基于希尔伯特-黄变换的小鼠血液光谱信号分析研究*

2014-02-05张魁星罗菲菲魏本征

中国医学装备 2014年9期

张魁星罗菲菲魏本征*

张魁星①罗菲菲②魏本征①*

目的：对非线性、非稳态的小鼠血液光谱信号的时频局部特征进行分析，形成小鼠是否存在肝损伤的健康状况判断依据。方法：用近红外光谱法采集正常和肝损伤小鼠的血液指标的光谱信号，应用希尔伯特-黄变换(HHT)方法对信号进行研究。结果：初步形成了判断小鼠是否存在肝功损伤信号依据。结论：基于HHT的分析方法对小鼠血液光谱信号的分析能准确判断小鼠的健康状况，同时为利用近红外光谱法进行血液无创检测提供了一种新的分析方法。

希尔伯特-黄变换；经验模态分解；内禀模态函数；Hilbert谱分析

张魁星,男,(1977- ),硕士，讲师。山东中医药大学理工学院，研究方向：生物医学工程。

[First-author’s address]College of Science and Engineeing, Shandong University of Tradition Chinese Medicine, Jinan 250355, China.

近年来，随着近红外光谱技术在生物医学领域的广泛应用，应用近红外光谱技术进行血液成分无创检测成为生物医学工程领域研究的热点问题之一[1]。但由于近红外光谱分析是从复杂、重叠及变动的光谱中提取微弱信息，因此，可靠准确地对数据进行分析具有非常重要的意义[2-3]。研究表明，近红外光谱信号是非线性、非稳态的信号，相比于目前广泛应用的傅里叶红外光谱分析和小波变换等方法，希尔伯特-黄变换(hilbert-huang transform，HHT)红外光谱分析方法更适合于对近红外光谱信号的分析处理。因此，本研究通过应用HHT方法对实验采集的小鼠血液光谱信号进行分析，为肝损伤的近红外光谱信号分析开辟了一种新的途径[4-5]。

1 希尔伯特-黄变换

希尔伯特-黄变换是一种信号处理方法，该方法适用于非线性、非平稳的信号分析，被认为是近年来对以傅里叶变换为基础的线性和稳态谱分析的一个重大突破[6-7]。

HHT主要包含两大部分，即经验模态分解(empirical mode decomposition，EMD)和希尔伯特谱分析(hilbert spectral analysis，HSA)[8]。EMD用于将数据序列分解成有限个内禀模态函数(intrinsic mode function，IMF)；HSA对分解得到的每个IMF分量作Hilbert变换，从而得到时频平面上的能量分布谱图(希尔伯特谱)，即得到瞬时频率和能量，而不是Fourier谱分析中的全局频率和能量。

2 实验方法

(1)实验采用近红外光谱法采集小鼠血液指标丙氨酸氨基酸转移酶(ALT)、门冬氨酸氨基酸转移酶(AST)、总胆固醇(CHOL)和甘油三酯(TG)取不同值时的光谱信号，并将所得信号数据分为两部分：一部分用作小鼠肝功损伤判断的研究，另一部分用作小鼠健康状况判断的验证性实验研究。所研究指标及其正常值范围：ALT(40～60)，AST(100～180)，CHOL(1～2)，TG(0.4～1.5)[9-10]。

(2)实验通过对比分析两组肝功损伤小鼠血液光谱信号经HHT处理后所得各图的特点，对小鼠是否存在肝功损伤的信号进行判断，形成小鼠肝功损伤的判断依据。采用HHT方法对生化指标处于正常范围的小鼠血液光谱信号做分析处理，并将得到的基于HHT分析的小鼠健康状况的判断依据应用于实验组小鼠健康状况分析，得到与小鼠实际健康状况相符的判断结果。

3 结果

3.1 肝损伤小鼠血液光谱信号研究

由于ALT、AST主要存在于肝细胞中，当其明显升高时常提示有肝损伤[11]。实验所研究的两组小鼠血液中ALT、AST值都明显高于正常范围，提示两组小鼠存在肝损伤，ALT的数值1组和2组分别为150和154，AST的数值1组和2组分别是362和297。对两组肝损伤小鼠血液光谱信号经HHT处理，得到其HHT变换图(如图1所示)；其Hilbert谱二维显示如图2所示；信号边际谱如图3所示。

图1 肝损伤小鼠每个IMF变换分量及最后一个剩余分量图

图2 肝损伤小鼠Hilbert谱二维显示图

图3 肝损伤小鼠信号边际谱图

通过分析以上各图和相关系数、方差贡献率知：两组肝损伤小鼠血液光谱信号经EMD分解后都得到2个imf分量和1个剩余分量；都以低频为主，经EMD分解得到的imf分量中，能量主要集中在imf 2分量，并且都有imf 1分量与原始信号呈负相关；边际谱中其频率主要集中在0和0.5附近，并且由多个子频段组成。由此可知，肝损伤小鼠血液光谱信号经HHT后有上面3个相同之处，并可由此初步形成判断小鼠是否存在肝损伤的信号依据[12]。

3.2 正常小鼠和实验组小鼠血液光谱信号研究

本组研究中正常小鼠的ALT、AST、CHOL及TG4项指标都处在正常范围，实验组小鼠的4项指标分别为ALT 92，AST 266，CHOL 0.84，TG 0.39。指标处于正常范围的小鼠和实验组小鼠光谱信号经HHT处理后所得的每个IMF分量及最后一个剩余分量如图4所示，Hilbert谱二维显示图如图5所示，信号边际谱如图6所示[13]。

