【WORD原稿】无创血液成分检测全波段信号信噪比均衡.doc

豆丁标准与论文网：/week114无创血液成分检测全波段信号信噪比均衡李刚1，王慧泉1，张昊1，林凌1，吴晓荣2，张宝菊2（1. 天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072；52. 天津师范大学物理与电子信息学院，天津 300387） 摘要：为充分扩展动态光谱无创检测血液成分的种类和提高检测精度，在全波段范围内对光 源、组织吸收和传感器的灵敏度进行统筹考虑，通过光源补偿和加入远心透镜设计不仅扩大 了有效光谱检测范围，而且均衡了全波段范围光电脉搏波信噪比，提高了动态光谱信号整体 信噪比并扩大了测量带宽。动态光谱质量评估的方法验证了该方法的有效性：将可见动态光10谱的有效检测范围从 6001000nm 拓宽到 5001135nm，近红外动态光谱的有效检测范围从9001100nm 拓宽到 9001700nm，既为基于动态光谱无创检测新的血液成分创造了条件， 也可进一步提高已可检测血液成份的精度。 关键词：动态光谱；信噪比；均衡；无创检测；光谱分析中图分类号：o657.3315the equalization of whole-band signals snr in the blood components noninvasive measurementli gang1, wang huiquan1, zhang hao1, lin ling1, wu xiaorong2,zhang baoju220(1. state key laboratory of precision measurement technology and instruments,tianjinuniversity, tianjin 300072;2. college of physics and electronic information,tianjin normal university, tianjin 300387) abstract: to fully extend the category of blood components that can be non-invasively measured by dynamic spectrum (ds) method and to increase its measuring precision, an overall25consideration of light source, tissue absorption and sensors sensitivity have been made. the design compensating the light source and adding the telecentric lens not only expand the spectral effective detecting range, but also make the signal-to-noise ratio(snr) of the photoelectric pulse in the whole band equalization. the integral snr of ds signal was increased and the measurement bandwidth was expanded. the effectiveness this method was validated by the30quality evaluation criterion of ds data: the effective detecting range of visible ds was widen from the 6001000nm to 5001135nm; the effective detecting range of near-infrared ds was widenfrom the 9001100nm to 9001700nm. the results show that the designs can create the condition for detection of new blood components non-invasively, but also enhance the prediction accuracy of the blood components that have been achieved non-invasive measuring using ds method.35keywords: dynamic spectrum; signal-to-noise ratio; equalization; non-invasively; spectralanalysis0引言光谱技术以其无污染、低成本、检测快速等优点备受广大科研工作者的青睐，在血液成40分的无创检测和实时分析技术上也得到了广泛应用。研究表明 6001000nm 光在生物组织 内有较低的衰减率，可以透过几厘米的人体组织而仍能被检测1,2，是组织光学成像和光谱 分析的重要理论基础。