蘇翼雄(廣西壯族自治區(qū)計(jì)量檢測(cè)研究院, 廣西南寧 530007)

光聲譜技術(shù)檢測(cè)血紅蛋白含量的基礎(chǔ)研究

蘇翼雄
(廣西壯族自治區(qū)計(jì)量檢測(cè)研究院, 廣西南寧 530007)

本文搭建了一套光聲譜技術(shù)檢測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行血紅蛋白含量的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果證明，光聲技術(shù)是活體血紅蛋白含量無(wú)損檢測(cè)中潛在的有效工具，可精確測(cè)量深度為6m m高散射介質(zhì)下的血紅細(xì)胞含量的變化。

光聲技術(shù);無(wú)創(chuàng)檢測(cè);血紅細(xì)胞

血紅蛋白是紅細(xì)胞的主要成分，其功能是在肺部結(jié)合氧氣，送到全身各組織，并將組織中產(chǎn)生的二氧化碳送到肺部而呼出體外。血紅蛋白是人體內(nèi)部運(yùn)輸氧到身體各器官的唯一工具，其含量的減少，導(dǎo)致組織細(xì)胞供氧不足，甚至細(xì)胞死亡。無(wú)創(chuàng)實(shí)時(shí)監(jiān)控血紅蛋白含量，在醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)研究和臨床研究上具有廣闊的應(yīng)用前景。

本文利用光聲技術(shù)進(jìn)行血紅細(xì)胞含量和氧飽和度檢測(cè)的基礎(chǔ)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)可以監(jiān)測(cè)血液血紅蛋白的變化，在1 064nm波長(zhǎng)下，探測(cè)深度至少為6mm。

1 檢測(cè)原理

當(dāng)一束短脈沖激光照射在組織上，在組織內(nèi)部發(fā)生光的吸收時(shí)，形成不均勻的非持久熱源。該熱源導(dǎo)致壓力的變化，壓力時(shí)間分布特性p（t）為下列公式。

式（1）為光聲譜測(cè)量技術(shù)的基本原理，通過(guò)測(cè)量得到的光聲信號(hào)，就能計(jì)算組織某一位置處的吸收系數(shù)。忽略組織中吸光系數(shù)微小變化對(duì)光空間分布的影響，就可以認(rèn)為某一處光聲信號(hào)的幅值與該位置的吸光系數(shù)成正比關(guān)系。

2 實(shí)驗(yàn)和方法

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

光聲信號(hào)激勵(lì)源采用ND:YAG脈沖激光器（Spectra-physics），輸出波長(zhǎng)1 064nm，脈寬10ns，光束直徑1cm，重復(fù)頻率10Hz。脈沖激光束經(jīng)過(guò)凹透鏡擴(kuò)束、毛玻璃的均勻化后照射在模擬樣品上。實(shí)驗(yàn)中，照射在樣品的激光能量密度在10mJ cm-2以下。光聲信號(hào)的接受是通過(guò)一個(gè)非聚焦寬帶的超聲檢測(cè)器，中心頻率為3.5MHz。將光聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，信號(hào)放大后，利用示波器（TDS5104， Tektronix）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

模擬樣品由兩層生物組織構(gòu)成，中間夾著一根用于模擬血管的硅膠管（內(nèi)徑2.0mm，管壁1.0mm），超聲耦合劑來(lái)保證生物組織之間以及它們與硅膠管之間的超聲耦合。硅膠管的兩端置于密閉的容器中，避免與空氣接觸，減小實(shí)驗(yàn)過(guò)程中血紅細(xì)胞氧含量的變化。用磁力攪拌器不停地?cái)嚢瑁员３盅簶悠返木鶆蛐?，用蠕?dòng)泵使血液在膠管內(nèi)順暢流動(dòng)。

2.2 模擬樣品

在硅膠管中流動(dòng)的血液樣品分別加入抗凝劑的豬動(dòng)脈血和靜脈血（離體時(shí)間3小時(shí)以內(nèi)），模擬樣品的上層生物組織采用帶皮的脂肪層，厚度約6mm，下層為脂肪層，厚度約20mm。

2.3 血紅細(xì)胞變化的實(shí)驗(yàn)

血液的初始體積為30mL，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，以10mL為間隔，加入生理鹽水，測(cè)量光聲信號(hào)的變化。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

3.1 血液光聲譜圖

模擬血液樣品采集到的的光聲信號(hào)如圖1。

圖1中有三處非常明顯的光聲信號(hào)。最左邊的光聲信號(hào)來(lái)源于激勵(lì)光源穿透模擬樣品，直接照射在探頭上；中間的近似N形結(jié)構(gòu)的光聲信號(hào)來(lái)源于血管模擬樣品，體現(xiàn)血管中血液的光學(xué)吸收特性；信號(hào)的右邊部分是在模擬樣品的表面產(chǎn)生的。超聲在脂肪組織的傳播速度為1 500mm/s，硅膠管和探頭的距離約21mm，上層生物組織厚度約為6mm，位置和厚度都較好地吻合。

圖1 模擬樣品的光聲信號(hào)

圖2 血液濃度vs光聲信號(hào)幅值

3.2 血紅蛋白濃度與光聲強(qiáng)度

往血液中加入生理鹽水，以稀釋血紅蛋白的濃度。實(shí)驗(yàn)中，血液處于密閉的容器中，實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間10min，近似認(rèn)為實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，血紅細(xì)胞的氧飽和度不發(fā)生改變，光學(xué)參數(shù)的變化只是由于血紅細(xì)胞的濃度引起的。中間模擬血管的光聲信號(hào)幅值變與血液濃度之間的關(guān)系如圖2，二者基本為線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.96，與理論分析得到的結(jié)果一致。

3.3 血紅蛋白濃度測(cè)定

補(bǔ)充用本測(cè)定方法測(cè)定血紅蛋白濃度與相關(guān)方法測(cè)定結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，并進(jìn)行誤差分析。

4 結(jié)論

本文搭建了時(shí)域光聲系統(tǒng)用于血紅蛋白的測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明：第一，時(shí)域光聲技術(shù)可以精確定位血管位置，其他位置對(duì)此部分的影響基本可以忽略；第二，光聲技術(shù)可以如實(shí)地反映血液濃度的變化，在一定范圍內(nèi)，光聲信號(hào)的幅值和血液濃度基本呈正比關(guān)系。

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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

蘇翼雄（1979-），男，廣西人，博士，工程師，研究方向：計(jì)量檢測(cè)。