李國(guó)軍，唐 飛，王曉浩，李曙哲，楊 濤

(1.西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽(yáng)621010;2.清華大學(xué) 精密儀器與機(jī)械學(xué)系 精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084)

0 引 言

血紅蛋白是血液當(dāng)中運(yùn)輸氧氣和二氧化碳的載體。人體內(nèi)血紅蛋白的含量是確定貧血的可靠指標(biāo)［1］。現(xiàn)在臨床血紅蛋白濃度檢測(cè)方法多為有創(chuàng)檢測(cè)，需要對(duì)患者采血，不僅麻煩，耗材，給病人帶來(lái)痛苦，而且不能進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)。因此，無(wú)創(chuàng)血紅蛋白檢測(cè)方法的研究具有很高的臨床應(yīng)用價(jià)值。

近紅外光譜用于人體分析最大優(yōu)點(diǎn)是不需要做任何樣品處理準(zhǔn)備，對(duì)人身體無(wú)任何損傷。在近紅外區(qū)域，體液和軟組織相對(duì)透明，穿透力強(qiáng)，是較為理想的檢測(cè)光譜段。通過(guò)分析人體的近紅外反射或透射光譜，可實(shí)現(xiàn)對(duì)血紅蛋白濃度絕對(duì)值的檢測(cè)。

近紅外方法測(cè)量血紅蛋白的研究經(jīng)過(guò)30 多年的發(fā)展，離體測(cè)量已經(jīng)比較準(zhǔn)確，而在體測(cè)量結(jié)果的精度卻不能令人滿意。有很多方面的原因，其中，個(gè)體差異和測(cè)量條件是影響光譜測(cè)量結(jié)果的突出技術(shù)問(wèn)題。絕大部分研究者利用2 個(gè)波長(zhǎng)［2，3］，涵蓋信息不足，且運(yùn)用仿真方法估計(jì)光程值，存在較大的誤差，有些采用多波長(zhǎng)也只是進(jìn)行離體測(cè)試。本文采用多個(gè)波長(zhǎng)，涵蓋足夠的血紅蛋白信息，且提出運(yùn)用模糊建模方法得到光程值，一定程度上減小散射帶來(lái)的影響，并運(yùn)用到活體測(cè)量。

本文所設(shè)計(jì)的血紅蛋白檢測(cè)儀采用食指第一節(jié)處作為測(cè)量部位，選定 660，730，805 nm 和 940 nm 的近紅外光為檢測(cè)波長(zhǎng)，測(cè)量其透射光譜，利用修正的Lambert－Beer定律，可以實(shí)現(xiàn)人體血紅蛋白濃度的絕對(duì)量估算［4～6］。對(duì)28 名志愿者進(jìn)行在體測(cè)量，取得了較好的測(cè)試結(jié)果。

1 檢測(cè)原理

根據(jù)修正的Lambert－Beer 定律，對(duì)于人體生物組織中含有多種成分有

其中，G 為背景吸收、散射引起的衰減，且

按照以下步驟就可以計(jì)算出血紅蛋白的濃度:

1)準(zhǔn)確地得到每個(gè)波長(zhǎng)的入射光強(qiáng)度I0與透過(guò)手指的出射光強(qiáng)度I;

2)準(zhǔn)確得到每個(gè)波長(zhǎng)處的消光系數(shù);

3)測(cè)得光程d;

4)根據(jù)公式(4)建立幾個(gè)聯(lián)合方程式，如式(2)～式(6);

5)根據(jù)以上方程組解得CHb，CHbO2的值。

1.1 測(cè)量部位選擇

如圖1 所示［7］，指端部位皮膚厚度小，其他組織成分干擾少，具有高的信噪比，提取信號(hào)簡(jiǎn)單，可滿足血紅蛋白濃度的檢測(cè)要求，因此，選擇手指食指作為檢測(cè)部位［8］。

圖1 手指組織血管Fig 1 Blood vessels of finger tissue

1.2 測(cè)量波長(zhǎng)選擇

采用多波長(zhǎng)法計(jì)算出血紅蛋白濃度。該方法假設(shè)組織吸收光的程度只受氧、血紅蛋白和還原血紅蛋白的影響，在選擇波長(zhǎng)的時(shí)候盡量地選擇這2 種成分吸光較強(qiáng)而其他成分吸光很弱的波段［9］，以避免其他成分的干擾，提高血紅蛋白成分吸收信號(hào)的信噪比。

從圖2 血紅蛋白的吸收曲線可以看出:血紅蛋白在660～1 000 nm 之間具有很好的吸光特性，選擇 660，730，805 nm和940 nm 4 個(gè)波長(zhǎng)是比較理想的組合。

2 檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

血紅蛋白測(cè)量?jī)x的硬件組成結(jié)構(gòu)如圖3 所示，主要有信號(hào)采集部分和數(shù)據(jù)及顯示部分組成。信號(hào)采集部分主要包含光源，光電二極管，I/V 轉(zhuǎn)換放大電路與A/D 轉(zhuǎn)換電路幾部分。數(shù)據(jù)處理與顯示部分主要是基于TMS320F2812DSP平臺(tái)。該芯片為TI 公司的16 位處理器，最高主頻150 MHz，自帶16 通道的12A/D 轉(zhuǎn)換器，外擴(kuò)SDRAM，SD 卡存儲(chǔ)部分和LCD 等，共同組成了數(shù)據(jù)采集和顯示模塊。

