸入血红蛋白仪的毛细吸管, 直接读数。

相对误差如表2所示:

可以看出, 除去结果偏差较大的第3号男性受试者外, 其余受试者的相对误差均在7. 4%以内。第3号男性受试者测量时手指有微小位移, 这可能是造成测量结果偏差较大的原因。

计算结果与真值之间的相关系数如图5所示, 相关系数R =0. 927。4. 2　讨论

将16位受试者的数据一起处理, 与按男女将数据分开后处理得到的结果有较大的差异。从上面的分析可以知道, 未按性别分组时的相关系数R =0.

927, 分组后, 女性受试者的相关系数R =0. 969, 男

4　数据处理与讨论

4. 1　数据处理

性受试者的相关系数R =0. 954, 高于未分组前。因此性别是影响测量结果的重要因素, 讨论血红蛋白

　　　　　　　　　　　　　　激　光　生　物　学　报　　　　　　　　　　　第208

浓度时需按性别分别考虑

。

15卷

所有受试者测量结果与真值的相对误差在10. 3

%以下, 除去偏差最大的第3号男受试者, 全部男性

受试者的相对误差在7. 39%以下, 全部女性受试者的相对误差在7. 26%以下。由此, 本文所用的方法基本能够初步实现无创测量人体血红蛋白浓度。

5　总结与展望

从当前的研究进展看, 近红外血红蛋白浓度在临床中具有非常好的应用前景。为了使该技术尽早

图5　16位受试者血红蛋白计算值与真值的总体相关性

Fig . 5　The collectivity correlati on Bet w een the calculati on values and true values of 16volunteers ’hemogl obin

应用于临床的诊断和评估, 就必须要针对不同临床。而由于缺乏大量的临床抽样条件、不, 得出较详细准确, 。对于人体来讲, 血, 仪器误差和测量方法所导致的系统误差应该尽可能小, 不至于将血红蛋白浓度的变化量掩盖, 这样测量出来的结果才更加有意义。因此, 选用灵敏度高稳定性好的检测器非常重要, 并且应设计出更加人性化的探头, 提高设备的适应性。

从技术方案选择的角度看, 近红外光谱法血红蛋白测量的系统简单、便于操作, 极有可能实用化。本文在测量方法上已经给出了实验验证, 结果基本符合临床要求, 但是为了将此技术与临床医学很好的结合, 更加适应社会发展、人民生活需求, 设计出合适的便携式小型测量仪器, 还有很多工作需要做。

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SP I E,

由于血红蛋白浓度与性别有较大关系, 下面将男女数据分开处理

。

图6　女性受试者血红蛋白计算值与真值的相关性

Fig . 6　The collectivity correlati on bet w een the calculati on values and true values of female volunteers ’hemogl obin

8位女性受试者计算结果与真值的相关系数R =0. 969

。

图7　男性受试者血红蛋白计算值与真值的相关性

Fig . 7　The collectivity correlati on bet w een the calculati on values and true values of male volunteers ’hemogl obin

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8位男性受试者计算结果与真值之间的相关系

数R =0. 954。