紅細(xì)胞懸液多參數(shù)光譜測(cè)量系統(tǒng)研究.pdf

1、戰(zhàn)時(shí)大量失血是導(dǎo)致作戰(zhàn)人員陣亡的最重要因素，通過(guò)輸血治療可有效挽救戰(zhàn)傷患者生命。近年來(lái)，成分輸血受到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，與輸注全血相比，成分輸血具有一血多用、針對(duì)性強(qiáng)、節(jié)約血源、副作用少、便于保存和運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)。臨床實(shí)踐表明，輸注紅細(xì)胞懸液是急性失血患者的有效救治手段。
　　野戰(zhàn)條件下紅細(xì)胞懸液的儲(chǔ)運(yùn)受距離、時(shí)間、溫度，以及長(zhǎng)時(shí)間震動(dòng)等因素影響，極容易造成紅細(xì)胞溶血而導(dǎo)致紅細(xì)胞懸液中游離血紅蛋白濃度升高。全血或懸浮紅細(xì)胞在有溶血情況

2、下的灌注，將直接影響傷員重要臟器的代謝功能，加快多器官功能不全綜合癥的發(fā)生，危及傷員生命。因此游離血紅蛋白含量是評(píng)價(jià)血袋內(nèi)血液質(zhì)量，判斷其能否安全輸注的關(guān)鍵參數(shù)。
　　目前，檢測(cè)血袋內(nèi)游離血紅蛋白含量的標(biāo)準(zhǔn)方法，是從血袋內(nèi)少量采血，用化學(xué)試劑法進(jìn)行分析，若操作方法或環(huán)境因素控制不當(dāng)，這種化學(xué)試劑檢測(cè)法極易造成被檢血液污染。因此，建立野戰(zhàn)條件下滿足大規(guī)模輸血條件，通過(guò)血袋直接檢測(cè)其中游離血紅蛋白含量的非侵入性快速分析方法具有重要意義

3、。本文所述紅細(xì)胞懸液多參數(shù)光譜測(cè)量方法為前期基礎(chǔ)性研究部分。
　　光譜學(xué)分析方法是實(shí)現(xiàn)非侵入性血液成分分析的重要路徑。根據(jù)輻射傳輸理論，血液作為一種混濁介質(zhì)，其光學(xué)特性可由其各向異性因子g、散射系數(shù)μs、吸收系數(shù)μa三個(gè)光學(xué)參數(shù)表達(dá)。
　　目前血液光譜學(xué)測(cè)量方法，大多采用積分球技術(shù)結(jié)合Monte Carlo逆計(jì)算模型實(shí)現(xiàn)，測(cè)量系統(tǒng)復(fù)雜，使用維護(hù)困難，難以實(shí)現(xiàn)儀器化。
　　本文提出的基于獨(dú)立光電傳感器、無(wú)需積分球裝置測(cè)量

4、紅細(xì)胞懸液多參數(shù)光譜新方法，通過(guò)測(cè)量自血液樣品外不同方向與位置出射的漫反射光強(qiáng)信號(hào)和漫透射光強(qiáng)信號(hào)，并根據(jù)特征光信號(hào)的定義，獲得血液樣品的特征信號(hào)測(cè)量值，包括:漫透射率、漫反射率以及準(zhǔn)直透射率。將三個(gè)特征信號(hào)測(cè)量值作為Monte Carlo仿真逆計(jì)算模型輸入?yún)?shù)，從而獲得被測(cè)紅細(xì)胞懸液多參數(shù)（μa,μs, g）光譜。由于采用相對(duì)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并發(fā)展了基于輻射傳輸理論的準(zhǔn)確快速逆計(jì)算軟件，為紅細(xì)胞懸液多參數(shù)光譜測(cè)量方法的儀器化應(yīng)

