動(dòng)態(tài)光譜在血液成分無(wú)創(chuàng)檢查

.血液檢測(cè)血液血液是流動(dòng)在人的血管和心臟中的一種紅色不透明的粘稠液體。血液主要成分為主要成分為血漿、血細(xì)胞。血液中含有各種營(yíng)養(yǎng)成分，如無(wú)機(jī)鹽、氧、代謝產(chǎn)物、激素、酶和抗體等，有營(yíng)養(yǎng)組織、調(diào)節(jié)器官活動(dòng)和防御有害物質(zhì)的作用。血液儲(chǔ)存著人體健康信息，人體各器官的生理和病理變化，往往會(huì)引起血液成分的改變，故患病后常常要通過(guò)驗(yàn)血來(lái)診斷疾病。血液成分血液是人類(lèi)生命一種特殊的寶貴資源，是人體重要的組成部分，人體所需的氧氣、水、養(yǎng)分通過(guò)血液輸送到全身每個(gè)細(xì)胞，細(xì)胞新陳代謝所產(chǎn)生的廢物又通過(guò)血液送出體外，血液還能夠防御和抵抗疾病，參與調(diào)節(jié)體溫和維持酸堿平衡等功能?？梢哉f(shuō)沒(méi)有血液就沒(méi)有人的生命?！酢酢酢酢酢酢?5?90ml/kg,全血比重為男：1.054?1.062，女：1.048?1.062。血漿的比重為：1.024?1.029。血液由血細(xì)胞和血漿兩部分組成，含有45%的有形成分和55%的液態(tài)血漿。其有形成分包括紅細(xì)胞、白細(xì)胞、血小板，在顯□□□□□□□□□□□□血漿含91?92%的水分和8?9%蛋白質(zhì)、無(wú)機(jī)鹽及其它有機(jī)和無(wú)機(jī)組分。血漿中的水是各種高分子蛋白質(zhì)和低分子晶體物質(zhì)的優(yōu)良溶劑，能大量吸收體內(nèi)產(chǎn)生的熱量，并將體內(nèi)深部的熱量帶到體表散發(fā)，以調(diào)節(jié)體溫?！酢酢酢酢酢酢酢?0?80g/l,□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□40?50g/l,球蛋白20?30g/l,纖維蛋白原2?4g/l。白蛋白與球蛋白□□□□1.5?2.5。血漿蛋白有多方面的作用，□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□,□□□□□□□□□□；□□□□□□□□Fe2+、甲狀腺激素，腎上腺皮質(zhì)激素等）可與血漿蛋白結(jié)合成大分子物質(zhì)，這可避免在流經(jīng)腎臟時(shí)被排出。血漿蛋白中，白蛋白分子量最小而含量最多，是產(chǎn)生血漿解體滲透□□□□□□；□□□□□□□□□Y-球蛋白，補(bǔ)體主要是P?球蛋白，它們參與機(jī)體的免疫功能；血漿中的纖維蛋白原等是促進(jìn)血液凝固所不可缺少的物質(zhì)；血漿蛋白是血漿中緩沖系統(tǒng)的重要組成部分之一，在保證機(jī)體營(yíng)養(yǎng)等方面，有非常重要的作用。無(wú)機(jī)鹽約占血漿總量的0.9%,絕大部分呈離子狀態(tài)。其中正離子主要是Na+,其次是K+、Ca2+、Mg2',負(fù)離子主要是Cr,其次是HC03\S042?等。它們?cè)谛纬裳獫{晶體滲透壓、維持酸堿平衡和神經(jīng)肌肉興奮性等方面起著重要作用。其它有機(jī)、無(wú)機(jī)物質(zhì)還包括葡萄糖、乳酸、脂類(lèi)、氨基酸、尿素、尿酸、肌酐、氨、氧和二氧化碳等等。它們都是參與機(jī)體代謝的重要物質(zhì)。1.3血液生化檢測(cè)指標(biāo)血液中蘊(yùn)藏著人體生命活動(dòng)的重要信息。人體血液中各種成分含量的變化可以真實(shí)地反映人體的健康狀況。在臨床上，準(zhǔn)確測(cè)定的人體血液中葡萄糖、肌酐等成分含量，可以為診斷、治療和預(yù)防疾病提供真實(shí)客觀(guān)的依據(jù)。下面列出幾種血液生化成分含量與人體健康狀況診斷的關(guān)系：葡萄糖GLU:正常值為3.89-6.lmmol/L。增高的臨床意義：糖尿病、甲方；□腦膜炎、肝硬化等：降低的臨床意義：胰腺癌、粘液性水腫、呆小癥等。總膽固醇TotalCholesterol：濃度正常值為3.6?6.20mmol/l,大約合185?200mg/dlo增高的臨床意義：腎病綜合征、糖尿病等，降低的臨床意義：嚴(yán)重貧血、甲亢、血友病等。□□□□□-膽固醇LDL-ch:正常值0.5?3.36mmol/l。增高的臨床意義：II型高脂蛋白血癥，腎病綜合征，糖尿病，甲減，阻塞性黃疸，黃色瘤病等?！酢酢酢酢酢酢酰骸酢酢酢酢酰鮬-脂蛋白血癥等。□□□□□-膽固醇HDL-ch:正常值0.8?1.5mmol/l。HDL-ch□□□□□種抗高脂血癥、抗冠心病和動(dòng)脈粥樣硬化的體液因素。增高的臨床意義：原發(fā)性膽汁性硬變，慢性肝炎，慢性乙醇中毒；降低：糖尿病，腎臟疾病，肝臟疾病，冠心病，動(dòng)脈粥樣硬化，IV型高脂血癥，急性感染等。降低的臨床意義：冠心病?！酢酢酢鮂FA:正常值0.3?0.9mmol/l。增高的臨床意義：□□□□□，甲亢，乙醇中毒，糖尿病急性心肌梗塞，肝性腦病，長(zhǎng)期禁食，糖原累積病，Reye綜合癥等。.甘油三酯TriglycerideTG:正常值0.4?增高的臨床意義：特發(fā)□□□□癥，動(dòng)脈粥樣硬化，糖尿病，腎病綜合征，肥胖癥，甲減，糖原累積病等。降低的臨床意義：甲亢，阿狄森病，重癥肝損害，吸收不良綜合征等?！酰骸酢酢?.7?3.2miru)l/l。磷脂水平與膽固醇有關(guān)，正常人膽固醇/磷脂比值平均為0.94。增高的臨床意義：腎病綜合征，糖尿病，慢性出血性貧血，原發(fā)性高血壓，動(dòng)脈粥樣硬化，甲減，肝硬變及阻塞性黃疸病人的血磷脂升高：降低的臨床意義：低色素性貧血，溶血性貧血，惡性貧血及甲亢總蛋白TotalproteinTP:正常值55?80g/l。增□的臨床意義：高滲性失水，多發(fā)性骨髓瘤，阿狄森病，某些急慢性感染所致高球蛋白血癥等。降低的臨床意義：慢性肝病，肝硬變，慢性感染，慢性消耗性疾病，長(zhǎng)期腹瀉，腎病綜合征，營(yíng)養(yǎng)不良等。白蛋白Albumin:正常值35?50g/l?！酢酢酢酢酢酢酢酢酢酢酢酢酢酢酢酢趿x：偶見(jiàn)于脫水所致的血液濃縮。降低的臨床意義：肝病，腎病，營(yíng)養(yǎng)不良等尿素氮BloodureanitrogenBUN:正常值2.8?7.14mmol/l。血中尿素口主要是表征腎臟對(duì)于蛋百質(zhì)代謝產(chǎn)物的排泄能力，由此推測(cè)腎臟功能。腎臟機(jī)能發(fā)生障礙時(shí)，尿素氮無(wú)法被順利排出，造成血中的尿素氮數(shù)值偏高。尿素氮的數(shù)據(jù)正常，也不代表腎一定正常但血中尿素氮易受到其它因素影響而變化，因?yàn)樯舷莱鲅⑿菘?、?yán)重感染、使用類(lèi)固醇藥物或攝取過(guò)多蛋白質(zhì)時(shí)，會(huì)引起血中尿素氮暫時(shí)上升。而且只有腎功能衰竭到30%以下時(shí)，尿素氮水平才會(huì)上升。增高的臨床意義：急慢性腎炎，重癥腎盂腎炎，各種原因所致的急慢性腎功能障礙，心衰，休克，燒傷，失水，大量?jī)?nèi)出血，腎上腺皮質(zhì)功能減退癥，前列腺肥大，慢性尿路梗阻等。肌fffCreatinineCR：正常值在血口中為40?135叫0口/1,在全血中為88.4?159.1畔ol/l。腎功能障礙，代謝廢物不能排出體外，以致大量含氮代謝產(chǎn)物及其他毒性物質(zhì)在體內(nèi)蓄積，水電解質(zhì)代謝及酸堿平衡紊亂，機(jī)體內(nèi)環(huán)境的相對(duì)穩(wěn)定被破壞，由此所引起的自身中毒和產(chǎn)生的綜合病征稱(chēng)為肌酐過(guò)高(Uremia)。常表現(xiàn)為氮質(zhì)血癥，血尿素氮和血肌酐顯著升高，內(nèi)生肌酐清除率下降，少尿期血鉀和血磷上升、血鈣下降，并伴有胃腸、神經(jīng)肌肉和心血管系統(tǒng)的癥狀，如惡心、嘔吐、腹渾、頭痛、無(wú)力、淡漠、失眠、抽搐、嗜睡以至昏迷等癥狀。尿酸UricAcidUA:正常值：123?430呷ol/l。健康成人體內(nèi)尿酸含量約為1.1克，其中約15%□在□□□□，□□□□□□□□□□□□，98%?100%在近端腎小管重吸收。尿酸是血漿中非蛋白氮重要成分之一，當(dāng)腎小球?yàn)V過(guò)功能受損時(shí)，尿酸即潴留于血中?？偰懠t素TotalbilirubinTB：正常值：3.5?23.5叫ol/h□□□□□□括游□□□□□Bu)、結(jié)合膽紅素(Be)及S□□□□BS),□□□□□□□□Be)又分為mBc和dBc。□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□對(duì)身體并沒(méi)有用處，但一定要從身體中排泄出去。當(dāng)肝細(xì)胞或膽道有傷害時(shí)，處理能力就會(huì)降低，而其傷害的影響度就會(huì)表現(xiàn)在血清中的膽紅素的濃度。因此可以由測(cè)定血清膽紅素的濃度，而了解肝細(xì)胞或膽道的受傷或阻塞程度?！酢酢酢鮏erumglutamicoxalacetictransaminaseSGOT；谷□酸?草酸乙酸□□□，□□□□□□□，□□□GOT,□□□□□□□□□□□□，□?？s寫(xiě)為SGOT。正常值：0?40叫l(wèi)ol/l?！酢酢酢鮏erumglutamicpyruvictransaminaseSGPT；谷氨酸-丙酮酸轉(zhuǎn)口□，□□□□□□□，□□□GPT，由于化驗(yàn)時(shí)用血清進(jìn)行檢查，通?？s寫(xiě)為SGPT。正常值：0?40呷01/1。增高的臨床意義：急慢性肝病，膽道感染，膽石癥，急性胰腺炎，急性心肌梗塞，心肌炎，心衰，肺梗塞，流腦等。兒童，寒冷，過(guò)度勞累，劇烈運(yùn)動(dòng)，溶血反應(yīng)亦可升高。□□□：□□□：□□□4?6mg/dl,血球中6,5?9,6mg/d口。飯后大量□□□□□□,□□□□□□□□□□□,經(jīng)過(guò)6?7小時(shí)后，□□□□□□□□說(shuō)明體內(nèi)氨基酸代謝處于動(dòng)態(tài)平衡，以血液氨基酸為其平衡樞紐，肝臟是血液氨基酸的重要調(diào)節(jié)器&因此，食物蛋白質(zhì)經(jīng)消化分解為氨基酸后被人體所吸收，抗體利用這些氨基酸再合成自身的蛋白質(zhì)。人體對(duì)蛋白質(zhì)的需要實(shí)際上是對(duì)氨基酸的需要。血色素hemoglobinHLB:血氧飽和度檢測(cè)的重要參數(shù)。其中，血液中葡萄糖、尿素氮、肌酐、膽固醇、甘油三酯、總膽紅素、尿酸、白蛋白、球蛋白及總蛋白等成分是臨床上常用、且臨床意義明確的成分。表1-1列出了血液中可測(cè)生化成分的正常范圍、檢測(cè)范圍以及檢測(cè)精度。

1.3血液檢測(cè)方法通過(guò)檢測(cè)存在于血液中的各種離子、糖類(lèi)、脂類(lèi)、蛋白質(zhì)以及各種酶、激素和機(jī)體的多種代謝產(chǎn)物的含量，叫做血液生化檢查。依據(jù)，并能幫助臨床確定病情、監(jiān)測(cè)治療效果，對(duì)于及時(shí)判斷病程發(fā)展，指導(dǎo)診斷和治療具有重要的臨床意義。血液檢測(cè)方法主要分為有創(chuàng)檢測(cè)和無(wú)創(chuàng)檢測(cè)兩種方法。有創(chuàng)檢測(cè)目前醫(yī)療機(jī)構(gòu)的檢驗(yàn)手段是采集患者的血液標(biāo)本并進(jìn)行生化分析，檢測(cè)。目前用于臨床的血液成份分析方法是生化方法，化檢測(cè)。這樣或多或少給病人造成了身體上的創(chuàng)傷。液檢測(cè)，如糖尿病患者需要保持空腹血糖低于時(shí)血糖低于180mg/dl(10.0mmol/l)的(2.77mmol/l)?！酢酢酢酢酢酢酢酢酢酢酢酢酢酢酢酢酢酢酢酢?懼感，容易造成一些必要的血液化驗(yàn)被遺漏，措施而發(fā)生危險(xiǎn)。有創(chuàng)檢測(cè)不僅給病人帶來(lái)痛苦和感染的風(fēng)險(xiǎn)，可以為醫(yī)生提供診斷與治療屬于有創(chuàng)即從人體采取血樣后進(jìn)行生

可以為醫(yī)生提供診斷與治療屬于有創(chuàng)即從人體采取血樣后進(jìn)行生

