光声谱技术检测血红蛋白含量的基础研究

苏翼雄(广西壮族自治区计量检测研究院, 广西南宁 530007)

光声谱技术检测血红蛋白含量的基础研究

苏翼雄
(广西壮族自治区计量检测研究院, 广西南宁 530007)

本文搭建了一套光声谱技术检测系统，进行血红蛋白含量的基础实验研究。结果证明，光声技术是活体血红蛋白含量无损检测中潜在的有效工具，可精确测量深度为6m m高散射介质下的血红细胞含量的变化。

光声技术;无创检测;血红细胞

血红蛋白是红细胞的主要成分，其功能是在肺部结合氧气，送到全身各组织，并将组织中产生的二氧化碳送到肺部而呼出体外。血红蛋白是人体内部运输氧到身体各器官的唯一工具，其含量的减少，导致组织细胞供氧不足，甚至细胞死亡。无创实时监控血红蛋白含量，在医学的基础研究和临床研究上具有广阔的应用前景。

本文利用光声技术进行血红细胞含量和氧饱和度检测的基础研究。实验结果表明，该技术可以监测血液血红蛋白的变化，在1 064nm波长下，探测深度至少为6mm。

1 检测原理

当一束短脉冲激光照射在组织上，在组织内部发生光的吸收时，形成不均匀的非持久热源。该热源导致压力的变化，压力时间分布特性p（t）为下列公式。

式（1）为光声谱测量技术的基本原理，通过测量得到的光声信号，就能计算组织某一位置处的吸收系数。忽略组织中吸光系数微小变化对光空间分布的影响，就可以认为某一处光声信号的幅值与该位置的吸光系数成正比关系。

2 实验和方法

2.1 实验装置

光声信号激励源采用ND:YAG脉冲激光器（Spectra-physics），输出波长1 064nm，脉宽10ns，光束直径1cm，重复频率10Hz。脉冲激光束经过凹透镜扩束、毛玻璃的均匀化后照射在模拟样品上。实验中，照射在样品的激光能量密度在10mJ cm-2以下。光声信号的接受是通过一个非聚焦宽带的超声检测器，中心频率为3.5MHz。将光声信号转换为电压信号，信号放大后，利用示波器（TDS5104， Tektronix）进行数据采集。

模拟样品由两层生物组织构成，中间夹着一根用于模拟血管的硅胶管（内径2.0mm，管壁1.0mm），超声耦合剂来保证生物组织之间以及它们与硅胶管之间的超声耦合。硅胶管的两端置于密闭的容器中，避免与空气接触，减小实验过程中血红细胞氧含量的变化。用磁力搅拌器不停地搅拌，以保持血液样品的均匀性，用蠕动泵使血液在胶管内顺畅流动。

2.2 模拟样品

在硅胶管中流动的血液样品分别加入抗凝剂的猪动脉血和静脉血（离体时间3小时以内），模拟样品的上层生物组织采用带皮的脂肪层，厚度约6mm，下层为脂肪层，厚度约20mm。

2.3 血红细胞变化的实验

血液的初始体积为30mL，实验过程中，以10mL为间隔，加入生理盐水，测量光声信号的变化。

3 实验结果和讨论

3.1 血液光声谱图

模拟血液样品采集到的的光声信号如图1。

图1中有三处非常明显的光声信号。最左边的光声信号来源于激励光源穿透模拟样品，直接照射在探头上；中间的近似N形结构的光声信号来源于血管模拟样品，体现血管中血液的光学吸收特性；信号的右边部分是在模拟样品的表面产生的。超声在脂肪组织的传播速度为1 500mm/s，硅胶管和探头的距离约21mm，上层生物组织厚度约为6mm，位置和厚度都较好地吻合。

图1 模拟样品的光声信号

图2 血液浓度vs光声信号幅值

3.2 血红蛋白浓度与光声强度

往血液中加入生理盐水，以稀释血红蛋白的浓度。实验中，血液处于密闭的容器中，实验持续时间10min，近似认为实验过程中，血红细胞的氧饱和度不发生改变，光学参数的变化只是由于血红细胞的浓度引起的。中间模拟血管的光声信号幅值变与血液浓度之间的关系如图2，二者基本为线性关系，相关系数达到0.96，与理论分析得到的结果一致。

3.3 血红蛋白浓度测定

补充用本测定方法测定血红蛋白浓度与相关方法测定结果进行对比，并进行误差分析。

4 结论

本文搭建了时域光声系统用于血红蛋白的测量，实验结果说明：第一，时域光声技术可以精确定位血管位置，其他位置对此部分的影响基本可以忽略；第二，光声技术可以如实地反映血液浓度的变化，在一定范围内，光声信号的幅值和血液浓度基本呈正比关系。

[1] Durduran Turgut,Yu Guoqiang,Zhou Chao, et al., Quantification of Muscle Oxygenation and Flow of Healthy Volunteers During Cuff Occlusion of Arm and Leg Flexor Muscles and Plantar Flexion Exercise[J].Proceedings of the SPIE,2003(4955):447-453.

[2] Esenaliev Rinat O.,Larina Irina V.,Larin Kirill V.,Deyo Donald J.,et al., Optoacoustic Technique for Noninvasive Monitoring of Blood Oxygenation: a Feasibility Study[J].Applied Optics,2002(22):4722-4731.

[3] Esenaliev Rinat O.,Petrov Yuriy Y., Hartrumpf Olaf,Deyo Donald J., Prough Donald S.Continuous, Noninvasive Monitoring of Total Hemoglobin Concentration by an Optoacoustic Technique[J].Applied Optics,2004(17):3401-3407.

[4] Laufer Jan G., Elwell Clare E., Delpy Dave T., Beard Paul C. Pulsed Near-infrared Photoacoustic Spectroscopy of Blood[J].Proceedings of the SPIE, 2004(5320):57-68.

[5] Laufer J.,Elwell C.,Delpy D.,Beard P. Absolute Measurements of Local Chromophore Concentrations Using Pulsed Photoacoustic Spectroscopy[J].Proceedings of the SPIE,2006(6086):398-405.

Monitoring the Concentration of Hemoglobin using Photoacoustic Spectroscopy

SU Yi-xiong
(Guangxi Zhuang Autonomous Region Institute of Metrology & Test,Guangxi Nanning 53007)

In this study, noninvasive measurement of concentration of hemoglobin has been investigated by using photoacoustic method. We detailedly report a home-made photoacoustic experiment system for this study. The photoacoustic signals, generated by varying the hemoglobin concentration in blood experimentally, were picked up and analyzed. The results show that the photoacoustic technique is a useful and helpful tool for noninvasive monitoring of the total hemoglobin concentration in-vivo, for it can accurately detect the variation of the total hemoglobin concentration of hemoglobin, even when the blood vessel is deep in high scattering medium for 6mm.

Photoacoustic technique; Hemoglobin; Noninvasive measurement

R446.11

A

2096-0387（2015）01-0043-02

苏翼雄（1979-），男，广西人，博士，工程师，研究方向：计量检测。