5、用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
　　本論文研究的內(nèi)容主要包括：
　　1、提出了一種基于獨(dú)立光電傳感器、無(wú)需積分球裝置測(cè)量紅細(xì)胞懸液多參數(shù)光譜新方法。該方法主要包括光學(xué)子系統(tǒng)、微弱光信號(hào)放大處理硬件子系統(tǒng)、數(shù)字濾波軟件、Monte Carlo仿真逆計(jì)算模型，以及計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制掃描軟件等。其中，光學(xué)子系統(tǒng)由氙燈光源、光學(xué)斬波器、樣品系統(tǒng)、單色儀等組成。氙燈光源發(fā)出的穩(wěn)定復(fù)合光經(jīng)光學(xué)斬波器、單色儀后變?yōu)檎{(diào)制頻率為1kHz單色光；調(diào)
　　

6、制單色光經(jīng)平面反射鏡使光路轉(zhuǎn)折約80°后入射至水平放置的紅細(xì)胞懸液樣品，通過(guò)多個(gè)獨(dú)立光電探測(cè)器測(cè)量樣品外確定位置處的準(zhǔn)直透射光強(qiáng)、漫反射光強(qiáng)、漫透射光強(qiáng)，以及入射光校準(zhǔn)光強(qiáng)。微弱光信號(hào)放大處理硬件子系統(tǒng)由光電探測(cè)器、微弱電流放大電路、高精度A/D采樣模塊等組成。其中，光電探測(cè)器工作在光伏模式下，該方式具有零偏置、無(wú)暗電流、精確線性等優(yōu)點(diǎn)；前置跨阻放大器選用高性能運(yùn)算放大器OPA129，其偏置電流最大為100fA，偏置電壓最大為2mV，滿

7、足nA級(jí)微弱電流檢測(cè)要求；通過(guò)多種抑制措施，降低光噪聲和電噪聲干擾，提高微弱信號(hào)測(cè)量信噪比；放大處理后的特征光信號(hào)經(jīng)16位A/D采集板卡采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過(guò)數(shù)字解調(diào)和濾波方法，直接得到調(diào)制頻率點(diǎn)處諧波分量，進(jìn)一步提高信號(hào)測(cè)量精度。Monte Carlo仿真逆計(jì)算模型是紅細(xì)胞懸液多參數(shù)光譜測(cè)量方法的核心。本文在基于單光子追蹤算法的Monte Carlo（iMC）仿真模型和GPU并行加速計(jì)算基礎(chǔ)上，利用微擾樣品與參考樣品間光學(xué)參數(shù)μa,μ

8、s, g的變化比例，快速給出微擾樣品特征信號(hào)計(jì)算值，實(shí)現(xiàn)以微擾迭代方式對(duì)μa,μs, g光學(xué)參數(shù)的快速求解，形成了輻射傳輸理論框架下iMC-GPU逆運(yùn)算加速解決方案。
　　2、在建立上述紅細(xì)胞懸液多參數(shù)光譜測(cè)量系統(tǒng)基礎(chǔ)上，對(duì)涉及的多個(gè)光學(xué)元件、多路放大電路的工作參數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定和歸一化測(cè)量，獲得的校正系數(shù)確保不同元件、不同通道間測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和一致性。
　　3、紅細(xì)胞懸液多參數(shù)光譜測(cè)量系統(tǒng)結(jié)果準(zhǔn)確性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。以混濁介質(zhì)模擬

9、液為測(cè)量對(duì)象，分別選取平均粒徑為0.9μm、2.6μm聚苯乙烯微球懸浮液，將利用本文所述方法獲得的結(jié)果與 Mie理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，兩者結(jié)果基本一致，同時(shí)對(duì)iMC仿真逆計(jì)算模型進(jìn)行了結(jié)果的唯一性驗(yàn)證。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，間接驗(yàn)證了紅細(xì)胞懸液多參數(shù)光譜測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用于測(cè)量混濁介質(zhì)模擬液的光譜的可行性和結(jié)果的可靠性。
　　4、進(jìn)一步以制備紅細(xì)胞壓積為7.1％的紅細(xì)胞懸液為對(duì)象，利用本文所述方法測(cè)量并獲得了5份不同樣本的紅細(xì)胞懸液多參數(shù)光譜，對(duì)獲