基于动态光谱的血液成分无创检测法通过分析提取透过脉动血液的光基金项目：国家自然科学基金(no. 30973964，60674111); 天津市应用基础及前沿技术研究计划（11jczdjc17100，10jcybjc00400）作者简介：李刚，男，（1959-），出生于江西，博士，天津大学精密仪器与光电子工程学院博士生导师， 教授，主要研究方向有：精密机械与测试技术，智能仪器仪表，生物医学信号检测与处理，生物医学工程 通信联系人：张宝菊，（1968-），女，教授，主要研究方向：信号与信息处理、数字视频技术、多媒体计算机应用. e-mail: - 7 -电脉搏波特征，理论上可以极大减少甚至消除个体差异和测量环境对在体无创检测的影响，并已取得初步成果3,4，此方法也得到国内外研究者的关注5,6。然而光谱信号微弱，若想无45创检出血液中某些成分含量需要高信噪比的检测仪器，从而提高检出信号的信噪比。6001000nm 波长是血红蛋白主要吸收的范围7，因此基于可见-近红外光谱技术的血红蛋白无创 检测目前已经实现并有商品面市8。但血液中很多主要成分，如大分子蛋白类、葡萄糖等对 此波长范围的光吸收很少甚至无吸收，若想充分挖掘基于光谱技术的血液成分无创检测的潜 在能力，实现更多种类血液成分无创检测，就需要拓宽可检测的有效光谱范围，使所检测的50光谱中尽可能的包含多种成分浓度的高信噪比信息。如诊断动脉粥样硬化、冠心病的重要依 据之一的总胆固醇在 547nm 和 578nm 处具有吸收峰9，1200、1350 和 1610nm 等波长光谱 信号对检测血液葡萄糖含量有着重要意义10，因此获得 500600nm 和 10001700nm 范围 动态光谱数据对这些成分浓度的检测至关重要。本文通过对入射光进行光源补偿，光学前端加入双侧远心透镜，利用 ge65000 可见光55谱仪和 nirquest512 近红外光谱仪为信号采集器，使得动态光谱有效检测范围分别从600950nm 拓展到 5001135nm 和从 9001100nm 拓展到 9001700 nm。基本涵盖了总 胆固醇和血糖的一些吸收峰，均衡了各波段上动态光谱数据信噪比，为探索多种血液成分的 无创检测提供了可能。1动态光谱法血液成分无创检测60基于动态光谱（dynamic spectrum，ds）的血液成分无创检测是利用可见和近红外光照 射人体指端，得到透过人体脉动血液的光电容积脉搏波（ppg, photoplethysmography）信号。 由于动脉的脉动现象，使血管中血流量呈周期性变化，光强会因穿透血液而发生强度变化， 因此光电脉搏搏动的变化必然引起光谱吸光度的变化11，获得各个波长上高信噪比的脉搏 波信号是动态光谱法检测的前提，脉搏波信号的信噪比制约着此无创检测方法的检测准确度65和精度。2实验平台设计可见波段光谱仪采用美国海洋公司的 qe65000 型光谱仪，内置宾松（hamamatsu）s7031-1006 ccd 探测器，其波长范围为 2001200nm，信噪比大于 1000:1，量子效率最高90%，如图 1 所示12。70图 1 s7031-1006 ccd 探测器量子效率fig.1 detector quantum efficiency光源采用飞利浦 36w 的溴钨灯，波长范围 463nm1356nm。溴钨灯光源通过 ge6500075采集系统后的输出光谱分布如图 2 所示。600900nm 区域光强最强，500600nm 和 9001100nm 区域光谱仪相应逐步降低，400nm 附近可检测光强接近 0。图 2 溴钨灯光谱图fig.2 the spectral of tungsten halogen80通过光谱仪探测器的量子效率和溴钨灯光谱分布可知，若想全范围得到较高信噪比的动态光谱数据，不仅补偿 500600nm 和 900nm1100nm 范围的输入光，同时要增加指端透 射光进入光谱仪狭缝的能量。因此本文采取光源补偿和增加远心透镜来实现动态光谱数据全 波段信噪比的提高。852.1 光源补偿实验表明单纯提高溴钨灯的功率或减小光源与人体检测部位的距离，会导致 6001000nm 波段的投射强度明显上升但光谱两侧投射光强度增加缓慢，且光源温度过高，对测 试者带来不适。因此选用 450nm、550nm、600nm、650nm、850nm、950nm 以及白色高亮 led（如图 3）对光源进行补偿。90光源设计如图 4 所示。在溴钨灯与手指之间的光阑上安装 22 个高亮发光二极管，根据 其发光效率和人体对此波长光的吸收程度按照图中的方式进行安装。其中 450nm 的蓝色 led 和 550nm 的绿色 led 各 6 支，600nm 的红色 led、650nm 的黄色 led 、850nm 和950nm 的红外 led 以及在 450nm、580nm 处均有分布的高亮白色 led 各 2 支，调整各个led 角度，使光纤端面收到手指透射光最强。95图 3 led 光谱图fig3. the spectrum of leds100105110115120125图 4 光源设计图fig.4 the design of light source2.2 远心透镜由于人体组织对光的强散射性，导致指端出射光角度各异。指端透射光通过光纤导入光 谱仪狭缝，接收的光纤端面直径仅有 2mm，数值孔径（na）为 0.22，即手指透射光中仅小 部分满足条件并可进入光谱仪采集系统。为增大进入光谱仪的透射光强度，在手指光信号出 射端面和光纤端面前端放置 gco-23 型双侧远心透镜。gco-23 远心成像镜头系列, 由前后 组镜头组合而成。前后组镜头的共焦面处装有光阑，使其主光线在物方及像方均与光轴平行, 入瞳和出瞳在无穷远，倍率 0.08x。