有些疾病還需要經(jīng)常進(jìn)行血140mg/dl(7.8mmol/l),餐后兩小正常水平，又不低于50mg/dl心理上產(chǎn)生恐對(duì)突發(fā)病癥不能及時(shí)采取有效救護(hù)也會(huì)因采集和檢測(cè)中的時(shí)間差會(huì)污染環(huán)境。此外，有創(chuàng)檢測(cè)耗時(shí)費(fèi)錢(qián)，不適合血液成分的在體連續(xù)監(jiān)測(cè)。臨床上迫切要求實(shí)現(xiàn)人體血液多成分無(wú)創(chuàng)傷的連續(xù)檢測(cè),近年來(lái)這方面的研究己經(jīng)成為國(guó)際上的熱點(diǎn)。目前臨床上廣泛應(yīng)用的血液成分檢測(cè)方法屬于有創(chuàng)檢測(cè)，取指尖或靜脈的血樣，應(yīng)用一次性的試劑通過(guò)生化分析儀進(jìn)行檢測(cè)。它的缺點(diǎn)是測(cè)量手續(xù)繁雜，有感染的危險(xiǎn)，并且消耗品的費(fèi)用較高。臨床上對(duì)這些成分的常規(guī)測(cè)定方法稱(chēng)為生□□□□□□7口，這種方法需要對(duì)從病人身上抽取的血液進(jìn)行預(yù)處理，且對(duì)于不同被測(cè)成分需使用特定試藥等消耗品。以糖尿病患者為例，每次需要從靜脈取血，血量約3--一5ml毫升，利用生化方法進(jìn)行測(cè)量，每測(cè)得一個(gè)血糖值，必須進(jìn)行一次采血并消耗一份試藥，同時(shí)這種測(cè)量方法將耗費(fèi)幾個(gè)小時(shí)，使得糖尿病患者自我實(shí)時(shí)檢測(cè)血糖很困難。此方法測(cè)量成本高，分析效率低。其他血液成分，比如血氧、血紅素、總蛋白、總脂及總膽固醇等成分的無(wú)創(chuàng)測(cè)量同樣對(duì)于預(yù)防高血脂癥、高血壓、貧血等具有重要意義。血液成分無(wú)創(chuàng)檢測(cè)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)血液成分實(shí)時(shí)、快速、安全、無(wú)痛的檢測(cè)，而且不需要價(jià)格不菲的消耗品，可大大降低測(cè)試費(fèi)用，是一種比較有應(yīng)用前景的檢測(cè)技術(shù)。無(wú)創(chuàng)檢測(cè)血液成分無(wú)創(chuàng)檢測(cè)技術(shù)主要包括微波法、近紅外光譜法、中遠(yuǎn)紅外光譜法、拉曼光譜法、光聲法、光散射系數(shù)法等。旋光法、光聲法、拉曼光譜法、光散射系數(shù)法等到目前為止仍停留在理論研究和離體實(shí)驗(yàn)研究階段，沒(méi)有成為主流的研究方法。通過(guò)對(duì)中、近紅外光譜無(wú)創(chuàng)檢測(cè)技術(shù)方面大量的基礎(chǔ)研究和少量的人體實(shí)驗(yàn)，研究者一致認(rèn)為在近紅外區(qū)域，體液和軟組織在這個(gè)譜段相對(duì)透明，穿透力強(qiáng)。近紅外光譜法是最有發(fā)展前途的無(wú)創(chuàng)檢測(cè)方法之一。光是一種理想的無(wú)創(chuàng)檢測(cè)的信息載體，光學(xué)檢測(cè)以其方便、無(wú)痛以及原理上高速、高精度、信息多維化等特點(diǎn)，成為最具有應(yīng)用前景的檢測(cè)手段。在近年的研究中，血液無(wú)創(chuàng)檢測(cè)的研究多集中在光學(xué)方法上。國(guó)內(nèi)發(fā)展較快且有效的光學(xué)檢測(cè)方法主要包括熒光法、近紅外光譜法和中紅外光譜法等等。動(dòng)態(tài)光譜法為近紅外光譜技術(shù)應(yīng)用提供了一個(gè)全新的思路，使患者有希望徹底拋棄成本高、易感染的有創(chuàng)檢測(cè)方法，具有廣闊的應(yīng)用前景。近紅外光譜血液成分無(wú)創(chuàng)檢測(cè)已經(jīng)成為當(dāng)前國(guó)際生物醫(yī)療領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。包括血糖、血氧、蛋白質(zhì)、脂肪、血紅蛋白等成分濃度的無(wú)創(chuàng)檢測(cè)研究。近紅外光譜技術(shù)也被用于其他血液成分信息的檢測(cè)，主要包括全血或血清中蛋白質(zhì)、類(lèi)脂、pH值、尿素等含量的測(cè)定，也有檢測(cè)血液各種成分相關(guān)的組織光學(xué)問(wèn)題及測(cè)量條件問(wèn)題。從2001年開(kāi)始，李剛、林凌11口dnlll551□□□□□□□□□□□□□□研究小組，進(jìn)行人體血液中含氧血紅蛋白、還原血紅蛋白、脂肪和葡萄糖等成分的光吸收特性的專(zhuān)項(xiàng)研究。該項(xiàng)目研究至今先后得到多項(xiàng)國(guó)家基金的立項(xiàng)資助。血液成分無(wú)創(chuàng)檢測(cè)是當(dāng)前世界性的研究難題，阻礙它發(fā)展的因素有很多，其中就包括測(cè)量個(gè)體的差異以及一些測(cè)量條件的變化。個(gè)體差異是指不同個(gè)體或同一個(gè)體被測(cè)部位生理結(jié)構(gòu)上的差異，及生理狀況的時(shí)變性，具體包括水合狀態(tài)、毛發(fā)、角質(zhì)層、表皮、真皮、皮下組織、肌肉、骨骼、顏色、體溫、營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)等；檢測(cè)條件包括探頭壓力、檢測(cè)位置、環(huán)境溫度、光源光譜的平坦程度等。個(gè)體差異的影響涉及到光譜檢測(cè)的方方面面。概括起來(lái)個(gè)體差異主要體現(xiàn)在不同個(gè)體之間、同一個(gè)體不同部位之間和同一部位不同時(shí)間對(duì)光譜測(cè)量的影響。由于這些因素對(duì)于吸光度的影響尚無(wú)法直接通過(guò)測(cè)量確定，能否設(shè)法消除上述這些個(gè)體差異對(duì)吸光度測(cè)量的影響是近紅外光譜法血液成分無(wú)創(chuàng)檢測(cè)能否實(shí)施的關(guān)鍵。為消除個(gè)體差異和部分測(cè)量條件對(duì)測(cè)量的影響，李剛教授利用動(dòng)脈血脈動(dòng)的生理特點(diǎn)，最早提出了動(dòng)態(tài)光譜檢測(cè)方法。在近紅外光譜無(wú)創(chuàng)檢測(cè)中，檢測(cè)中測(cè)量部位的不同，檢測(cè)部位皮膚的厚度，皮膚表面及皮下組織的狀況，測(cè)量位置的情況等都是影響測(cè)量的重要因素。本課題系統(tǒng)地研究了血液成分的動(dòng)態(tài)光譜無(wú)創(chuàng)檢測(cè)方法。該方法測(cè)量動(dòng)脈充盈與動(dòng)脈收縮時(shí)吸光度的變化量，以此來(lái)消除測(cè)量中由于皮膚組織和肌肉組織影響而產(chǎn)生的差異，得到純凈的動(dòng)脈血液吸光度光譜。3.動(dòng)態(tài)光譜2近紅外光譜法理論基礎(chǔ)□□□□□□□□7802500nm范圍內(nèi)，主要是含CDH、O口H、N口HDDH鍵基團(tuán)的有H鍵基團(tuán)的有機(jī)物近紅外光譜的特征是隨著成份含量的變化而變化。因此可以通過(guò)光譜特征的變化推知有機(jī)物成分含量的變化。近紅外光譜法的理論基礎(chǔ)是比爾．朗伯定律（Beer-Lambert）?！酢酢酢酢酢酢酢酢酢酢酢酢酢酢?□□□Beer-Lambert定律。其中：A。為樣品的吸光度；口與，分別為入射光強(qiáng)度和透射光強(qiáng)度；口以）為□□□□□□□,□□□□□□□；,□□□□□□□；c□□□□□□□□如果己知占（五）和，，根據(jù)實(shí)測(cè)的彳；，可求濃度c：□□□□□□□□□□□,□□□□□□Beer-Lambert□□,□□□□□中的組成成分與其光譜之間建立了簡(jiǎn)單的線(xiàn)性關(guān)系。也即利用光譜儀器檢測(cè)樣品時(shí)，在其組成成分的數(shù)量或濃度與其所吸收的光能量之間就建立了某種直接的、線(xiàn)性的關(guān)系。其數(shù)學(xué)表示為：口n（錙卜mq（2-3）其中：島以）為第i□□□□□□□□□□□□□□□□,q為相應(yīng)吸收物的濃度。對(duì)于給定的某成分，其吸光系數(shù)為常數(shù)。被測(cè)樣品中某成分濃度發(fā)生變化就會(huì)引起吸收光譜的變化。通過(guò)對(duì)樣品的吸收光譜和各參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，建立校正模型，從而能夠通過(guò)某未知樣品的光譜信息和校正模型來(lái)預(yù)測(cè)其組成和性質(zhì)。但是，公式（2．3）也必須以下列條件為前提：①入射輻射為單色輻射（單一波長(zhǎng)輻射）；□□□□□□□□□□□□,□□□□□□□□□□□□□：□□□□□□□□□□□□□□□,□□□□□□□□□□□□□；④吸收物是一種均勻分步的連續(xù)體系。M口Cope等口1□□□□□□,□□□□□□□□□,□□□□□□□□□□□TOC\o"1-5"\h\z適用，但公式（2口1）中的光路長(zhǎng)Z□□□□□□□□□□□□□□□□□□,光子從光源到檢測(cè)器經(jīng)過(guò)多次散射，于是光子實(shí)際走過(guò)的路徑長(zhǎng)度比檢測(cè)器到光源的物理距離大得多。并在此基礎(chǔ)上，提出了微分光路長(zhǎng)和平均光路長(zhǎng)的概念，給出了修正的朗伯．比爾方程：OD二一log（皿Io）=Bpod，+G口（2-4）其中B是一個(gè)光路長(zhǎng)因子，與吸收系數(shù)、散射系數(shù)以及散射相位有關(guān)；dp□□□□□□□□□□□；Bdp□□□□□中所走□□□□□□□,□□□平均光路長(zhǎng)<L>：G是一個(gè)由散射引起的光損失的因子，與吸收系數(shù)無(wú)關(guān)。定義微分光路長(zhǎng)為霎望，則由公式（2-4）得：□□□□□□□□□□,□□□□□□<I>代替基本朗伯□比爾方程中物理光路長(zhǎng)d,得到修正□□□□□□方程,□□□□□□：AOD=A／z。<L>2．3皮膚及皮下組織特性□□□□□□□□□,□□□□□□4口□6口，成人皮膚的面積為1口2口2口0m2。在全身各部位的皮膚厚度不同，一般厚度為0口5"--'4口Omm。最薄處為上眼瞼，最厚處為背部正中線(xiàn)、手掌和足底。按解剖學(xué)定義，人體皮膚可分為三層：角質(zhì)層、表皮層和真皮層。這三層緊密相連，厚度隨不同身體部位而不同。皮膚的最外層是角質(zhì)層，由脫水細(xì)胞組成的柔軟、無(wú)生命的保護(hù)層。角質(zhì)層的下面是無(wú)血管但有生命的表皮層。表皮層起源于外胚層，是皮膚表層的上皮細(xì)胞。由角脘細(xì)胞、樹(shù)枝狀細(xì)胞及邁克爾細(xì)胞組成。表皮中沒(méi)有血管，分為角質(zhì)層、透明層、顆粒層、棘狀層和基底層。基底細(xì)胞中存在細(xì)短成束的張力細(xì)絲，是形成角蛋白的前身。基底細(xì)胞具有活躍的分裂能力，是表皮各層細(xì)胞的發(fā)源地。表皮層中含有蛋白質(zhì)、類(lèi)脂化合物以及賦予皮膚各種特征顏色的色素細(xì)胞。由于色素強(qiáng)烈吸收可見(jiàn)光，所以角質(zhì)層和表皮層的反射光被認(rèn)為是不重要的。真皮層是由結(jié)締組織、毛囊、汗腺、神經(jīng)末梢、脂肪細(xì)胞和豐富的毛細(xì)血管系統(tǒng)組成。真皮又可分為淺在的乳頭層和深在的網(wǎng)狀層。乳頭層主要由乳頭體和網(wǎng)狀膠原纖維組成：而網(wǎng)狀層主要由膠原纖維構(gòu)成網(wǎng)狀纖維結(jié)構(gòu)。真皮層中的毛□□□□□□□□,□□□□□0口2口0口4mm,□□□□□□□□□□□□液，而這些微動(dòng)脈在真皮下部形成與皮膚表面平行的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。小動(dòng)脈提供血液給這些微動(dòng)脈，同時(shí)又從位于皮下組織深處的較大動(dòng)脈中接收血液。皮膚中的血液就TOC\o"1-5"\h\z是這樣從位于真皮中上部的微靜脈流回，并通過(guò)皮下組織中的較大靜脈匯總，最終再流回心臟。在手掌、耳垂及面部等部位都很容易找到由神經(jīng)纖維的動(dòng)靜脈吻合。這些起分流裝置作用的動(dòng)靜脈吻合使得通過(guò)皮膚的血液有規(guī)則地流動(dòng)。皮膚的下面是皮下組織層，皮膚通過(guò)皮下組織和深層組織相連，皮下組織由疏松的結(jié)締組織和脂肪組織構(gòu)成，使體表的淺筋膜與深筋膜或骨膜結(jié)合起來(lái)，皮下組織中含有皮下血管，神經(jīng)主干、神經(jīng)末梢、毛囊及皮脂腺等。肌肉層連接著皮下脂肪和骨骼。人體皮膚結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2．