基于时间分辨透射光谱的血液血红蛋白无创检测方法

基于时间分辨透射光谱的血液血红蛋白无创检测方法

袁渊黄河杨基春孙美秀

300192天津，中国医学科学院北京协和医学院生物医学工程研究所

目的基于时间分辨结合遮蔽光谱（TRACOS）技术进行血红蛋白在体无创测量方法的理论研究。方法在人体手指部位及人工血流动力学条件下，检测和分析动态双波长时间分辨透射。通过对时域数据进行拉普拉斯变换，提高血红蛋白的检测灵敏度。使用质量浓度范围为6～16 g/dl的血红蛋白对时间分辨检测法进行验证。结果模拟结果表明，与连续波法相比，当使用拉普拉斯变换参数p=5×1010s-1时，时间分辨检测法可以提供更高的检测灵敏度。结论采用小正参数对时间分辨透射光强进行拉普拉斯变换可以强调早到达光子效应，从而增强血红蛋白探测的灵敏度。

时间分辨透射光谱；血液血红蛋白；无创检测

Fund program:National Natural Science Foundation of China(81101170)

0 引言

血红蛋白是人类血液中的重要成分之一，负责将氧从肺部运输到身体其他部位，人体血红蛋白水平正常范围为12～16 g/dl[1]。血液血红蛋白检测是临床中的一项重要检测。通过血红蛋白检测，可以诊断出贫血和出血症状[2]。血红蛋白检测广泛应用于门诊室、急诊室、手术室、重症监护室、分娩室及妇女和儿童健康护理机构。大多数国家的献血中心也会在献血前对捐献者进行血细胞比容测定，以便在献血前排除贫血捐献者，并确保捐献者血液中有足够的血红蛋白。

目前，常见的2种血红蛋白检测方法均为有创检测[3]。①抽取血液样品送至临床实验室进行分析。这是最常见的血红蛋白检测方法，具有侵入性、不连续、非实时的特点，且会加重患者的围手术期贫血。②在体外循环手术或血液透析期间监测体外血液回路中的血红蛋白[4]。该方法适用范围窄，且同样具有侵入性。因此，血红蛋白的非侵入、实时检测在临床诊断中有重要意义。

先前的研究探索了基于时间分辨结合遮蔽光谱（time-resolved approach combined with occlusionspectroscopy，TRACOS）的在体非侵入血糖检测方法[5-6]。该方法在人工血流动力学条件下，在人手指部位使用动态双波长时间分辨法进行血糖检测。模拟结果表明，使用一个小负参数对时间分辨透射光强进行拉普拉斯变换可以增强葡萄糖的检测灵敏度。本研究针对基于TRACOS的血红蛋白检测方法进行理论研究。通过对时域数据进行拉普拉斯变换进行参数斜率修正。应用数值模拟方法，对修正后的参数斜率与血红蛋白质量浓度的关系进行分析，并使用质量浓度范围为6～16 g/dl的血红蛋白对该方法进行验证。

1 吸收模型和散射系数

血红蛋白含量对血液的吸收与散射系数产生影响。在手指上施加临时的过收缩压可以减小剪切力并使血流停滞。在低流速率下，血液中的红细胞（red blood cell，RBC）会沿其对称轴聚集，产生RBCs叠连效应（RBCs聚集）[7]。RBCs聚集会使散射粒子尺寸增大，引起散射系数变化，从而改变光透射率。本文基于文献[5]的实验条件开展数值模拟研究，即：假设RBC聚集是一维的，按照轴线相互堆叠，且聚集体形状可近似为椭球体（图1）。因此，RBC个体与RBC聚集体均可视为随机椭球体，其散射截面、吸收截面和各向异性可通过T矩阵法进行计算。

图1 血红细胞一维聚集模型

图2 血液吸收系数与RBC平均聚集数（聚集体尺寸）的关系

血液的吸收系数和散射系数与RBC（RBC聚集体）数量以及吸收和散射截面相关，RBC个体的吸收与散射系数可由下式得出[8]

式中：V0为RBC体积，σa和σs分别表示RBC个体的吸收截面与散射截面，μa和μs分别表示血液的吸收和散射系数，ρ为RBC密度（单位体积血液所含红细胞数），H为RBC比容（血液中红细胞体积率）。RBC比容与血红蛋白浓度密切相关，经验上，RBC比容（H×100%）在数值上是血红蛋白质量浓度（g/dl）的3倍[9]。将式（1）推广，可表达RBC聚集的情况。此时，V0表示RBC聚集体的体积，σa和σs分别表示RBC聚集体的吸收截面与散射截面。作为RBC平均聚集数（m）的函数，血液的吸收系数和散射系数分别如图2和图3所示。如图，RBC的聚集使散射颗粒的平均尺寸增大，显著地改变了血液的光学散射特性。使用光谱方法可对这种动态变化进行测量，并将其他组织的背景光学性质加以区分和剔除，这是血红蛋白无创检测的理论依据。

