紅細胞懸液多參數光譜測量系統(tǒng)研究.pdf

1、戰(zhàn)時大量失血是導致作戰(zhàn)人員陣亡的最重要因素，通過輸血治療可有效挽救戰(zhàn)傷患者生命。近年來，成分輸血受到了越來越廣泛的應用，與輸注全血相比，成分輸血具有一血多用、針對性強、節(jié)約血源、副作用少、便于保存和運輸等優(yōu)點。臨床實踐表明，輸注紅細胞懸液是急性失血患者的有效救治手段。
　　野戰(zhàn)條件下紅細胞懸液的儲運受距離、時間、溫度，以及長時間震動等因素影響，極容易造成紅細胞溶血而導致紅細胞懸液中游離血紅蛋白濃度升高。全血或懸浮紅細胞在有溶血情況

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價血袋內血液質量，判斷其能否安全輸注的關鍵參數。
　　目前，檢測血袋內游離血紅蛋白含量的標準方法，是從血袋內少量采血，用化學試劑法進行分析，若操作方法或環(huán)境因素控制不當，這種化學試劑檢測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，通過血袋直接檢測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、。本文所述紅細胞懸液多參數光譜測量方法為前期基礎性研究部分。
　　光譜學分析方法是實現非侵入性血液成分分析的重要路徑。根據輻射傳輸理論，血液作為一種混濁介質，其光學特性可由其各向異性因子g、散射系數μs、吸收系數μa三個光學參數表達。
　　目前血液光譜學測量方法，大多采用積分球技術結合Monte Carlo逆計算模型實現，測量系統(tǒng)復雜，使用維護困難，難以實現儀器化。
　　本文提出的基于獨立光電傳感器、無需積分球裝置測量

4、紅細胞懸液多參數光譜新方法，通過測量自血液樣品外不同方向與位置出射的漫反射光強信號和漫透射光強信號，并根據特征光信號的定義，獲得血液樣品的特征信號測量值，包括:漫透射率、漫反射率以及準直透射率。將三個特征信號測量值作為Monte Carlo仿真逆計算模型輸入參數，從而獲得被測紅細胞懸液多參數（μa,μs, g）光譜。由于采用相對簡單的實驗測量系統(tǒng)結構，并發(fā)展了基于輻射傳輸理論的準確快速逆計算軟件，為紅細胞懸液多參數光譜測量方法的儀器化應

5、用奠定了堅實基礎。
　　本論文研究的內容主要包括：
　　1、提出了一種基于獨立光電傳感器、無需積分球裝置測量紅細胞懸液多參數光譜新方法。該方法主要包括光學子系統(tǒng)、微弱光信號放大處理硬件子系統(tǒng)、數字濾波軟件、Monte Carlo仿真逆計算模型，以及計算機自動控制掃描軟件等。其中，光學子系統(tǒng)由氙燈光源、光學斬波器、樣品系統(tǒng)、單色儀等組成。氙燈光源發(fā)出的穩(wěn)定復合光經光學斬波器、單色儀后變?yōu)檎{制頻率為1kHz單色光；調
　　

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

7、足nA級微弱電流檢測要求；通過多種抑制措施，降低光噪聲和電噪聲干擾，提高微弱信號測量信噪比；放大處理后的特征光信號經16位A/D采集板卡采樣轉換為數字量，通過數字解調和濾波方法，直接得到調制頻率點處諧波分量，進一步提高信號測量精度。Monte Carlo仿真逆計算模型是紅細胞懸液多參數光譜測量方法的核心。本文在基于單光子追蹤算法的Monte Carlo（iMC）仿真模型和GPU并行加速計算基礎上，利用微擾樣品與參考樣品間光學參數μa,μ

