本文關(guān)鍵詞：人體血紅蛋白近紅外光譜無創(chuàng)分析方法研究

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【摘要】：人體血紅蛋白含量是臨床上診斷貧血癥等血液疾病的重要依據(jù)。常規(guī)生化檢測方法屬于有創(chuàng)檢測,存在痛感,且分析周期長,難以進(jìn)行實時監(jiān)測,上述問題在一定程度上妨礙了貧血類疾病的早期預(yù)防與及時治療。近紅外光譜(NIRS)分析技術(shù)在血紅蛋白臨床檢測應(yīng)用中因具有無創(chuàng)傷、無痛感、分析快速等優(yōu)勢,能夠有效克服常規(guī)有創(chuàng)檢測方法存在的弊端,有利于實現(xiàn)貧血類疾病的普查與防治,具有重要的研究價值與社會意義。本文通過分析當(dāng)前影響血紅蛋白無創(chuàng)檢測精度的關(guān)鍵問題,如組織背景干擾、有效信號微弱等,提出以血流容積相減原理為基礎(chǔ)的人體血紅蛋白NIRS無創(chuàng)分析方案。主要研究內(nèi)容及成果如下:(1)綜合考慮儀器時間分辨率、信噪比等性能要求與便攜式目標(biāo),通過理論分析比較,確定由LED照明系統(tǒng)、線性漸變?yōu)V光片(LVF)型分光系統(tǒng)及多元線陣式Si探測器組成的儀器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計方案。(2)設(shè)計高亮度、寬波段、低噪聲的LED照明系統(tǒng)。針對系統(tǒng)的會聚性、照度均勻性、光能利用率、緊湊性等特性要求,優(yōu)化設(shè)計透射、反射兩種形式的照明系統(tǒng)。其中,透射式系統(tǒng)在有效照明區(qū)域的均勻性高達(dá)90%,有利于保證每組人體光譜中各波長攜帶的組織背景、血流容積等信息的一致性。(3)LVF體積小、通帶多,可有效簡化分光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。針對血紅蛋白NIRS無創(chuàng)檢測要求,深入研究LVF設(shè)計方法,并確定高色散系數(shù)的短波近紅外LVF膜系設(shè)計方案。優(yōu)化后LVF的峰值透射率高于97%、分辨率約為1.0%CWL(中心波長)、抑制帶截止深度小于0.1%,可有效實現(xiàn)在12.8 mm工作區(qū)域內(nèi),對620~1080 nm寬波段復(fù)合光的分光作用。(4)開展血紅蛋白無創(chuàng)檢測臨床實驗與近紅外模型研究。課題組以優(yōu)化設(shè)計的LED照明系統(tǒng)、LVF分光系統(tǒng)為基礎(chǔ),完成了信噪比高于14000:1的便攜式NIRS儀器整機研制。應(yīng)用該儀器無創(chuàng)采集93位志愿者食指前段的血流容積脈搏波信號,并應(yīng)用光譜相減法獲得已扣除組織背景干擾的“純凈”容積差光譜。深入研究偏最小二乘(PLS)、誤差反向傳輸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(BPANN)、支持向量回歸(SVR)三種校正方法對血紅蛋白的定量分析能力,以及標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換(SNV)和歸一化兩種預(yù)處理算法對各類定標(biāo)模型的性能影響。經(jīng)過理論分析比較,確定具有非線性回歸特征、參數(shù)尋優(yōu)快速等優(yōu)勢的歸一化-SVR模型預(yù)測精度高且預(yù)測能力穩(wěn)定,可實現(xiàn)復(fù)雜組織背景下的血紅蛋白高精度無創(chuàng)檢測。該模型的預(yù)測相關(guān)系數(shù)達(dá)0.82,預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)偏差7.91 g/L,相對偏差僅為5.44%,可以滿足臨床檢測要求。上述研究成果表明,本文提出的人體血紅蛋白NIRS無創(chuàng)檢測方案可行、有效。以血流容積相減法為基礎(chǔ),結(jié)合SVR近紅外模型,自主研制的NIRS檢測儀器可實現(xiàn)高精度的血紅蛋白無創(chuàng)分析,將在貧血類疾病的無創(chuàng)診斷領(lǐng)域極具應(yīng)用前景。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：R446.1;O657.33

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本文編號：1296596