2。人體不同部位的皮膚結(jié)構(gòu)有很大差異。1981年Anderson等人對(duì)皮膚的光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，認(rèn)為皮膚的各層結(jié)構(gòu)中各有不同的光學(xué)性質(zhì)。當(dāng)光照射人體時(shí)，在組織內(nèi)部傳導(dǎo)的光不僅僅被其中的吸收物吸收，而且還被細(xì)胞和各種小器官?gòu)?qiáng)有力的散射。大多數(shù)人體組織為混濁介質(zhì)，屬于不均勻性的散射系統(tǒng)，吸收與散射同時(shí)存在，且散射遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于□□□□□,□□□□□□□□,--d'□□□□□□□□□,□□□□□□□為彈道光子；另一小部分光與直線(xiàn)傳播稍有偏折，被稱(chēng)為蛇形光子：而大部分光子由于散射的作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離直線(xiàn)方向，這部分光子行進(jìn)的路程遠(yuǎn)大于介質(zhì)層厚度，被稱(chēng)為漫射光于。在皮膚的三層結(jié)構(gòu)中，真皮層是吸收和反射光波的主要部分。光的穿透深度主要由真皮層中骨膠原產(chǎn)生的散射光決定，而血小板、氧合血紅蛋白和膽紅素則是真皮層中可見(jiàn)光的主要吸收者。5脈搏血氧計(jì)原理□□□□（Sa02）□□□□□□□□□□□□□□□□□□,□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□Brinkman和Zijlstra提出口1241。傳統(tǒng)的Sa02□□□□□□□□□□□□□,□□□□□氣分析□□□□□□□,□□□□□□（P02）,□□□□□Sa02。而近幾十年來(lái)口隨著光電子技術(shù)的日趨成熟，可采用檢測(cè)血液對(duì)光吸收量的變化，測(cè)量氧合血紅蛋白（m02）占全部血紅蛋白（Hb）的百分比，從而直接求得Sa02?！酢酢酢酢酢酢酢酢酢酢酢酢酢酢酢酢酢鮄b作可逆性結(jié)合，很少一部分□□□□□□Hb是以Hb02□□□□□□□（HbR）兩種成份混和存在的。當(dāng)傳輸光透射過(guò)某種溶液時(shí)，其光吸收特性遵從Lambert—beer定律，可描述為：其中：如、J分別為入射光強(qiáng)度和透射光強(qiáng)度，c、E、矽分別為物質(zhì)的濃度、吸光系數(shù)和吸光度，上為光路長(zhǎng)。在某一波長(zhǎng)光九1處，公式（2．7）對(duì)于血液可寫(xiě)為：其中；口J、a2為Hb02和Hb在波長(zhǎng)九1□□□□□□,C,、c分別為Hb02和總m的濃度。而Sa02□□□□□□Hb02濃度c，與總Hb濃度c之比，即1。C因此，從公式（2．8）可以推得：由公式（2-9）□□，□□□□□□□□k測(cè)量時(shí)，c及光程長(zhǎng)L。假如再采用另一路波長(zhǎng)光X2□□□□□，Sa02依賴(lài)于總Fib濃度其中：口、-，□□□□□□□□□□□□□□，b，、b2為九l和Hb對(duì)口波長(zhǎng)□□□□□□□□□（2口9）、公式（2口10）可以消去總Hb濃度C和總光程長(zhǎng)三得到當(dāng)波長(zhǎng)九1選為Hb和九1□□□□□□□□（805rim）□□□,□al=a2□a時(shí)，公式（2．11）變?yōu)槠渲忻础□□□□□□（2口12）□□：□□□□□□□□□□□□□,Sa02可以從血液溶液在兩個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)的吸光度比率求得。這樣Sa02不依賴(lài)于總舶濃度C和光程長(zhǎng)□這就是Sa02□□□□□□□□由于人體動(dòng)脈的搏動(dòng)能夠造成測(cè)試部位血液容量的波動(dòng)，從而引起光吸收量的變化，而非血液組織（皮膚、肌肉、骨肪等）的光吸收量是恒定不變的。脈搏式Sa02□□□□□□□□□□□□,□□□□□□□□□□□□□□□□□□,□□□□□□□□□□,□□Sa02。該方法不必壓迫組織，造成組織無(wú)血狀態(tài)，使得測(cè)量簡(jiǎn)單易行。測(cè)試部位的吸光度構(gòu)成狀況可用圖2．5表示。假設(shè)光在測(cè)試部位的傳輸遵循Lambert．beer定律，由散射、反射等因素造成的光衰減忽略不計(jì)，則透射光強(qiáng)為：，其中：E、C、L□□□□□□□□□□□□□□□□□□□；E‘、C‘、L‘分□□□□□□□□□□□□□□□□□；IoF□□□□□□□□□□□非血液組織和靜脈血液的吸光量為常量，光在穿過(guò)非血液組織及靜脈血液后，未穿過(guò)動(dòng)脈血液前的強(qiáng)度為：r=JoFl0一Ft乜。則動(dòng)脈血液的吸光度為：□□1g專(zhuān)一砒(2-13)ODl'圖2．5檢測(cè)部位血液及組織光吸收情況示意圖先，□□□□□□L增加口L,透過(guò)光量I□□□□△I,這樣根據(jù)公式(2D13),□□□□□□W的變化部分AW□□□□□：AW=111(竽)一1n啪二一ED當(dāng)采用九1、地兩路波長(zhǎng)光同時(shí)測(cè)定時(shí)j則有：Q二盟：生(2D14)△□1E1□：△wxl、△口分別為血液對(duì)口1□□□□□□□□□□□□；E1、E2分別為血液對(duì)九1及地波長(zhǎng)光的吸光系數(shù)。若將動(dòng)脈血中非搏動(dòng)部分吸收光強(qiáng)與靜脈血及組織吸收光強(qiáng)合并為不隨搏□□□□□□□□□□□(DC)；□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□(AC)□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□。將公式(2D15)結(jié)果代入公式(2D12)即可求出Sa02。2D6動(dòng)態(tài)光譜法在近紅外光譜檢測(cè)法所面臨的諸多問(wèn)題中,個(gè)體差異和測(cè)量條件對(duì)光譜測(cè)量的影響【1埔】,是近紅外光譜無(wú)創(chuàng)檢測(cè)血液成分的一個(gè)技術(shù)難題。因?yàn)閭€(gè)體差異給光譜檢測(cè)結(jié)果帶來(lái)了極大的影響。因此,需要抑制和克服個(gè)體差異對(duì)檢測(cè)光譜的影響。本節(jié)在動(dòng)脈血氧計(jì)原理基礎(chǔ)上展開(kāi)研究,從兩種成分拓展到多種成分,從點(diǎn)到面,進(jìn)一步提出了動(dòng)態(tài)光譜法。該方法可以有效消除個(gè)體差異和測(cè)量條件對(duì)血液成分測(cè)量的影響。2D6D1脈搏波吸光度構(gòu)成動(dòng)脈脈動(dòng)特征的存在使得血管中的血流量呈周期性的變化。在正常生理情況下,毛細(xì)血管和靜脈不搏動(dòng),只有小動(dòng)脈搏動(dòng)。同時(shí),由于血液為高散射、強(qiáng)吸收的液體,近紅外光在血液中的吸收率比在一般組織中的吸收率要大幾十倍,所以用近紅外光透射法得到的吸光度變化主要反映動(dòng)脈血液容積變化。所以,利用近紅外光作為光源,利用光接收器檢測(cè)透射的光強(qiáng),就可以獲得反映動(dòng)脈血吸光度變化情況的光電脈搏波,見(jiàn)圖2D5。光電脈搏波是由指端組織的吸收及散射貢獻(xiàn),其主要成分包括三部分：1．基本穩(wěn)定的直流分量。它由動(dòng)脈血非動(dòng)脈部分、靜脈血、指端組織吸收及散射貢獻(xiàn)。2．周期變化的交流分量。它與心率同步，與動(dòng)脈血容積相關(guān)，主要反映了脈動(dòng)的動(dòng)脈血的吸收。交流分量幅值一般為直流分量的0．5"--'2％，且疊加在直流分量上。3．背景光貢獻(xiàn)分量。這是遮光不嚴(yán)密或者光電轉(zhuǎn)換器件本身性能(如暗電流)對(duì)光電脈搏波的貢獻(xiàn)，沒(méi)有任何的生理意義?？梢栽诎l(fā)光管沒(méi)有發(fā)光時(shí)由光轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的電壓測(cè)得。2．6．2動(dòng)態(tài)光譜定義所謂“動(dòng)態(tài)光譜"是指各個(gè)單波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的單個(gè)光電脈搏波周期上吸光度的最□□□□□□□□AOD構(gòu)成的光譜。AOD反映了不同波長(zhǎng)下由動(dòng)脈血容積變化引起的吸光度的變化。在動(dòng)脈血管充盈度最低時(shí)，來(lái)自光源的入射光沒(méi)有受到脈動(dòng)動(dòng)脈血流的作,□□□□□□□k最強(qiáng)，可視為脈動(dòng)動(dòng)脈血液的入射光lo；而動(dòng)脈血管充盈度最高狀態(tài)的光電脈搏波谷點(diǎn)，即脈動(dòng)動(dòng)脈血液作用最大的時(shí)刻，此時(shí)的出射□,□□□,□□□□□□□□□□□□□□I。根據(jù)修正的Beer-Lambert定律【126］得：公式(2—16)就□□□□□□□□□□□□□□□A為脈動(dòng)動(dòng)脈血液吸光度，d為最大充盈狀態(tài)下脈動(dòng)動(dòng)脈血液的平均光路差?！酢酢酢酢酢酢酢酢酢酢酢酢踔磷畲笈c動(dòng)脈收縮至最小時(shí)的吸光度值，就可以消除皮膚組織、皮下組織等一切具有恒定吸收特點(diǎn)的人體成分對(duì)于吸光度的影響。2．6．3動(dòng)態(tài)光譜法理論推導(dǎo)Beer-Lambert□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□個(gè)很強(qiáng)的光散射體，光在組織中經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次散射才能從光源到達(dá)檢測(cè)器，實(shí)際光路常遠(yuǎn)大于光源到接收器的距離口1271。1988年DelayD口T□□□□□□□Beer-Lambert定律，給出了微分光路長(zhǎng)和平均光路長(zhǎng)的概念?？紤]生物組織的散□□，□□□□□□□□□□Beer-Lambert□□□□□□□，□□□□□□Beer-Lambert方程?！酢鮈分別為入射光強(qiáng)和出射光強(qiáng)，口為分子消光系數(shù)，c□□□□□濃度，，□□□□□□□□□□□，G是由散射引起的光能損失，則吸光度OD可表示為：，□□□□□□□□□□□zo,則兒=□□□□□□(2—17)可得：OD=-2．303p。，+G(2—18)，l在近紅外光透射檢測(cè)中，吸光度由血液和其它被透射組織吸收與散射構(gòu)成，□□□□□□□□□□，□□□□□□□□□□□□□□n層，第f層組織的□□□□□,□□□□□□□,□□□□□□□□□□□t□,□□□□□□波周期上動(dòng)脈充盈時(shí)的最大光程長(zhǎng)為7眥，□□□□□□□□□□□□Z曲，則動(dòng)脈□□□□□□OD。和動(dòng)脈收縮時(shí)的吸光度OD2n-n-1□□□□□：設(shè)L為k與k之差，由于不考慮血液的散射影響，L不會(huì)因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)變化而發(fā)生變化。則動(dòng)脈充盈時(shí)的吸光度和動(dòng)脈收縮時(shí)的吸光度之差為：AOD=ODl一OD2=-2口3039口（k。一l,m）=-2口3031t口6L（2—21）在上面的推導(dǎo)過(guò)程中，非脈動(dòng)血液和各層組織的吸收和散射的吸光度分量都□□□□,□□□□□□□□□□□□□□□□□□AOD□□□□□□□□吸收部分貢獻(xiàn)，主要反映脈動(dòng)的動(dòng)脈血的吸收變化。在本質(zhì)上相當(dāng)于在被透射組織中，皮膚、骨骼、肌肉等除脈動(dòng)動(dòng)脈血液外的其它組織都被去除了，只留下脈動(dòng)動(dòng)脈血部分用來(lái)進(jìn)行吸光度差值A(chǔ)OD的測(cè)量。這樣一來(lái)，皮膚、骨骼、肌肉等個(gè)體差異的影響都被去除了。根據(jù)動(dòng)態(tài)光譜定義，各個(gè)單波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的單個(gè)光電□□□□□□□□□□□□□□□□□□□AOD構(gòu)成的光譜就是動(dòng)態(tài)光譜。