2 血红蛋白测定方法

为简化模型，本研究只考虑血红蛋白中的2个最主要成分，即：氧合血红蛋白（HbO2）和脱氧血红蛋白（Hb）。对于均匀的RBC，其折射系数n=nr+ini，实部nr为平均折射率，虚部ni与血液中悬浮颗粒RBC的吸收和散射有关，可由下式表示[10]

图3 血液散射系数与RBC平均聚集数（聚集体尺寸）的关系

式中：λ0为光在自由空间中的波长，[C]为血红蛋白质量浓度，h1和h2（h2=1-h1）分别为HbO2和Hb的体积比率，γ1和γ2分别为HbO2和Hb的摩尔消光系数。

在数值模拟时，假设使用气动袖带在手指上施加过收缩压，阻断手指血流，产生RBC聚集，改变血液散射性质。建立厚度为10 mm的人体手指组织模型，将手指简化为由血浆和RBC聚集体组成的单层均匀介质，不考虑组织，皮肤，骨骼等实际介质的影响。光源和探测器工作在红外/近红外光谱区间，使用波长分别为660 nm和940 nm的双波长激光束垂直入射到模型表面。时间分辨光学探测装置布置于光源的对置部位，用以接收透射光。根据漫射方程，得出时间分辨透射公式[11]，如下

式中：D={3[μa+（1-g）μs]}-1为漫射系数，z0=[（1－g）μs]-1是介质中一次传输的平均自由程，g为散射角的平均余弦，c是组织中的光速，l=10 mm是样本厚度，t为时间。

将2个波长对应的时域函数f（t）（时间分辨透射信号）经过拉普拉斯变换后的比值定义为参数斜率。时域函数f（t）的拉普拉斯变换如下式

式中：F（p）为漫射光的加权时间积分，f（t）为为时域点源函数，p为拉普拉斯变换参数。p=σ+jω为复数（σ和ω为实数），本研究只选择p的实数值。在散射光谱中，当p＞0时，强调早期到达光子的效应；p＜0时，晚到达光子强度增强。存在p的下界（p≥-μsc），使得积分收敛。

图4 不同血红蛋白浓度下的连续波双波长透射

在人为动力学条件下（血流受阻），RBC聚集体的平均尺寸逐渐增加。在数值模拟中，假设当RBC平均聚集数（m）是整数且在3～8范围内时，透过手指组织的双波长光束（λ1=940 nm，λ2=660 nm）的时间分辨透射光强可被探测到。根据相应的光学性质（图2、图3）和组织模型，测得的入射光λ1和λ2对应的时间分辨透射分别为T1=f1（t，m）和T2=f2（t，m），分别可由式（3）计算得出。对任意选定的p值，可由式（4）得到相应的拉普拉斯变换F1（p，m）和F2（p，m）。本研究将F1（p，m）和F2（p，m）的平均增量的比值定义为修正参数斜率（modified parametric slope，MPS），如下式

考虑到在m的范围内，F1（p，m）与F2（p，m)之间的关系可能不是线性的，因此使用最小二乘法拟合得到最佳拟合曲线及对应的斜率。

使用2种血红蛋水平（6 g/dl和8 g/dl）对时间分辨测量法的可行性和准确性进行验证。为了模拟真实条件，分别在采集到的时间分辨信号f1（t，m）和f2（t，m）中添加随机泊松噪声。选择拉普拉斯变换参数（p值）为：-3×1010s-1，-2×1010s-1，-1×1010s-1，0 s-1，1×1010s-1，2×1010s-1，3×1010s-1和5×1010s-1。每组实验重复10次，结果以平均值表示。

3 结果与讨论

如图4、5所示，连续波透过率F1（0，m）和F2（0，m）与时间分辨透过率F1（p，m）和F2（p，m）均随m值的增大而增大。如图4所示，当p＝0时（连续波），[C]＝6 g/dl的最佳拟合曲线的斜率为0.597 9，[C]=8 g/dl的最佳拟合曲线的斜率为0.370 8。如图5所示，当p=5×1010s-1时（时间分辨），[C]=6 g/dl的拟合曲线的斜率为1.078，[C]=8 g/dl的拟合曲线的斜率为0.815。比较图4和图5可知，选择适当的参数p对时域函数进行拉普拉斯变换，可以增强MPS，也就是提高检测的灵敏度。

图5 不同血红蛋白浓度下的时间分辨双波长透射（p=5×1010s-1）

为了进一步验证时间分辨法的有效性，分别对血红蛋白质量浓度范围为6～15 g/dl（间隔1 g/dl）的10种血液进行了检测，结果见表1。2种方法得到的MPS与血红蛋白质量浓度的关系如图6所示。总体看来，当选择拉普拉斯变换参数p=5×1010s-1时，时间分辨检测法比连续波检测法具有更高的灵敏度。