在远心透镜物方放置约 20mm 的光阑用来从遮挡手指两 侧透过的背景光，手指端面 200 mm2 范围满足数值孔径条件的出射光可被压缩至 2 mm2 的 光纤端面，因此理论上有效光强增加 100 倍，背景光和不符合数值孔径的噪声被抑制，整体 信号的信噪比有所提高。近红外光谱仪采用美国海洋公司的 nirquest512 型光谱仪，内置宾松（hamamatsu） g9204-512 铟砷化镓（ingaas）线阵探测器，其波长范围 8501700nm，信噪比大于 15000:1。 根据探测器特性和光源特性，对近红外动态光谱检测装置进行了 940nm 光源补偿和加入红 外远心透镜会聚光能量的改进。3实验及实验结果3.1 实验装置及过程为验证光源补偿和加入远心透镜会聚光能量的效果，设立实验组，装置连接如图 5 所示， 光线由手指背侧射入，指端出射光经远心透镜会聚通过光纤传入光谱仪中。对照组中去掉 led 光源补偿部分，并将手指直接放置在光纤端面，使出射光直接通过光纤进入光谱仪中。 两组光谱仪积分时间为 50ms，采集时间约为 60s，所采集数据传至上位机进行处理分析。图 5 动态光谱数据采集系统fig.5 data acquisition system of dynamic spectrum1301351401451503.2 实验结果依据 ds 基本理论提出的稳定波长数是评估 ds 信号质量的标准之一13，用其来比较实 验装置改进前后效果。不同波长光产生的光电脉搏波波形应有一定的相似性，即不同波长入 射光所对应的对数脉搏波频率应一致，连续可产生清晰光电脉搏波的波长数量就称作 ds 稳 定波长数。图 6 所示为可见波段实验组(experimental group, eg)和对照组(control group, cg)的动 态光谱数据结果。图 6.a 为对照组经过归一化的动态光谱数据，图 6.b 为样本各个波长下主 要能量对应的频率值，其中横坐标为波长，单位纳米，纵坐标为频率，单位赫兹。各个波长 下主要能量对应的频率通过快速傅里叶变换频域提取得到，可见在 6001000nm 范围内频 率稳定在 1.6hz，即人体脉搏频率，小于 600nm 和高于 1000nm 后此频率点发散，即此波段 的光电脉搏波信号无法准确提取，信噪比很低。此数据的稳定波长数为 400nm。只能在 6001000nm 范围内可提取出有效 ds 数据，但总胆固醇和葡萄糖浓度变化在此光谱范围中反映 的不明显，使得这两种重要血液成分无创检测精度难以提高。当实验组加入光源补偿和远心透镜后，对同一个体再次进行动态光谱检测，归一化动态 光谱结果如图 6.c 所示，其质量评估结果如图 6.d 所示，稳定波长数达到全波段，即 500nm1135nm 范围内可以稳定的检测出清晰的脉搏波信号，拓展了动态光谱法可检测的波长范围。a.对照组 ds 结果 b.对照组数据质量评估结果a. the result of cg b. the result of cgs data quality evaluationc.实验组 ds 结果 d.实验组质量评估结果c. the result of eg d. the result of egs data quality evaluation图 6 可见波段 ds 实验结果对比fig.6 the compare result of ds in vis range图 7 所示为近红外波段实验组和对照组的动态光谱数据结果。改进后的实验装置较之对照组，有效 ds 光谱检测范围扩展到了近红外光谱仪 nirquest512 的全波段，即 9001700nm。从图 7.a 和图 7.c 中可看出，ds 数据的信噪比显著提高。155160165170175a.对照组 ds 结果 b.对照组数据质量评估结果a. the result of cg b. the result of cgs data quality evaluationc.实验组 ds 结果 d 实验组质量评估结果c. the result of eg d. the result of egs data quality evaluation图 7 近红外波段 ds 实验结果对比fig.7 the compare result of ds in nir range4结论利用可见-近红外光谱的方法实现血液无创检测的难度在于个体差异难以消除和光信号 微弱难以检测。动态光谱法经过多年的理论研究、仿真和临床测试证明此方法可以有效的减 少甚至消除个体差异和测量条件对测量带来的影响。尽管随着光电检测器件性能的提升，其 信噪比越来越高，但在靠近探测器检测范围两端的效率仍旧较低，人体血液以外的组织也存 在差异巨大的不同吸收，因此，通过对光源的设计可以补偿光电检测器件量子效率较低和人 体血液以外的组织吸收强烈的区域，远心透镜可以将发散的光信号会聚、压缩，提高进入光 电检测器件有用信号的强度，从而提高光电脉搏信号信噪比。本设计努力实现最大范围地采 集含有血液成分浓度信息的光电脉搏信号，并均衡各个波段信号的信噪比，有助于在全波段 范围内探索基于动态光谱无创检测新的血液成分，进一步提高已可检测血液成份的精度。参考文献 (references)1801851 matthew e,eames and hamid dehghani.opt express,2008,17780-17791 2 jobsis ff.science,1977,198:1264-12673 li gang,liu yu-liang,lin ling,et al.3rd international symposium on instrumentation science andtechnol