顯然，在動(dòng)態(tài)光譜中，個(gè)體差異的影響已經(jīng)被去除?！酢酢酢酢酢酢酢酢酢酢酢酢酢鮩個(gè)波長(zhǎng)，血液中含有n□□□□□□□,□□□□□□□□c,,在第i□□□□□□□□□□,□□□□□□□□消光系數(shù)為s口則在第i□□□□□□□□□□,□□□□□□□□□□□□□□：AOD口口二-2口303（□□t曲）“L=-2口303口c：L（2-22）□□□□□□,m個(gè)以種血液成分的吸光度的差值與相應(yīng)的波長(zhǎng)構(gòu)成的譜□□□□□□□□□□□□□□□k,吸光度最大點(diǎn)和透射能量最小點(diǎn)為j痂。,□□□□□□□□□□□□□,□□□□□□（2-22）可知，第f□□□□□測(cè)得的第．,種血液成分對(duì)應(yīng)的吸光度差值也可以表示為：,,比較公式（2．22）和公式（2．23）可得：對(duì)測(cè)得的光電脈搏波取對(duì)數(shù),找到所有脈搏波的峰峰值,即得到公式（2．24）中的logk-logk,也就是△口。血液中各成分分子消光系數(shù)白和動(dòng)態(tài)光譜□□□△□□□□,_,□□□□□□□□c,和平均光路長(zhǎng)三為未知量。可建□□□□□cJ和三口刀+1個(gè)□□□□□□□□□□,□□□□□□□□□□的濃度cl,。2,口口口,c口。人體內(nèi)各種化學(xué)成分的變化真實(shí)地反映了人體新陳代謝的情況,及時(shí)檢測(cè)這些化學(xué)成分含量尤為重要。血液成分近紅外光譜法無(wú)創(chuàng)檢測(cè)是醫(yī)學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域國(guó)際上尚未攻克的前沿課題之一,但由于受多種因素的影響,如信噪比低、個(gè)體差異、波長(zhǎng)偏差等,近紅外光譜檢測(cè)精度受到很多限制。研究表明,個(gè)體差異是影響血液成份無(wú)創(chuàng)檢測(cè)結(jié)果的非常重要的因素,能否成功去除是近紅外光譜無(wú)創(chuàng)檢測(cè)血液成分能否成功實(shí)施的關(guān)鍵。由于個(gè)體差異及溫度、壓力等測(cè)量條件對(duì)光譜測(cè)量的影響尚在探索中,目前除了脈搏血氧計(jì)外,尚未有近紅外血液成分無(wú)創(chuàng)檢測(cè)儀器進(jìn)入臨床實(shí)用的報(bào)道。血液成分無(wú)創(chuàng)檢測(cè)對(duì)改進(jìn)現(xiàn)代檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)和提高人民生活質(zhì)量有著重要意義。近紅外透射光譜法作為最有可能實(shí)現(xiàn)血液成分無(wú)創(chuàng)檢測(cè)的技術(shù)手段之一，已得到國(guó)內(nèi)外研究者的高度重視。動(dòng)態(tài)光譜法血液成分無(wú)創(chuàng)檢測(cè)若干關(guān)鍵技術(shù)研究人體血液中各成分的含量是反映人體健康的關(guān)鍵性指標(biāo)。血液成分檢測(cè)是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)中必不可少的重要環(huán)節(jié)。目前,臨床上廣泛采用的血液成分檢測(cè)方式為抽取人體血液樣本，通過(guò)生化分析設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)。近三十年來(lái)，隨著工業(yè)制造、光學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，大量科研人員將精力投入了血液成分無(wú)創(chuàng)檢測(cè)技術(shù)的研發(fā)當(dāng)中。血液成分無(wú)創(chuàng)檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)，不僅將減低有創(chuàng)采血的痛苦，提升人民的生學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，大量科研人員將精力投入了血液成分無(wú)創(chuàng)檢測(cè)技術(shù)的研發(fā)當(dāng)中。血液成分無(wú)創(chuàng)檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)，不僅將減低有創(chuàng)采血的痛苦，提升人民的生活質(zhì)量，也會(huì)大幅度的降低臨床生化檢驗(yàn)成本，減少生化試劑對(duì)環(huán)境的污染。1.1無(wú)創(chuàng)血液成分檢測(cè)的背景和意義無(wú)創(chuàng)血液成分檢測(cè)的背景和意義無(wú)創(chuàng)血液成分檢測(cè)的背景和意義無(wú)創(chuàng)血液成分檢測(cè)的背景和意義1.1無(wú)創(chuàng)血液成分檢測(cè)的背景和意義無(wú)創(chuàng)血液成分檢測(cè)的背景和意義無(wú)創(chuàng)血液成分檢測(cè)的背景和意義無(wú)創(chuàng)血液成分檢測(cè)的背景和意義無(wú)創(chuàng)血液成分檢測(cè)的背景和意義人體血液中至少含有4000種不同成分，一個(gè)健康成年人的全身血量大約是其體重的的背景和意義人體血液中至少含有4000種不同成分，一個(gè)健康成年人的全身血量大約是其體重的7%~8%。目前在大型醫(yī)院的血液化驗(yàn)可以檢測(cè)超過(guò)2000種血液指標(biāo)，常規(guī)的化驗(yàn)項(xiàng)目也有約幾十種[1]規(guī)的化驗(yàn)項(xiàng)目也有約幾十種[1]。血液成分的含量，可以反映被檢測(cè)者在一定時(shí)期內(nèi)的身體狀況。醫(yī)務(wù)人員通過(guò)血液成分含量的變化可以在被測(cè)者無(wú)任何明顯患期內(nèi)的身體狀況。醫(yī)務(wù)人員通過(guò)血液成分含量的變化可以在被測(cè)者無(wú)任何明顯患病體征或僅輕微感受不適時(shí)，預(yù)先發(fā)現(xiàn)一些隱藏疾病[2]，病體征或僅輕微感受不適時(shí)，預(yù)先發(fā)現(xiàn)一些隱藏疾病[2]，因此血液成分檢測(cè)一Hemoglobin，Hb)是一種在人體中負(fù)責(zé)運(yùn)載氧和二氧化碳的蛋白質(zhì)，維持血液酸堿平衡。當(dāng)其病理Hemoglobin，Hb)是一種在人體中負(fù)責(zé)運(yùn)載氧和二氧化碳的蛋白質(zhì)，維持血液酸堿平衡。當(dāng)其病理直以來(lái)是病情診斷和常規(guī)體檢必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。每種血液成分都有其特定的生理意義和臨床意義。血紅蛋白（2008年全球約有20億各類(lèi)貧血癥患者，約占全球人數(shù)的三分之一2008年全球約有20億各類(lèi)貧血癥患者，約占全球人數(shù)的三分之一[3,4]。當(dāng)血紅蛋性偏低時(shí)往往是因造血功能衰竭、造血物質(zhì)缺乏和失血所致，據(jù)統(tǒng)計(jì)截止心肺疾病等疾病。血糖（的主要能量來(lái)源。甚至引發(fā)腦血管意外和心肌梗塞；當(dāng)血糖含量長(zhǎng)期高于正常值時(shí)，會(huì)引起患者微心肺疾病等疾病。血糖（的主要能量來(lái)源。甚至引發(fā)腦血管意外和心肌梗塞；當(dāng)血糖含量長(zhǎng)期高于正常值時(shí)，會(huì)引起患者微白病理性偏高時(shí)，常見(jiàn)于大面積燒傷、嚴(yán)重腹瀉、甲狀腺功能亢進(jìn)、血管畸形和Glucose,Glu□□□□□□□□□□,□□□□□□□血液中血糖的含量需要保持在一定范圍才能維持體內(nèi)組織和器官的正常工作。長(zhǎng)期的低血糖會(huì)引起人體記憶力減退、反應(yīng)遲鈍、癡呆、昏迷，血管和大血管病變，會(huì)使患者眼、心臟、腎、血管、神經(jīng)等組織發(fā)生慢性損害和功能障礙。糖尿病就是一種以高血糖為特征的嚴(yán)重代謝性疾病。國(guó)際糖尿病聯(lián)盟(InternationalDiabetesFederation,簡(jiǎn)稱(chēng)IDF）的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)稱(chēng)在2010年全球約有功能障礙。糖尿病就是一種以高血糖為特征的嚴(yán)重代謝性疾病。國(guó)際糖尿病聯(lián)盟(InternationalDiabetesFederation,簡(jiǎn)稱(chēng)IDF）的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)稱(chēng)在2010年全球約有2.85億糖尿病患者,2030年全球預(yù)計(jì)將有3.66億人患糖尿病[5]。膽固醇是合成腎上腺皮質(zhì)激素、是合成腎上腺皮質(zhì)激素、（Cholesterol,Chol）是脂肪在血液中存在的一種方式,膽汁酸、性激素及維生素D等生理活性物質(zhì)的重要原料,其含量可作為脂類(lèi)代謝的指標(biāo)。當(dāng)發(fā)生病理性膽固醇偏低時(shí),往往是由于肝功能損傷,使得肝臟對(duì)膽固醇的合成能力減弱，也可能是由肺結(jié)核、敗血癥和甲狀腺功能亢進(jìn)等其他疾病引起；膽固醇長(zhǎng)期偏高往往是診斷脂肪肝、高血脂癥、動(dòng)脈粥樣硬化、高血壓和糖已成為僅次于病毒性肝炎的第二有規(guī)律或經(jīng)常性地檢測(cè)血紅蛋白、已成為僅次于病毒性肝炎的第二有規(guī)律或經(jīng)常性地檢測(cè)血紅蛋白、對(duì)于及時(shí)判大肝病，也是公認(rèn)的隱蔽性肝硬化的罪魁禍?zhǔn)?。血糖、膽固醇等指?biāo)的水平是最有效的預(yù)防和治療這些疾病的方法，斷病程發(fā)展，指導(dǎo)診斷和治療具有重要的臨床意義。如對(duì)手術(shù)中的病人進(jìn)行血紅蛋白的檢測(cè)，以觀(guān)察其失血狀況；糖尿病患者一日應(yīng)多次檢測(cè)其血糖含量變化，以指導(dǎo)飲食或胰島素的介入治療；對(duì)有脂肪肝隱患的人群進(jìn)行定期的總膽固醇、甘油三酯的檢測(cè)，以實(shí)現(xiàn)早期診斷。目前臨床的檢驗(yàn)手段是采集患者的血液標(biāo)本并進(jìn)行生化分析，屬于有創(chuàng)檢測(cè)。有創(chuàng)檢測(cè)不僅給患者帶來(lái)痛苦，不適于頻繁定期的檢測(cè)，更無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的血液成分變化監(jiān)測(cè)；又由于采集器械與人體內(nèi)血液直接接觸，過(guò)程中有著很大的感染風(fēng)險(xiǎn)，而且檢測(cè)所用的檢測(cè)試劑和血液都會(huì)成為醫(yī)用垃圾對(duì)環(huán)境帶來(lái)污染。此外，生化檢驗(yàn)的設(shè)備和耗材價(jià)格昂貴，是醫(yī)療費(fèi)用的重要組成部分，亞太地區(qū)每年花費(fèi)在與血紅蛋白檢測(cè)相關(guān)的設(shè)備和耗材方面的費(fèi)用約為5億美元?，F(xiàn)有臨床使用的生化檢測(cè)方法并不適用于一些要求快速、頻繁檢測(cè)血液成分的情況，如輸血過(guò)程中的血紅蛋白濃度檢測(cè)、孕婦的糖篩測(cè)試。在血液樣本從采集到送往實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)這一過(guò)程中不僅需要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間，而且過(guò)程中一些血液成分含量可能會(huì)發(fā)生變化，嚴(yán)重影響了醫(yī)生對(duì)病情及時(shí)、正確的診斷，甚至可能錯(cuò)過(guò)最佳治療時(shí)間。結(jié)合世界醫(yī)療服務(wù)的發(fā)展形勢(shì)，有效、快速、低成本和綠色的血液成分檢測(cè)方式已經(jīng)成為國(guó)家、醫(yī)院和患者共同的迫切需求。無(wú)創(chuàng)血液成分檢測(cè)具有安全、快速、低成本和無(wú)污染等特點(diǎn)，早已引起科研工作者和社會(huì)大眾的極大關(guān)注。