10、得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，與已有文獻(xiàn)中采用積分球結(jié)合Monte Carlo仿真逆計(jì)算模型的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，兩者大小與趨勢(shì)基本一致，且在420nm、560nm和580nm附近存在特異性吸收峰，驗(yàn)證了本文所述方法應(yīng)用于紅細(xì)胞懸液多參數(shù)光譜測(cè)量的可行性和結(jié)果的可靠性；
　　5、在獲得紅細(xì)胞壓積為7.1%的紅細(xì)胞懸液多參數(shù)光譜基礎(chǔ)上，測(cè)量了不同壓積紅細(xì)胞懸液的光學(xué)參數(shù)，并以固定紅細(xì)胞壓積為本底，通過(guò)加入不同濃度游離血紅蛋白溶液，探索并建立紅細(xì)胞懸液

11、中游離血紅蛋白濃度與多參數(shù)光譜間的定量關(guān)系。選取紅細(xì)胞懸液特異性吸收峰附近波長(zhǎng)點(diǎn)作為樣品入射光，對(duì)10份不同樣本分別制備出五種不同游離血紅蛋白濃度的紅細(xì)胞懸液，利用本文所述方法測(cè)量并獲得游離血紅蛋白濃度與紅細(xì)胞懸液多參數(shù)光譜間的初步定量關(guān)系，為后續(xù)深入研究游離血紅蛋白的非侵入性測(cè)定方法奠定了基礎(chǔ)。
　　最后，總結(jié)了本文提出的紅細(xì)胞懸液多參數(shù)光譜測(cè)量方法與現(xiàn)有紅細(xì)胞懸液光譜測(cè)量方法相比具有如下優(yōu)勢(shì)：（1）基于獨(dú)立光電傳感器、無(wú)需積分

12、球裝置測(cè)量，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、易于實(shí)現(xiàn)儀器化；（2）通過(guò)GPU加速以及微擾迭代算法，實(shí)現(xiàn)Monte Carlo仿真逆計(jì)算速度提高近300倍，這也是決定本文所述方法能否實(shí)現(xiàn)儀器化應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一；（3）通過(guò)iMC-GPU逆計(jì)算模型可求解出各向異性因子g、散射系數(shù)μs、吸收系數(shù)μa的光譜，為紅細(xì)胞懸液中游離血紅蛋白的非侵入測(cè)定奠定了理論和應(yīng)用基礎(chǔ)；（4）通過(guò)進(jìn)行大量研究實(shí)驗(yàn)，本文初步驗(yàn)證了紅細(xì)胞懸液多參數(shù)光譜測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用于紅細(xì)胞懸液多參

13、數(shù)光譜測(cè)量的可行性和可靠性。
　　存在問(wèn)題主要包括：（1）由于衰減系數(shù)μt作為iMC-GPU仿真逆計(jì)算模型的輸入?yún)?shù)，其測(cè)量準(zhǔn)確性對(duì)仿真結(jié)果影響較大；（2）當(dāng)被測(cè)對(duì)象吸收系數(shù)較小時(shí)（小于0.1），iMC-GP U逆計(jì)算模型無(wú)輸出結(jié)果，μa分辨率低。（3）由于單色儀輸出光強(qiáng)弱等原因，本文制備的紅細(xì)胞壓積相對(duì)較低，對(duì)于較高紅細(xì)胞壓積（接近實(shí)際人體紅細(xì)胞壓積）的紅細(xì)胞懸液未進(jìn)行研究。
　　下一步研究計(jì)劃：（1）優(yōu)化iMC-GPU仿

14、真逆計(jì)算模型，提高仿真逆計(jì)算精度。以被測(cè)樣品的漫反射率Rd、漫透射率Td、準(zhǔn)直透射率Tc三個(gè)特征光信號(hào)同時(shí)作為iMC-GPU仿真逆計(jì)算模型輸入?yún)?shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)吸收系數(shù)μa、散射系數(shù)μs和各向異性因子g光譜的快速求解；（2）進(jìn)一步提高微弱光信號(hào)測(cè)量信噪比和iMC-GPU仿真逆計(jì)算模型輸出結(jié)果分辨率，滿足更低濃度游離血紅蛋白含量測(cè)定要求；（3）深入開(kāi)展更高壓積紅細(xì)胞懸液中游離血紅蛋白濃度與多參數(shù)光譜間的明確定量關(guān)系，為血袋中血液質(zhì)量的非侵入快速