图4 正常小鼠每个IMF分量及最后一个剩余分量图

图5 正常小鼠Hilbert谱二维显示图

图6 正常小鼠信号边际谱图

通过分析以上各图和相关系数、方差贡献率知：指标处于正常范围的小鼠血液光谱信号以高频为主，经EMD分解得到的imf分量中，能量集中在imf 1和imf 2，imf 3与原始信号呈负相关；实验小鼠血液光谱信号以低频为主，经EMD分解得到的imf分量中，能量集中在imf 3，imf 2与原始信号呈负相关[14]。指标处于正常范围的小鼠血液光谱信号边际谱中峰值平均值为11；实验小鼠血液光谱信号边际谱中峰值平均值为15。由此可初步确定此小鼠某些指标不处于正常范围，这与根据实际测定的小鼠指标值判断结果相同，可知HHT方法适合于小鼠血液光谱信号分析，并可在适当条件下确定实验小鼠所研究的指标是否处于正常范围[15-16]。

4 结论

本研究首次提出应用HHT方法研究小鼠血液光谱信号，并初步形成了判断小鼠是否存在肝损伤以及所研究指标是否处在正常范围的信号依据。本研究只是对HHT在血液光谱信号方面的初步研究，还有待于更深入的研究。期望应用本课题的预期研究成果能为人体血液信号分析及生理生化监测提供新的可借鉴及应用的技术手段，并能为无创血液检测研究提供一种新的更合适的分析方法[17]。

[1]李晖，谢树森，陆祖康，等.生物组织的可见光与近红外光散射模型[J].光学学报，1999，19(12)：1661-1666.

[2]林凌，李刚.人体血液成为无创测量取得突破即将进入实用[J].中国医疗器械信息，2009，15(8)：29-33.

[3]李刚，王焱，李秋霞，等.动态光谱法对提高近红外无创血液成份检测精度的理论分析[J].红外与毫米波学报，2006，25(5)：345-348.

[4]王晨，胡昌勤.傅里叶变换红外光谱技术在生物医学技术领域中的应用[J].中国药事，2013，27(9)：986-988.

[5]田高友，袁洪福，刘慧颖，等.小波变换在近红外光谱分析中的应用进展[J].光谱学与光谱分析，2003，23(6)：1111-1114.

[6]周振宇，杨宏宇，龚辉，等.基于希尔伯特黄变换的近红外脑功能成像信号分析[J].光学学报，2007，27(2)：307-312.

[7]沈毅，沈志远.一种非线性非平稳自适应信号处理方法—希尔伯特-黄变换综述：发展与应用[J].自动化技术与应用，2010，29(5)：1-5.

[8]李冬云，李彩云.近红外光谱信号的优化处理[J].计算机与应用化学，2007，24(10)：1418-1420.

[9]高荣强，范世福，严衍禄，等.近红外光谱的数据预处理研究[J].光谱学与光谱分析，2004，24(12)：1-4.

[10]刘青格，陈斌.基于相关分析技术的近红外光谱信息特征提取[J].农业机械学报，2003，34(3)：79-81.

[11]张小青，徐智，凌晓峰，等.红外光谱技术在医学中的应用[J].光谱学与光谱分析，2010，30(1)：30-34.

[12]袁天军，王家俊，者为，等.近红外光谱法的应用及相关标准综述[J].中国农学通报，2013，29(20)：190-196.

[13]田辉，王护民，刘瑶，等.SPF级Wistar大鼠血液和生化指标正常值范围探讨[C].桂林：中国实验动物学会第七届学术年会论文集，2006：214-219.

[14]林宁.7种生化指标在常见肝病中的诊断价值及其相关性分析[J].江苏大学学报(医学版)，2002，12(5)：487-488.

[15]殷晓中，于盛林.信号的时频分析理论与应用评述[J].现代电子技术，2006，29(21)：118-120.

[16]张丽娜.数字信号处理的时频分析方法综述[J].信息技术，2013(6)：26-28.

[17]陈成伟.肝脏功能评估[C].重庆：第三届全国病毒性肝炎慢性化重症化基础与临床研究进展学术会议论文汇编，2013：61-64.

Analysis and research on spectrum signal of mice blood based on hilbert-huang transform/

ZHANG Kui-xing, LUO Fei-fei,WEI Ben-zheng// China Medical Equipment,2014,11(9):12-14.

Objective:To provide a criterion for determining whether a mouse's health by analyzing the time-frequency local characteristics of nonlinear and unsteady mice blood spectrum signal.Methods:Collect the blood spectrum signal of the normal and liver damage mice by infrared spectrum method, then study the mice blood spectrum signal by Hilbert -huang transform method.Results:Initially formed criterion on judge whether there is hepatic injury in mice signal.Conclusion:Analysis method based on HHT in mice blood signal spectrum analysis can accurately determine the health of the mice and it provides a new method of analysis for noninvasive blood tests.

Hilbert-huang transform; Empirical mode decomposition; Intrinsic mode function; Hilbert spectral analysis

1672-8270(2014)09-0012-03

R318.03

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.09.005