尤其是在目前醫(yī)療體制改革的大環(huán)境下，無(wú)創(chuàng)檢測(cè)無(wú)疑具有重要的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。然而到目前為止，僅有血氧、血紅蛋白兩項(xiàng)指標(biāo)在臨床上實(shí)現(xiàn)了無(wú)創(chuàng)檢測(cè)[6,7]，□□□□□□□□□□FDA認(rèn)證的可用于臨床無(wú)口檢測(cè)方法和設(shè)備，血液成分無(wú)創(chuàng)檢測(cè)作為國(guó)際前沿?zé)狳c(diǎn)課題之一，已經(jīng)成為世界上各大研究機(jī)構(gòu)激烈競(jìng)爭(zhēng)領(lǐng)域。1.2無(wú)創(chuàng)血液成分檢測(cè)技術(shù)無(wú)創(chuàng)血液成分檢測(cè)技術(shù)無(wú)創(chuàng)血液成分檢測(cè)技術(shù)無(wú)創(chuàng)血液成分檢測(cè)技術(shù)無(wú)創(chuàng)血液成分檢測(cè)技術(shù)可以根據(jù)信息載體的不同分為光學(xué)檢測(cè)法和非光學(xué)檢測(cè)法[8,9]，如圖1-1所示。光是一種用于無(wú)創(chuàng)檢測(cè)的理想信息載體，一定波段的光通過(guò)人體組織后，不僅可以反映出介質(zhì)的光學(xué)信息，還能反映成分的濃度信息和組織結(jié)構(gòu)信息，使得實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)、快速、便捷的血液成分檢測(cè)成為了可能。近TOC\o"1-5"\h\z三十年的研究中，科研人員已經(jīng)將近紅外光譜法[10-24]、中紅外光譜法[17,25]、拉曼光譜法[26-28]、熒光法[29,30]、光聲法[31-33]、散射系數(shù)法[34]、偏振光旋光法[35-37]等光學(xué)檢測(cè)法運(yùn)用到無(wú)創(chuàng)檢測(cè)血液中血紅蛋白、血糖、膽固醇、總蛋白和酒精等血液成分檢測(cè)領(lǐng)域中，研究結(jié)果不斷更新，逐漸接近臨床需求。非光學(xué)檢測(cè)法，主要包括電阻抗譜檢測(cè)法和新陳代謝熱量重構(gòu)的方法。電□□□□Impedancespectroscopy□□□□□□□□□□□□□□□□□□□的電特性信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)血糖和膽固醇等一些血液成分含量的無(wú)創(chuàng)檢測(cè)[38-42]；□□□□□□□□□□methodofmetabolicheatconformation,MHC)是基于人體在消耗葡糖糖時(shí)會(huì)發(fā)射熱量這一基本原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體血糖含量的無(wú)創(chuàng)檢測(cè)[43,44]。本課題組以李剛教授為核心，在2004年正式提出動(dòng)態(tài)光譜(DynamicSpectrum，DS)方法用于實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)血液成分檢測(cè)并做了大量基礎(chǔ)理論研究[110-112]。李曉霞、王焱和劉玉良博士作為第一批研究人員，通過(guò)理論、蒙特卡洛仿真和脂肪乳仿真實(shí)驗(yàn)分析了組織光學(xué)性質(zhì)、等效光程長(zhǎng)、手指壓力等因素對(duì)動(dòng)態(tài)光譜分析法精度的影響，提出一種全新的動(dòng)態(tài)光譜頻域提取法，并初步分析了頻域提取法精度?！酢酢酢酢酢酢酢酢酢?AOTF)□□□□□□□□□□□□□□□，給平臺(tái)性能做出了評(píng)估，并小波變換等方法對(duì)光電脈搏波信號(hào)和動(dòng)態(tài)光譜進(jìn)行處理，剔除奇異值，以提高動(dòng)態(tài)光譜數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。但基于時(shí)域分光的動(dòng)態(tài)光譜測(cè)試系統(tǒng)存在著信噪比低、相移誤差難以克服的問(wèn)題，難以進(jìn)行進(jìn)一步臨床實(shí)驗(yàn)[48,2008年起張志勇博士、本文作者和周梅作為第二批研究人員，對(duì)動(dòng)態(tài)光譜理論進(jìn)行了深入細(xì)致的研究，對(duì)信號(hào)采集和提取的重要環(huán)節(jié)信噪比進(jìn)行了分析和優(yōu)□，□□□□InGaAs□□□□□□□□□□□，□□□□□□□□□□□□□方法和優(yōu)化的頻域提取法以及數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)方法。設(shè)備信噪比和穩(wěn)定性的提高，使得動(dòng)態(tài)光譜技術(shù)可以進(jìn)一步接近臨床應(yīng)用。利用本課題組自主研發(fā)的便攜式動(dòng)態(tài)光譜無(wú)創(chuàng)血液成分采集系統(tǒng)，已在多家醫(yī)院的門(mén)診、病房進(jìn)行了臨床實(shí)驗(yàn)，獲得了大量臨床數(shù)據(jù)，運(yùn)用偏最小二乘法、主成分回歸、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機(jī)等多元回歸方法建立了動(dòng)態(tài)光譜和多種血液成分之間的校正模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明動(dòng)態(tài)光譜對(duì)實(shí)現(xiàn)血紅蛋白、膽固醇、血糖、多種蛋白、紅細(xì)胞和血液中酒精多種成分無(wú)創(chuàng)檢測(cè)的可行性。部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果已接近或達(dá)到臨床標(biāo)準(zhǔn)[49,129-142]。此外，李尚穎博士、孫兆敏碩士、楊英超碩士和李永成碩士將動(dòng)態(tài)光譜技術(shù)運(yùn)用到血氧飽和度測(cè)量當(dāng)中，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)血氧飽和度測(cè)量原理中的不足，提高了血氧飽和度測(cè)量的準(zhǔn)確度，并為未來(lái)無(wú)創(chuàng)血液成分檢測(cè)設(shè)備的低成本、便攜化提供了技術(shù)儲(chǔ)備[143-145]。1.4近紅外透射光譜法血液成分無(wú)創(chuàng)檢測(cè)問(wèn)題及難點(diǎn)近紅外透射光譜法血液成分無(wú)創(chuàng)檢測(cè)問(wèn)題及難點(diǎn)近紅外透射光譜法血液成分無(wú)創(chuàng)檢測(cè)問(wèn)題及難點(diǎn)近紅外透射光譜法血液成分無(wú)創(chuàng)檢測(cè)問(wèn)題及難點(diǎn)近紅外透射光譜法血液成分無(wú)創(chuàng)檢測(cè)問(wèn)題及難點(diǎn)近紅外透射光譜法血液成分無(wú)創(chuàng)檢測(cè)問(wèn)題及難點(diǎn)近紅外透射光譜法血液成分無(wú)創(chuàng)檢測(cè)問(wèn)題及難點(diǎn)近紅外透射光譜法血液成分無(wú)創(chuàng)檢測(cè)問(wèn)題及難點(diǎn)Masimo□□□□□□無(wú)創(chuàng)血液成分檢測(cè)技術(shù)已高速發(fā)展了近三十年，目前僅有Masimo□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□FDA□□□□□□□□□□□□□□FDA認(rèn)證，既使得科研工作者看到了此研究思路對(duì)實(shí)現(xiàn)血液成分無(wú)創(chuàng)檢測(cè)的巨大希望，得科研工作者做好了迎接此科研道路上挑戰(zhàn)的準(zhǔn)備。近紅外透射光譜無(wú)創(chuàng)血液成分檢測(cè)方法主要存在以下幾個(gè)問(wèn)題及難點(diǎn)：（1）消除個(gè)體差異實(shí)現(xiàn)人體信息無(wú)創(chuàng)檢測(cè)最大的難點(diǎn)就是如何消除個(gè)體差異。統(tǒng)，人體組織在不同時(shí)間、不同位置、不同環(huán)境下光學(xué)性質(zhì)有所差異，例如檢測(cè)指端光譜信號(hào)時(shí)，由于不同人手指的尺寸、的不同，即使血液成分組成完全相同，也會(huì)造成透射光譜有很大的差異。建立合理的、可消除個(gè)體差異的檢測(cè)模型，近紅外透射光譜無(wú)創(chuàng)血液成分的關(guān)鍵問(wèn)題。（2）提高儀器信噪比人體組織的強(qiáng)散射性使得透射光強(qiáng)十分微弱，需要高靈敏度的檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)。同時(shí)絕大多數(shù)化學(xué)成分在血液中的含量較低，3.9~6.1mmol/L,□□□□□□□□□□□□說(shuō)明此技術(shù)中仍存在著很多難點(diǎn)，這又使人體是一個(gè)復(fù)雜的系各組織厚度和血液搏動(dòng)幅度等生理上獲得僅與血液成分有關(guān)的信號(hào)，是實(shí)現(xiàn)如正常情況下空腹血糖含量范圍是7.8~8.9mmol/L,□□□□□□范圍是2.9~6.0mmol/L,□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□,□□光度較小,這就導(dǎo)致透射光中攜帶目標(biāo)血液成分的光譜信息更十分微弱,因此理論上要求儀器的吸光度噪聲為微吸光度量級(jí)才能實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)成分的無(wú)創(chuàng)檢測(cè)。高信噪比的采集設(shè)備是實(shí)現(xiàn)近紅外透射光譜無(wú)創(chuàng)血液成分檢測(cè)的硬件保證。3）提高有用信號(hào)提取精度基于近紅外透射光譜的無(wú)創(chuàng)血液成分檢測(cè)技術(shù)中,由血液脈動(dòng)引起的光電容積脈搏波信號(hào)是信號(hào)分析的重點(diǎn)。如何從其中準(zhǔn)確、穩(wěn)定地提取出僅反映血液成分濃度的有用信號(hào),是實(shí)現(xiàn)近紅外透射光譜無(wú)創(chuàng)血液成分的關(guān)鍵問(wèn)題。4）抑制多種干擾無(wú)創(chuàng)檢測(cè)的采集過(guò)程是在體的測(cè)量,采集到的光譜信號(hào)會(huì)夾雜多種干擾來(lái)源,例如：系統(tǒng)的隨機(jī)噪聲、人體的呼吸干擾、運(yùn)動(dòng)干擾,甚至一些人為干擾。為進(jìn)一步推進(jìn)無(wú)創(chuàng)血液成分檢測(cè)設(shè)備在臨床上應(yīng)用,就需要針對(duì)各種干擾研究抑制方法,既不破壞原信號(hào)中的有用信息,又可以將干擾信息濾除。多種干擾的成功抑制,是無(wú)創(chuàng)血液成分檢測(cè)技術(shù)推向?qū)嶋H應(yīng)用的技術(shù)保證。5）評(píng)價(jià)信號(hào)質(zhì)量近紅外光譜定量分析方法是一種間接測(cè)量方法,通過(guò)建立有用光譜信息和目標(biāo)檢測(cè)成分濃度之間的校正模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)新樣本濃度的預(yù)測(cè)。但如果篩選建模集數(shù)據(jù)不合理,采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量無(wú)法正確評(píng)估和控制,會(huì)導(dǎo)致建立的模型不穩(wěn)定,預(yù)測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確。因此,建立合理的數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是成功建立校正模型的保證。