圖2 血紅蛋白吸收光譜特性Fig 2 Absorption spectrum feature of hemoglobin

圖3 血紅蛋白檢測(cè)儀系統(tǒng)框圖Fig 3 Block diagram of hemoglobin detector system

2.1 信號(hào)發(fā)射接收部分

無(wú)創(chuàng)血紅蛋白信號(hào)發(fā)射與接收是通過(guò)探頭實(shí)現(xiàn)的，探頭如圖4 所示，探頭中含有1 只集成4 個(gè)波長(zhǎng)(660，730，805，940 nm)的發(fā)光二極管、1 個(gè)光電接收器。由TMS320F2812DSP 產(chǎn)生時(shí)序控制LED 交替發(fā)光，照射手指，接收器接收透過(guò)手指的透射光，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)。接收器的接收范圍為400～1 100 nm。4 個(gè)波長(zhǎng)均處于接收器轉(zhuǎn)換效率線性度很好的波段，可以很好地提高檢測(cè)裝置的靈敏度。

圖4 探頭部分Fig 4 Probe part

2.2 前置放大與A/D 轉(zhuǎn)換部分

前置放大電路的作用是將光電接收器接收的光電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成與透射光強(qiáng)呈正比的電壓信號(hào)，這里選取ADI 公司出品的 AD820，通過(guò)確定 R1，R2，C1，C2，C3 的值，使得電路具有較好的穩(wěn)定性和較高的信噪比，實(shí)際電路如圖5 所示。該電路能實(shí)現(xiàn)電流到電壓的精確轉(zhuǎn)換。

模數(shù)轉(zhuǎn)換部分采用TMS320F2812 芯片自帶的12 位A/D 轉(zhuǎn)換器。

圖5 前置放大電路Fig 5 Preamplifier circuit

2.3 數(shù)據(jù)處理、顯示與存儲(chǔ)部分

該部分以TI 公司的TMS320F2812 為控制芯片，完成數(shù)據(jù)的處理、顯示及存儲(chǔ)。片上有128 k 的 flash，外擴(kuò)1 片256 k的 SDRAM，使用的芯片為 IS61LV25616-BGA。LCD 顯示屏型號(hào)為MZLH08-12864。SD 卡模塊電路如圖6 所示。

圖6 SD 卡接口電路Fig 6 SD card interface circuit

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要有驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序兩大部分構(gòu)成。

1)驅(qū)動(dòng)程序部分

驅(qū)動(dòng)程序主要有SD 卡模塊、LCD 模塊和鍵盤模塊。SD 卡存儲(chǔ)部分采用SPI 通訊方式進(jìn)行存儲(chǔ)。

2)應(yīng)用程序部分

血紅蛋白濃度測(cè)量的程序流程如圖7 所示，應(yīng)用程序主要包括:硬件初始化和系統(tǒng)自檢、4 路LED 光源的時(shí)序控制、增益程序控制、A/D 采樣和數(shù)據(jù)的濾波、血紅蛋白濃度的計(jì)算、液晶顯示幾大部分。

4 實(shí)驗(yàn)方法

4.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

為了檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的無(wú)創(chuàng)血紅蛋白濃度測(cè)試儀有效性，在北京市海淀醫(yī)院用該儀器與對(duì)28 名受試者進(jìn)行了血紅蛋白濃度的測(cè)量，其中，男15 人，女13 人。

第一組樣本，對(duì)27 名實(shí)驗(yàn)者進(jìn)行測(cè)試，由于血紅蛋白值在沒(méi)有大量出血或者體液為大量流失情況下不會(huì)變，所以，每人進(jìn)行一次抽血，采集4 次光譜數(shù)據(jù)，共計(jì)108 組數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果如表1 所示，處理后每人只記錄4 次中的1 次數(shù)據(jù)。第二組樣本，對(duì)1 名志愿者連續(xù)采集4 組數(shù)據(jù)，從早上 8 點(diǎn)到中午 11 點(diǎn)每 1 h 測(cè)量 1 次，如表 2。

圖7 系統(tǒng)主程序流程圖Fig 7 Flow chart of main program of system

表1 27 名受試者測(cè)量結(jié)果Tab 1 Measurement results of 27 volunteers

表2 1 名受試者測(cè)量結(jié)果Tab 2 Measurement results of one volunteer

4.2 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照值的測(cè)量

用無(wú)創(chuàng)血紅蛋白檢測(cè)儀采集完一組數(shù)據(jù)后，立即用有創(chuàng)的方法得到真實(shí)的血紅蛋白濃度值。具體操作過(guò)程由醫(yī)院醫(yī)生完成，結(jié)果可靠性高。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖8 描述了27 名受試者108 組測(cè)量值與真實(shí)值之間的相關(guān)性。血紅蛋白濃度在90～170 g/L 范圍內(nèi)，相關(guān)系數(shù)為0.6646，說(shuō)明2 者具有一定的相關(guān)性，血紅蛋白檢測(cè)儀在一定程度上能夠準(zhǔn)確反映血紅蛋白濃度結(jié)果，但并不是很理想，而且絕對(duì)誤差比較大。

圖9 說(shuō)明該儀器對(duì)單一個(gè)體的相關(guān)系數(shù)為0.964。

6 結(jié)束語(yǔ)

圖8 27 名受試者血紅蛋白濃度計(jì)算值與真實(shí)值的相關(guān)性Fig 8 Correlation between calculated values and true values of 27 volunteers'hemoglobin concentration

圖9 一名受試者血紅蛋白濃度計(jì)算值與真實(shí)值相關(guān)性Fig 9 Correlation between calculated values and true values of one volunteers'hemoglobin concentration

基于TMS320F2812 的血紅蛋白檢測(cè)儀在測(cè)量方法上已經(jīng)給出了初步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)多人測(cè)量相關(guān)系數(shù)為0.664 6，對(duì)單人測(cè)量的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.964，結(jié)果具有一定的科研價(jià)值。但如果將來(lái)應(yīng)用于臨床，還需要做進(jìn)一步改進(jìn)。

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