8、s, g的變化比例，快速給出微擾樣品特征信號計算值，實現以微擾迭代方式對μa,μs, g光學參數的快速求解，形成了輻射傳輸理論框架下iMC-GPU逆運算加速解決方案。
　　2、在建立上述紅細胞懸液多參數光譜測量系統(tǒng)基礎上，對涉及的多個光學元件、多路放大電路的工作參數進行了標定和歸一化測量，獲得的校正系數確保不同元件、不同通道間測量結果的準確性和一致性。
　　3、紅細胞懸液多參數光譜測量系統(tǒng)結果準確性的實驗驗證。以混濁介質模擬

9、液為測量對象，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果與 Mie理論計算結果進行比對，兩者結果基本一致，同時對iMC仿真逆計算模型進行了結果的唯一性驗證。通過實驗，間接驗證了紅細胞懸液多參數光譜測量系統(tǒng)應用于測量混濁介質模擬液的光譜的可行性和結果的可靠性。
　　4、進一步以制備紅細胞壓積為7.1％的紅細胞懸液為對象，利用本文所述方法測量并獲得了5份不同樣本的紅細胞懸液多參數光譜，對獲

10、得數據進行處理后，與已有文獻中采用積分球結合Monte Carlo仿真逆計算模型的結果進行比對，兩者大小與趨勢基本一致，且在420nm、560nm和580nm附近存在特異性吸收峰，驗證了本文所述方法應用于紅細胞懸液多參數光譜測量的可行性和結果的可靠性；
　　5、在獲得紅細胞壓積為7.1%的紅細胞懸液多參數光譜基礎上，測量了不同壓積紅細胞懸液的光學參數，并以固定紅細胞壓積為本底，通過加入不同濃度游離血紅蛋白溶液，探索并建立紅細胞懸液

11、中游離血紅蛋白濃度與多參數光譜間的定量關系。選取紅細胞懸液特異性吸收峰附近波長點作為樣品入射光，對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胞懸液，利用本文所述方法測量并獲得游離血紅蛋白濃度與紅細胞懸液多參數光譜間的初步定量關系，為后續(xù)深入研究游離血紅蛋白的非侵入性測定方法奠定了基礎。
　　最后，總結了本文提出的紅細胞懸液多參數光譜測量方法與現有紅細胞懸液光譜測量方法相比具有如下優(yōu)勢：（1）基于獨立光電傳感器、無需積分

12、球裝置測量，結構簡單、操作簡便、易于實現儀器化；（2）通過GPU加速以及微擾迭代算法，實現Monte Carlo仿真逆計算速度提高近300倍，這也是決定本文所述方法能否實現儀器化應用的關鍵因素之一；（3）通過iMC-GPU逆計算模型可求解出各向異性因子g、散射系數μs、吸收系數μa的光譜，為紅細胞懸液中游離血紅蛋白的非侵入測定奠定了理論和應用基礎；（4）通過進行大量研究實驗，本文初步驗證了紅細胞懸液多參數光譜測量系統(tǒng)應用于紅細胞懸液多參

13、數光譜測量的可行性和可靠性。
　　存在問題主要包括：（1）由于衰減系數μt作為iMC-GPU仿真逆計算模型的輸入參數，其測量準確性對仿真結果影響較大；（2）當被測對象吸收系數較小時（小于0.1），iMC-GP U逆計算模型無輸出結果，μa分辨率低。（3）由于單色儀輸出光強弱等原因，本文制備的紅細胞壓積相對較低，對于較高紅細胞壓積（接近實際人體紅細胞壓積）的紅細胞懸液未進行研究。
　　下一步研究計劃：（1）優(yōu)化iMC-GPU仿

14、真逆計算模型，提高仿真逆計算精度。以被測樣品的漫反射率Rd、漫透射率Td、準直透射率Tc三個特征光信號同時作為iMC-GPU仿真逆計算模型輸入參數，實現對吸收系數μa、散射系數μs和各向異性因子g光譜的快速求解；（2）進一步提高微弱光信號測量信噪比和iMC-GPU仿真逆計算模型輸出結果分辨率，滿足更低濃度游離血紅蛋白含量測定要求；（3）深入開展更高壓積紅細胞懸液中游離血紅蛋白濃度與多參數光譜間的明確定量關系，為血袋中血液質量的非侵入快速