6）優(yōu)化建模方法提取的有用光譜信息和目標(biāo)檢測(cè)成分濃度之間關(guān)系復(fù)雜,需要利用多元回歸方法建立二者之間的相關(guān)關(guān)系。不同血液成分在不同波長(zhǎng)上的吸收程度不同，合的對(duì)參與建模的變量進(jìn)行優(yōu)化，提取主成分、選擇功能強(qiáng)大的建模方法都會(huì)有效提高模型質(zhì)量。因此，優(yōu)化建模參數(shù)和算法，是提高無(wú)創(chuàng)血液成分檢測(cè)精度的重要工具。（7）增加建模樣本量當(dāng)建立有用光譜信息和血液成分濃度之間的定量模型時(shí)，需要有大量的訓(xùn)練樣本。樣本的血液成分濃度覆蓋范圍越廣、背景成分含量越均勻，就越有利用訓(xùn)練出魯棒性高的校正模型。為實(shí)現(xiàn)血液成分無(wú)創(chuàng)檢測(cè)，需要長(zhǎng)期地進(jìn)行臨床采集，獲取大量的數(shù)據(jù)樣本，從中進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和特征提取，建立穩(wěn)定的校正模型。因此，增加數(shù)據(jù)樣本量是推進(jìn)無(wú)創(chuàng)血液成分檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的必要條件。基于國(guó)內(nèi)外近紅外透射光譜血液無(wú)創(chuàng)檢測(cè)技術(shù)面臨的難點(diǎn)問(wèn)題可知，建立可消除個(gè)體差異的檢測(cè)模型，提高采集設(shè)備信噪比，優(yōu)化有用信號(hào)的提取方法和抑制采集過(guò)程中的噪聲，是實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)血液成分檢測(cè)首要解決的基本問(wèn)題。在獲得高信噪比、穩(wěn)定的信號(hào)后，通過(guò)建立數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、控制數(shù)據(jù)質(zhì)量、優(yōu)化建模方法并進(jìn)一步擴(kuò)大樣本量，可有效的發(fā)展無(wú)創(chuàng)血液成分檢測(cè)技術(shù)，并將此技術(shù)推向臨床應(yīng)用。動(dòng)態(tài)光譜理論是本課題組為實(shí)現(xiàn)近紅外光譜無(wú)創(chuàng)血液成分檢測(cè)而提出的一種檢測(cè)理論。動(dòng)態(tài)光譜方法理論上能夠有效消除個(gè)體差異和環(huán)境變化對(duì)血液成分無(wú)創(chuàng)檢測(cè)的影響。2.1動(dòng)態(tài)光譜理論基礎(chǔ)動(dòng)態(tài)光譜理論基礎(chǔ)動(dòng)態(tài)光譜理論基礎(chǔ)指端生理結(jié)構(gòu)及組織光學(xué)特性指端生理結(jié)構(gòu)及組織光學(xué)特性指端生理結(jié)構(gòu)及組織光學(xué)特性指端生理結(jié)構(gòu)及組織光學(xué)特性指端生理結(jié)構(gòu)及組織光學(xué)特性人體手指生理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，個(gè)體差異小，指端總體厚度較薄、血管豐富，指端透射光信號(hào)強(qiáng)度較強(qiáng)且含有豐富的血液成分信息（如圖2-1所示）。將手指前端作為光譜檢測(cè)位置，醫(yī)務(wù)人員操作簡(jiǎn)單，患者感受舒適且利于其保持穩(wěn)定，有利于采集設(shè)備的設(shè)計(jì)和未來(lái)臨床上的推廣。根據(jù)手指剖面圖可知，手指由外到內(nèi)分別為皮膚、組織和骨骼。皮膚是人體最大□□,□□□□□0.5~4mm,指尖皮膚厚度通常為3mm。皮膚由最外無(wú)生命的角質(zhì)層、中間有生命帶無(wú)血管的表皮層和最內(nèi)含有豐富毛細(xì)血管的真皮層組成。角質(zhì)層主要由柔軟的脫水細(xì)胞組成，對(duì)入射光的吸收很小。表皮層中含有類(lèi)脂化合物、蛋白質(zhì)以及色素細(xì)胞，色素細(xì)胞決定著人體的膚色，對(duì)可見(jiàn)光有著強(qiáng)烈的吸收。真皮層是有結(jié)締組織、汗腺、毛囊、脂肪細(xì)胞、神經(jīng)末梢和豐富的毛細(xì)血管組成。毛細(xì)血管在真皮層中形成大約0.2~0.4mm長(zhǎng)的垂直回路，從微動(dòng)脈血管中接收新鮮血液，微動(dòng)脈會(huì)從組織內(nèi)的小動(dòng)脈獲得血液，小動(dòng)脈又會(huì)從皮下組織深處較大的動(dòng)脈接手血液。從而形成真皮中毛細(xì)血管、微動(dòng)脈、小動(dòng)脈、組織深處較大動(dòng)脈的立體平行的血液傳輸系統(tǒng)。手指中不僅含有對(duì)入射光有強(qiáng)吸收的物質(zhì)，還含有很多對(duì)光有強(qiáng)散射的物質(zhì)，如真皮層中的骨膠原、脂肪細(xì)胞和小器官等。當(dāng)一束近紅外光從指端入射時(shí)，由于生物組織在近紅外區(qū)域?qū)儆诨鞚岬母呱⑸浣橘|(zhì)，即散射遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于吸收，輸入光進(jìn)入手指后僅有一小部分光仍沿直線(xiàn)傳播，通常稱(chēng)為彈道光；另一小部分光稍偏離直線(xiàn)傳播軌跡，稱(chēng)為蛇形光；而大部分光子被組織內(nèi)蛋白質(zhì)、脂肪、線(xiàn)粒體等大分子物質(zhì)散射，遠(yuǎn)離直線(xiàn)方向，在組織內(nèi)發(fā)生多次吸收和散射直至由組織邊緣射出或徹底的被組織內(nèi)吸收物質(zhì)吸收，這部分光子傳輸?shù)穆窂竭h(yuǎn)遠(yuǎn)大于手指的厚度，被稱(chēng)為漫射光子?；诮t外透射光譜無(wú)創(chuàng)檢測(cè)血液成分技術(shù)中，利用的是這種含有血液吸光度信息、透過(guò)比例高、幅值強(qiáng)的漫射光譜。2.1.2朗伯比爾定律□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□Beer-Lambert)。朗□□□□□□□-朗伯-□□□□□□□,□□□□□□□□□□□□?□□PierreBouguer)口□□□□□□□?□□□□?朗伯(JohannHeinrichLambert)和德國(guó)科學(xué)家?jiàn)W古斯特?比爾(AugustBeer)□□□□□□□□□□□□□□□名的。當(dāng)一束平行單色光垂直于某一均勻非散射溶液入射時(shí)，一部分光通過(guò)該均勻溶液射出，另一部分光會(huì)被此溶液吸收，其吸收程度與該均勻溶液的濃度以及光在溶液中的光程成正比?？谳斎牍鈴?qiáng)為Io,輸出光強(qiáng)為I，溶液厚度為L(zhǎng)，均勻溶液濃度為c時(shí)，滿(mǎn)足關(guān)系式為其中，A□□□□，□□□；K□□□，□□□□□L□□□□cm)為單位，溶液濃度c□□□□□gL-1□□□□□，K通常用a□□，□□□L?gT?cmT,稱(chēng)□□□□；□□□□□L□□□(cm)為單位，溶液濃度c□□□□□□molL-1)為單位時(shí)，K通常用e□□，□□□L?molT?cmT,稱(chēng)為摩爾吸收系數(shù)；其中K是波長(zhǎng)人□□□，□□□□□□□□□□□，□□□□□人的光吸光度A(入)不同；□□□□□N種成分時(shí)，□□□□□□□□□□□□□，不同成分在同一波長(zhǎng)下的總吸光度為各個(gè)成分在該波長(zhǎng)下的吸光度之和□公式2-2)。1然而，朗伯-比爾定律成立的重要前提之一是吸光物質(zhì)為均勻純吸收物質(zhì)，即非散射體系，但組織和血液都是強(qiáng)散射物質(zhì)，導(dǎo)致實(shí)際光的傳播情況不能直接用朗伯-比爾定量來(lái)描述。對(duì)于混濁介質(zhì)，其散射作用大于吸收作用。此時(shí)基本的朗伯-比爾定律仍然適用，但為了體現(xiàn)散射對(duì)光損耗的影響，公式中的光路徑變量不能再是簡(jiǎn)單的物理厚度，而是光子在組織和血液中實(shí)際走過(guò)的距離，此路徑長(zhǎng)度應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)長(zhǎng)于手指的厚度。1988年D.T.Deloy等人在此基礎(chǔ)上給出了修正的朗伯-比爾定量ModifiedLambert-Beer’sLaw，MLBL)[151,152]。MLBL的表達(dá)形式為：

A□KcBL□G(2-3)其中，B□□□□□□differentialpathlengthfactor,DPF),是光波長(zhǎng)的函數(shù)，主要用來(lái)描述散射引起的光路徑的變化，與吸收系數(shù)、散射系數(shù)和散射相位有關(guān)；G為背景所引起的損耗，與吸收系數(shù)無(wú)關(guān)。2.1.3常見(jiàn)血液成分的近紅外光譜特征血液由可通過(guò)顯微鏡觀(guān)察到形態(tài)的有形成分，如紅細(xì)胞、白蛋白、血小板等，和無(wú)法觀(guān)察到形態(tài)的液態(tài)血漿組成。液態(tài)血漿中含有91~92%的水分、無(wú)機(jī)鹽、蛋白質(zhì)及葡萄糖、脂類(lèi)等其他有機(jī)物。在近紅外光譜波段區(qū)域存在吸收的官能團(tuán)□□□□□□□□□□，□□□□□C-H）□□□□O-H）和氨基（N-H）等。合頻近紅外光譜帶位于2000~2500nm處，一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)以上倍頻帶分別位于1400~1800nm、900~1200nm和780~900nm處。圖2-2所示為血紅蛋白、葡萄糖和膽固醇的吸光度曲線(xiàn)[153-155]。通過(guò)檢測(cè)各波長(zhǎng)下的吸光度變化，基于朗伯比爾定律理論上可以檢測(cè)出多種血液成分的含量信息。2.2動(dòng)態(tài)光譜檢測(cè)技術(shù)動(dòng)態(tài)光譜原理當(dāng)心臟收縮時(shí)，血液會(huì)被射入到動(dòng)脈中。心臟規(guī)律性的收縮和舒張使得血管中血流量呈周期性變化，從而引起動(dòng)脈的搏動(dòng)。因?yàn)檠菏歉叨炔煌该饕后w，光在的血液中的穿透性一般僅為其在普通組織中的幾十分之一。當(dāng)在入射光強(qiáng)不變的情況下，出射光強(qiáng)會(huì)隨著動(dòng)脈的搏動(dòng)顯著變化，即僅由于動(dòng)脈血液充盈度的改變引起了吸光度的變化。依次提取各波長(zhǎng)在相同時(shí)間點(diǎn)吸光度的變化，并將此吸光度變化量按照波長(zhǎng)依次排列，就組成了動(dòng)態(tài)光譜。為獲得最佳的信噪比，通常選取吸光度最大和最小的兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)來(lái)提取動(dòng)態(tài)光譜。指端入射光強(qiáng)為0I，當(dāng)動(dòng)脈血管充盈度最低時(shí)，來(lái)自光源的入射光沒(méi)有受到脈動(dòng)動(dòng)脈的影響，此時(shí)的出射光強(qiáng)（maxI）最強(qiáng)；而在動(dòng)脈血管充盈度達(dá)到最大時(shí)，動(dòng)脈血液對(duì)光強(qiáng)的影響最大，此時(shí)的出射光強(qiáng)（minI）最弱（見(jiàn)圖2-4）。所以動(dòng)脈充盈至最大與動(dòng)脈收縮至最小時(shí)的吸光度差值，理論上只與動(dòng)脈血液中的物質(zhì)成分及含量有關(guān)，這樣就消除了一切具有恒定吸收特性的人體組織和其他成分對(duì)于脈動(dòng)動(dòng)脈血液吸光度的影響。若將組織、靜脈血層和不脈動(dòng)的動(dòng)脈血層總共劃分成均勻，第若將組織、靜脈血層和不脈動(dòng)的動(dòng)脈血層總共劃分成均勻，第j□□□□□□□j口□jl口；□□□□□n種成分，第i脈動(dòng)動(dòng)脈血液的等效光程長(zhǎng)為l□m層，每層光學(xué)性質(zhì)，等效濃度為jc，平均光程長(zhǎng)為□□□□□□□□□i□□,濃度為。