表1 连续波检测法与时间分辨检测法MPS对比

4 结论

本研究从理论上对基于时间分辨结合遮蔽光谱（TRACOS）技术用于在体血红蛋白浓度测量的方法进行了分析。该方法基于人体手指模型，在人工血流动力学环境下，通过检测和分析动态双波长时间分辨透射，实现对血红蛋白浓度的检测。模拟结果表明，采用小正参数对时间分辨透射光强进行拉普拉斯变换可以强调早到达光子效应，从而增强血红蛋白探测的灵敏度。本研究结果可为基于光谱法的非侵入连续性血红蛋白检测技术提供理论依据。

利益冲突无

[1]Bender JE,Shang AB,Moretti EW,et al.Noninvasive monitoring oftissue hemoglobin using UV-VIS diffuse reflectance spectroscopy: a pilot study[J].Opt Express,2009,17(26):23396-23409.DOI: 10.1364/oe.17.023396

[2]EsenalievRO,PetrovYY,Hartrumpf O,et al.Continuousnoninvasive monitoring of total hemoglobin concentration by an optoacoustictechnique[J].Appl Opt,2004,43(17):3401-3407.DOI:10.1364/ao. 43.003401

[3]Petrova I Y,Esenaliev R O,Petrov Y Y,et al.Optoacoustic monitoring of blood hemoglobin concentration:a pilot clinical study [J].Opt Lett,2005,30(13):1677-1679.DOI:10.1364/ol.30.001677

[4]武婷,史国宁,王健,等.新型节血型体外循环管路在心脏手术中的应用[J].国际生物医学工程杂志,2016,39(2):115-119.DOI: 10.3760/cma.j.issn.1673-4181.2016.02.011

Wu T,Shi G N,Wang J,et al.Application of new blood-saving extracorporeal circulation circuits in open heart surgery[J].Int J Biomed Eng,2016,39(2):115-119.DOI:10.3760/cma.j.issn.1673-4181.2016.02.011

[5]Sun M,Chen N.Non-invasive measurement of blood glucose level by time-resolved transmission spectroscopy:A feasibility study[J]. OptCommun,2012,285(6):1608-1612.DOI:10.1016/j.optcom. 2011.11.091

[6]袁渊,孙美秀,姜琛昱,等.血流控制下时间门的人体血糖无创实验测量[J].国际生物医学工程杂志,2014,37(3):159-162.

Yuan Y,Sun M X,Jiang C Y,et al.Noninvasive measurement of human blood glucose under flow control of time gate[J].Int J Biomed Eng,2014,37(3):159-162.DOI:10.3760/cma.j.issn.1673-4181. 2014.03.008

[7]TsinopoulosSV,SellountosEJ,PolyzosD.Lightscatteringby aggregated redbloodcells[J].Appl Opt,2002,41(7):1408-1417.DOI: 10.1364/ao.41.001408

[8]IshimaruA.Wave Propagation and Scattering in Random Media[M], NewYork:Academic Press,1978:93-115.

[9]Wikipedia.Hematocrit[EB/OL],[2016-11-16].http://en.wikipedia. org/wiki/Hematocrit

[10]Lu JQ,Yang P,Hu XH.Simulations of light scattering from a biconcave redblood cell using the finite-difference time-domain method[J].J Biomed Opt,2005,10(2):024022.DOI:10.1117/1. 1897397

[11]Patterson MS,Chance B,Wilson BC.Time resolved reflectance and transmittance for the non-invasive measurement of tissue optical properties[J].Appl Opt,1989,28(12):2331-2336.DOI:10.1364/ao. 28.002331

Non-invasive method of blood hemoglobin measurement based on time-resolved transmission spectroscopy

Yuan Yuan,Huang He,Yang Jichun,Sun Meixiu
Institute of Biomedical Engineering,Chinese Academy of Medical Sciences&Peking Union Medical College,Tianjin 300192,China

ObjectiveTo theoretically study the non-invasive measurement method of blood hemoglobin in vivo based on the time-resolved approach combined with occlusion spectroscopy.MethodsThe dynamic dual wavelength time-resolved transmission was analyzed based on the artificial blood flow kinetics condition on a human finger model.The sensitivity of hemoglobin measurement was improved by Laplace transforming of time-domain data. The method was validated using hemoglobin with a mass concentration range of 6～16 g/dl.ResultsThe simulation results showed that compared with the continuous wave method,the time-resolved method could provide higher detection sensitivity using Laplace transform parameter p=5×1010s-1.ConclusionsThe sensitivity of hemoglobin measurement can be enhanced when early arriving photons are emphasized by Laplace transformingthe time-resolved transmission with a small positive parameter.

Time-resolved transmission spectroscopy;Blood hemoglobin;Non-invasive measurement

Sun Meixiu,Email:meixiu_sun@126.com

国家自然科学基金（81101170）

2016-10-09）

孙美秀，Email：meixiu_sun@126.com

10．3760/cma．j．issn．1673-4181．2016．06．005