考慮到組織和血液是非透明的散射介質(zhì)，根據(jù)修正的朗伯比爾定理可得到單波長(zhǎng)□□□其中AD□□□□□□□□□□□人□□□□□□將動(dòng)脈充盈時(shí)和收縮時(shí)的吸光度之差可以表示為：□(2-5)通過(guò)吸光度相減，非脈動(dòng)血液和各層組織的吸光度分量被消除，即吸光度差值A(chǔ)D□□□□□□□□□□□□□□,反映了動(dòng)脈血液的吸收變化。將各個(gè)波長(zhǎng)下的吸光度差值組合，就形成了動(dòng)態(tài)光譜：其中，L為脈動(dòng)部分血液光程變化量，不同波長(zhǎng)下L的差異很小，可忽略□□□□□□□□□□□□□□□和動(dòng)態(tài)光譜DS已知，未知量為種血液成的濃度c和脈動(dòng)血液光程變化量L,□□□□□□□n+1個(gè)波長(zhǎng)建立動(dòng)態(tài)光譜，就可以解得對(duì)應(yīng)n種成分的濃度值。理論推導(dǎo)過(guò)程又一次證明了動(dòng)態(tài)光譜不受被測(cè)者的個(gè)體差異（如皮膚的顏色、粗糙程度、脂肪層厚度等）和測(cè)量條件（如光源光強(qiáng)、傳感器的靈敏度、被測(cè)部位等）的影響。通過(guò)采集足夠多波長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)光譜，可以通過(guò)求解多元線(xiàn)性方程組獲得血液成分濃度的定量信息。2.3動(dòng)態(tài)光譜檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)技術(shù)的關(guān)鍵影響因素分析的關(guān)鍵影響因素分析的關(guān)鍵影響因素分析的關(guān)鍵影響因素分析2.3.1散射對(duì)動(dòng)態(tài)光譜的影響散射對(duì)動(dòng)態(tài)光譜的影響散射對(duì)動(dòng)態(tài)光譜的影響散射對(duì)動(dòng)態(tài)光譜的影響當(dāng)考慮到血液的散射效應(yīng)時(shí)，不同波長(zhǎng)光程長(zhǎng)不一致，即會(huì)導(dǎo)致公式2-6中脈動(dòng)血液光程變化量L不一致。這是L若采用各波長(zhǎng)透射光子的平均光程長(zhǎng)，即等效光程長(zhǎng)［158］，可以降低動(dòng)態(tài)光譜檢測(cè)方法中的系統(tǒng)誤差。本課題組利用蒙特開(kāi)羅模擬仿真方法，根據(jù)血液的光學(xué)參數(shù)[159,160］，通過(guò)仿真多層組織常規(guī)血液層和脈動(dòng)動(dòng)脈血層不同厚度時(shí)的出射光強(qiáng)關(guān)系，并與真實(shí)人體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，算出在860nm□□□,□□□□□□□□□□□□2.6~8pm。在此基礎(chǔ)上對(duì)脈動(dòng)血液組織及在近紅外區(qū)域內(nèi)等效光程長(zhǎng)的波長(zhǎng)特性進(jìn)行仿真研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)脈動(dòng)動(dòng)脈血液層厚度變化在2~10pm范圍時(shí)，633~1210nm□□□□□□□□□程長(zhǎng)在2.0034口10.0613pm之間。等效光程長(zhǎng)隨血液層厚度增加而增加，與實(shí)際等效光程長(zhǎng)的相對(duì)偏差在1口10-3到5口10-3之間［127］。被測(cè)血液成分的濃度變化引起的吸光度變化通常會(huì)大于等效光程長(zhǎng)偏差引起的吸光度變化，因此脈動(dòng)血液對(duì)光的散射作用在一般情況下可以忽略不計(jì)。通過(guò)解析方法，可以從公式2-6中獲得被測(cè)成分的濃度信息。但當(dāng)個(gè)體的脈動(dòng)動(dòng)脈血層厚度變化范圍增大，帶來(lái)的等效光程長(zhǎng)與實(shí)際光程長(zhǎng)間的誤差也會(huì)增大，這時(shí)通過(guò)縮小波長(zhǎng)范圍，誤差可以顯著降低。在選擇建模波長(zhǎng)時(shí)，不僅要考慮被測(cè)成分主要吸收光譜范圍，也要考慮其散射作用帶來(lái)的附加誤差，不宜選擇過(guò)長(zhǎng)的檢測(cè)光譜范圍。2.3.2接觸壓力對(duì)動(dòng)態(tài)光譜的影響接觸壓力對(duì)動(dòng)態(tài)光譜的影響接觸壓力對(duì)動(dòng)態(tài)光譜的影響接觸壓力對(duì)動(dòng)態(tài)光譜的影響當(dāng)手指組織和檢測(cè)器間的接觸壓力增大時(shí)，真皮部分的組織結(jié)構(gòu)及血管幾何形狀會(huì)發(fā)生變化，組織淺表處的動(dòng)脈血管也可能會(huì)因壓力而產(chǎn)生形變甚至阻斷。這些生理結(jié)構(gòu)上的變化會(huì)直接影響檢測(cè)到的光電脈搏波振幅[161,162]、直流分量[163]和不同波長(zhǎng)交流分量的比值關(guān)系，從而可能影響動(dòng)態(tài)光譜。本課題組對(duì)接觸壓力與光電容積脈搏波特征之間的關(guān)系做了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究[164]。通過(guò)調(diào)整輸入光源位置和檢測(cè)器之間的距離，即改變被測(cè)者指端的厚度，使得傳感器與指端從自然接觸到壓力逐步增大，直至厚度可能再減小為止。當(dāng)測(cè)試者狀態(tài)平穩(wěn)后，記錄此接觸壓力下的光電脈搏波并將其取對(duì)數(shù)。比較對(duì)數(shù)光電脈搏波的DC部分，以考察接觸壓力對(duì)口波長(zhǎng)下吸光度基線(xiàn)漂移的影響；比較對(duì)數(shù)光電脈搏波的AC部分，以考察接觸壓力對(duì)口波長(zhǎng)下脈動(dòng)血液部分吸光度的影響；比□□□□□□□□□□□AC□□□□□,□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□,□□□□□□□DC部分隨著接觸壓力增加整體呈增加趨勢(shì)，當(dāng)接觸壓力達(dá)到一定強(qiáng)度后，變化趨勢(shì)放緩。對(duì)數(shù)光電脈搏波AC□□□□□□□□加□□□□□□□,□□□□□□□□,□□□□□□□,隨著壓力的增大，減小的速率開(kāi)始增加，至到接觸壓力大于一定閾值后，AC下□□□□□□□□□□□□□□□□□AC□□□□□隨□□□□□□□□□變化趨勢(shì)，歸一化后相對(duì)變化在5%以?xún)?nèi)，即動(dòng)態(tài)光譜受接觸壓力的影響變化不大。需要指出的是，若接觸壓力在測(cè)試過(guò)程中發(fā)生變化，會(huì)造成脈搏波信號(hào)不穩(wěn)定，一定程度上影響動(dòng)態(tài)光譜數(shù)據(jù)的提取精度，具體情況會(huì)在本研究第三章提取方法中進(jìn)行詳細(xì)分析和討論。通過(guò)研究接觸壓力與動(dòng)態(tài)光譜數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，不僅可以進(jìn)一步證明動(dòng)態(tài)光譜對(duì)于克服個(gè)體差異和測(cè)量環(huán)境變化的有效性，同時(shí)也為動(dòng)態(tài)光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理方法選擇和臨床數(shù)據(jù)采集帶來(lái)指導(dǎo)意義。血液成分無(wú)創(chuàng)檢測(cè)技術(shù)經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外科研工作者幾十年的研究已經(jīng)得到長(zhǎng)足發(fā)展，動(dòng)態(tài)光譜法在這十年間從理論到實(shí)驗(yàn)均取得了一定成績(jī)。但要實(shí)現(xiàn)完善的血液成分無(wú)創(chuàng)檢測(cè)技術(shù)還有很多工作和待解決的問(wèn)題需要科研工作者一起努力攻克?；诒狙芯楷F(xiàn)狀，下一步需要完成的工作有進(jìn)一步提高采集設(shè)備的信噪比。根據(jù)理論分析和臨床實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，針對(duì)一些含量較少或吸光度較低血液成分，由于采集設(shè)備的信噪比相對(duì)不足，成分濃度預(yù)測(cè)誤差較大；深入分析散射對(duì)動(dòng)態(tài)光譜的影響，將散射參與加入校正模型的建立當(dāng)中。動(dòng)態(tài)光譜理論的基礎(chǔ)之一是認(rèn)為較薄的脈動(dòng)血層對(duì)入射光的散射影響可以忽略不計(jì)，但為進(jìn)一步提高動(dòng)態(tài)光譜消除個(gè)體差異的能力和血液成分預(yù)測(cè)的精度，就需要進(jìn)一步分析散射效應(yīng)在整個(gè)理論和數(shù)據(jù)分析中的作用，從而提高動(dòng)態(tài)光譜技術(shù)血液成分無(wú)創(chuàng)檢測(cè)精度。針對(duì)動(dòng)態(tài)光譜特點(diǎn)，研究對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)降維和數(shù)據(jù)建模方法。動(dòng)態(tài)光譜檢測(cè)中，由于波長(zhǎng)數(shù)據(jù)量較大，各波長(zhǎng)間可能存在共線(xiàn)性，這些冗余的信息不僅給建模過(guò)程帶來(lái)巨大計(jì)算負(fù)擔(dān)，還會(huì)影響整個(gè)模型的精度。主成分分析的思路直接而模過(guò)程帶來(lái)巨大計(jì)算負(fù)擔(dān)，還會(huì)影響整個(gè)模型的精度。主成分分析的思路直接而簡(jiǎn)單，在選取主成分時(shí)，往往習(xí)慣于截尾的方式，將貢獻(xiàn)率小的主成分舍棄。然因而主成分回歸在概括信而，或許是貢獻(xiàn)率小的主成分對(duì)真實(shí)模型的影響最大，因而主成分回歸在概括信息的同時(shí)，也丟掉了很多細(xì)節(jié)信息。針對(duì)特定的血液成分，可以提取出一定數(shù)量的特征光譜，一方面提高數(shù)據(jù)建模的穩(wěn)定性，另一方面為未來(lái)研發(fā)低成本、便攜息的同時(shí)，也丟掉了很多細(xì)節(jié)信息。針對(duì)特定的血液成分，可以提取出一定數(shù)量的特征光譜，一方面提高數(shù)據(jù)建模的穩(wěn)定性，另一方面為未來(lái)研發(fā)低成本、便攜式的血液成分分析儀做技術(shù)準(zhǔn)備。(4)繼續(xù)開(kāi)展臨床實(shí)驗(yàn)，完善血液成分預(yù)測(cè)模型。臨床實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)是對(duì)科研技術(shù)的最好指導(dǎo)，只有通過(guò)集臨床數(shù)據(jù)驗(yàn)證科研技術(shù)，才能有效的推動(dòng)技術(shù)的正確發(fā)展。目前的臨床數(shù)據(jù)仍然較少，且嚴(yán)重缺乏血液成分異常的數(shù)據(jù)。根據(jù)本課題組的研究成果，血液的濃度分布會(huì)對(duì)模型的建立和預(yù)測(cè)精度有著重要作用，只有繼續(xù)開(kāi)展長(zhǎng)期、(4)繼續(xù)開(kāi)展臨床實(shí)驗(yàn)，完善血液成分預(yù)測(cè)模型。臨床實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)是對(duì)科研技術(shù)的最好指導(dǎo)，只有通過(guò)集臨床數(shù)據(jù)驗(yàn)證科研技術(shù)，才能有效的推動(dòng)技術(shù)的正確發(fā)展。目前的臨床數(shù)據(jù)仍然較少，且嚴(yán)重缺乏血液成分異常的數(shù)據(jù)。根據(jù)本課題組的研究成果，血液的濃度分布會(huì)對(duì)模型的建立和預(yù)測(cè)精度有著重要作用，只有繼續(xù)開(kāi)展長(zhǎng)期、大量的臨床數(shù)據(jù)采集，合理的統(tǒng)籌臨床數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，才能得到一個(gè)穩(wěn)定、準(zhǔn)確的血液成分預(yù)測(cè)模型。基于動(dòng)態(tài)光譜的血氧檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)2．1．1朗伯一比爾(Lambert—Beer)定律現(xiàn)有的無(wú)創(chuàng)脈搏血氧儀其測(cè)量原理都是基于朗伯．比爾定律，利用光電技術(shù)提取出脈搏信號(hào)進(jìn)行計(jì)算。朗伯2．1．1朗伯一比爾(Lambert—Beer)定律現(xiàn)有的無(wú)創(chuàng)脈搏血氧儀其測(cè)量原理都是基于朗伯．比爾定律，利用光電技術(shù)提取出脈搏信號(hào)進(jìn)行計(jì)算。朗伯-比爾定律(Lambent-BeerLa□是由德國(guó)的AugustBeer發(fā)表于1851年，是所有血氧飽和度的光學(xué)測(cè)定法的基本原理。它反映了光學(xué)吸收規(guī)律，即物質(zhì)在一定波長(zhǎng)處的吸光度與它的濃度成正比。通過(guò)朗伯．比學(xué)吸收規(guī)律，即物質(zhì)在一定波長(zhǎng)處的吸光度與它的濃度成正比。通過(guò)朗伯．比爾定律，我們知道只要選擇適宜的波長(zhǎng)，測(cè)定它的吸光度就可以求出溶液的濃爾定律，我們知道只要選擇適宜的波長(zhǎng)，測(cè)定它的吸光度就可以求出溶液的濃度和物質(zhì)的含量。根據(jù)郎伯．比爾定律，出入射光強(qiáng)與吸收層厚度和吸收物濃度的關(guān)系為：度和物質(zhì)的含量。根據(jù)郎伯．比爾定律，出入射光強(qiáng)與吸收層厚度和吸收物濃度的關(guān)系為：E為吸光物質(zhì)的吸光系數(shù)，E為吸光物質(zhì)的吸光系數(shù)，C為吸光物質(zhì)的濃，度，L為吸光物質(zhì)傳輸?shù)木嚯x度，L為吸光物質(zhì)傳輸?shù)木嚯x(光程)。lge)為光密度或吸光度。以上是在理想狀態(tài)下』O的推導(dǎo)，朗伯．比爾定律的使用需滿(mǎn)足以下判定條件：(2)在吸收過(guò)程中各物質(zhì)問(wèn)沒(méi)有相互作用。的推導(dǎo)，朗伯．比爾定律的使用需滿(mǎn)足以下判定條件：(2)在吸收過(guò)程中各物質(zhì)問(wèn)沒(méi)有相互作用。(1)入射光必須為單色光。(3)在吸收過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生散射、熒光和光化學(xué)現(xiàn)象。由于人體是組織是渾濁介質(zhì)，會(huì)發(fā)生強(qiáng)散射現(xiàn)象，因此測(cè)定條件并不完全符合。2光和光化學(xué)現(xiàn)象。由于人體是組織是渾濁介質(zhì)，會(huì)發(fā)生強(qiáng)散射現(xiàn)象，因此測(cè)定條件并不完全符合。2．1．2生物組織的基本光學(xué)模型我們知道，任何實(shí)際的物理問(wèn)題都可以轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，但是轉(zhuǎn)變后的數(shù)我們知道，任何實(shí)際的物理問(wèn)題都可以轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，但是轉(zhuǎn)變后的數(shù)學(xué)模型必須是可解的才有實(shí)際的意義。目前，組織光學(xué)中基本的問(wèn)題便是要弄清可見(jiàn)光和近紅外光在生物組織體中的傳播特點(diǎn)和規(guī)律。由于波長(zhǎng)在600口1300nm600口1300nm光譜區(qū)具有的特性被稱(chēng)為“治療窗口”，所以合理的運(yùn)用此窗口對(duì)許多己知的和潛在的光治療技術(shù)和光診斷技術(shù)具有非常特別的意義。生物體組織的復(fù)雜結(jié)構(gòu)使得絕大多數(shù)生物組織對(duì)可見(jiàn)和近紅外光呈現(xiàn)出不透明、散射和混濁等特點(diǎn)。生物組織的內(nèi)在特性決定了可以將它看作幾何形狀和物理參數(shù)從與波長(zhǎng)相比或從細(xì)胞的尺度看來(lái)具有隨機(jī)變化的介質(zhì)，即可以看作是一種不均勻尺度在微米量級(jí)或大一、兩個(gè)數(shù)量級(jí)的離散隨機(jī)介質(zhì)。對(duì)光學(xué)性質(zhì)而言，里的“不均勻”描寫(xiě)的對(duì)象實(shí)際上就是折射率，而生物組織對(duì)光的強(qiáng)散射特性正是源于折射率在細(xì)胞尺度上的不均勻性。對(duì)實(shí)際的生物組織而言，要想用傳統(tǒng)的電磁場(chǎng)理論來(lái)描寫(xiě)它的光學(xué)性質(zhì)是極其困難的，甚至是不可能的。即使已知生物組織折射率的所有細(xì)節(jié)，雖然解的存在性與唯一性不容置疑，但試圖通過(guò)數(shù)值求解麥克斯韋方程組來(lái)獲知光在生物組織中分布規(guī)律的努力尚無(wú)成功的希望瞪J。基于生物組織的特點(diǎn)，可以借鑒現(xiàn)成的中子傳輸理論，給出一個(gè)光與生物組織相互作用的簡(jiǎn)化模型，以抽象出主要的生物組織的光學(xué)性質(zhì)。具體地說(shuō)，可以把光在生物組織體中的傳播進(jìn)而看成光能分布的物理實(shí)在，用一種粒子的傳輸過(guò)程來(lái)模擬，粒子數(shù)的密度等價(jià)為光能。這種假想的粒子無(wú)妨稱(chēng)為光子(與光本性無(wú)關(guān))，可以等效于光量子的集合。同時(shí)把生物組織理解為大量無(wú)規(guī)則分布的散射粒子和吸收粒子，這與生物組織的結(jié)構(gòu)特征基本相符?？捎蓪?shí)驗(yàn)測(cè)定的吸收系數(shù)、散射系數(shù)、表征散射空間分布的各向異性參數(shù)反映出生物組織折射率的空間起伏和漲落。該模型中不再出現(xiàn)衍射和偏振等物理光學(xué)概念，僅有所謂的可由實(shí)驗(yàn)確定的光學(xué)性質(zhì)基本參數(shù)【91。即在組織光傳播模型發(fā)展中，實(shí)際上多采用的是輻射傳輸理論。它忽略光的波動(dòng)性，認(rèn)為光是分散光子組成，并按照吸收和散射系數(shù)，或局部吸收或彈性散射。對(duì)于較為基本和精確的電磁波理論至今還沒(méi)有得到實(shí)際解，因而應(yīng)用受到限制。由于生物組織體的不均勻性，實(shí)驗(yàn)測(cè)出的基本參數(shù)是一種統(tǒng)計(jì)平均值。由此可以寫(xiě)出光子的玻爾茲曼傳輸方程或建立蒙特卡洛模型，從而在一定的光照方式和邊界條件下得到所關(guān)心的空間或時(shí)間光能流率分布，或其他諸如反射率和透過(guò)率等參量。這是一種結(jié)合了實(shí)驗(yàn)與數(shù)學(xué)模型的實(shí)際上也是嚴(yán)格的方法。組織光學(xué)的所有問(wèn)題都在此基礎(chǔ)上展開(kāi)研究。2．3．1修正的朗伯．比爾定律我們知道，人體生物組織其實(shí)是由不同大小和不同成分的細(xì)胞與細(xì)胞間質(zhì)組成的，在光學(xué)里我們通常把它叫做渾濁介質(zhì)。渾濁介質(zhì)其實(shí)是一種強(qiáng)散射介質(zhì)，因此不能滿(mǎn)足在2．許多己知的和潛在的光治療技術(shù)和光診斷技術(shù)具有非常特別的意義。生物體組織的復(fù)雜結(jié)構(gòu)使得絕大多數(shù)生物組織對(duì)可見(jiàn)和近紅外光呈現(xiàn)出不透明、散射和混濁等特點(diǎn)。生物組織的內(nèi)在特性決定了可以將它看作幾何形狀和物理參數(shù)從與波長(zhǎng)相比或從細(xì)胞的尺度看來(lái)具有隨機(jī)變化的介質(zhì)，即可以看作是一種不均勻尺度在微米量級(jí)或大一、兩個(gè)數(shù)量級(jí)的離散隨機(jī)介質(zhì)。對(duì)光學(xué)性質(zhì)而言，里的“不均勻”描寫(xiě)的對(duì)象實(shí)際上就是折射率，而生物組織對(duì)光的強(qiáng)散射特性正是源于折射率在細(xì)胞尺度上的不均勻性。對(duì)實(shí)際的生物組織而言，要想用傳統(tǒng)的電磁場(chǎng)理論來(lái)描寫(xiě)它的光學(xué)性質(zhì)是極其困難的，甚至是不可能的。即使已知生物組織折射率的所有細(xì)節(jié)，雖然解的存在性與唯一性不容置疑，但試圖通過(guò)數(shù)值求解麥克斯韋方程組來(lái)獲知光在生物組織中分布規(guī)律的努力尚無(wú)成功的希望瞪J?；谏锝M織的特點(diǎn)，可以借鑒現(xiàn)成的中子傳輸理論，給出一個(gè)光與生物組織相互作用的簡(jiǎn)化模型，以抽象出主要的生物組織的光學(xué)性質(zhì)。具體地說(shuō)，可以把光在生物組織體中的傳播進(jìn)而看成光能分布的物理實(shí)在，用一種粒子的傳輸過(guò)程來(lái)模擬，粒子數(shù)的密度等價(jià)為光能。這種假想的粒子無(wú)妨稱(chēng)為光子(與光本性無(wú)關(guān))，可以等效于光量子的集合。同時(shí)把生物組織理解為大量無(wú)規(guī)則分布的散射粒子和吸收粒子，這與生物組織的結(jié)構(gòu)特征基本相符?？捎蓪?shí)驗(yàn)測(cè)定的吸收系數(shù)、散射系數(shù)、表征散射空間分布的各向異性參數(shù)反映出生物組織折射率的空間起伏和漲落。該模型中不再出現(xiàn)衍射和偏振等物理光學(xué)概念，僅有所謂的可由實(shí)驗(yàn)確定的光學(xué)性質(zhì)基本參數(shù)【91。即在組織光傳播模型發(fā)展中，實(shí)際上多采用的是輻射傳輸理論。它忽略光的波動(dòng)性，認(rèn)為光是分散光子組成，并按照吸收和散射系數(shù)，或局部吸收或彈性散射。對(duì)于較為基本和精確的電磁波理論至今還沒(méi)有得到實(shí)際解，因而應(yīng)用受到限制。由于生物組織體的不均勻性，實(shí)驗(yàn)測(cè)出的基本參數(shù)是一種統(tǒng)計(jì)平均值。由此可以寫(xiě)出光子的玻爾茲曼傳輸方程或建立蒙特卡洛模型，從而在一定的光照方式和邊界條件下得到所關(guān)心的空間或時(shí)間光能流率分布，或其他諸如反射率和透過(guò)率等參量。這是一種結(jié)合了實(shí)驗(yàn)與數(shù)學(xué)模型的實(shí)際上也是嚴(yán)格的方法。組織光學(xué)的所有問(wèn)題都在此基礎(chǔ)上展開(kāi)研究。2．3．1修正的朗伯．比爾定律我們知道，人體生物組織其實(shí)是由不同大小和不同成分的細(xì)胞與細(xì)胞間質(zhì)組成的，在光學(xué)里我們通常把它叫做渾濁介質(zhì)。渾濁介質(zhì)其實(shí)是一種強(qiáng)散射介質(zhì)，因此不能滿(mǎn)足在2．1．1中的朗伯．比爾定律的條件【17J(3)。當(dāng)組織存在很多散射現(xiàn)象，此時(shí)光子路徑長(zhǎng)度的實(shí)際結(jié)果要比測(cè)量的幾何距離大很多，在這種情況下運(yùn)用朗伯．爾定律來(lái)描述組織成分濃度與出射光之間的關(guān)系就會(huì)變得很復(fù)雜。此時(shí)，可以利用光傳播理論的粒子性來(lái)說(shuō)明光在組織中的傳播規(guī)律，在這種情況下，我們可以將光的傳播過(guò)程看作光子在介質(zhì)中的遷移的過(guò)程，此時(shí)將光看作是由分散光子所組成的Il引?！酢酢酢酢酢酢酢酢酢酢鹾头较蛟诮M織中傳播，當(dāng)其碰到一個(gè)粒子或者散射層時(shí)，其速度和方向?qū)?huì)改變。并依射的特性向隨機(jī)方向發(fā)生散射。光子在散射層之間通過(guò)的距離被稱(chēng)作散射長(zhǎng)度，它依賴(lài)散射介質(zhì)的濃度和自然特性。綜上所述，光透過(guò)人體組織到達(dá)傳感器的□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□191。除此之外，□□□□□散射層中的方向是具有隨機(jī)性質(zhì)的，所以認(rèn)為光子從光源到達(dá)傳感器的總路徑散射層中的方向是具有隨機(jī)性質(zhì)的，所以認(rèn)為光子從光源到達(dá)傳感器的總路徑長(zhǎng)度是存在一個(gè)分布的?！酢蹰L(zhǎng)度是存在一個(gè)分布的?！酢?…。當(dāng)組織的吸收率增加或同樣組織的吸收特性也會(huì)影響