红细胞悬液多参数光谱测量系统研究

摘要

战时大量失血是导致作战人员阵亡的最重要因素，通过输血治疗可有效挽救战伤患者生命。近年来，成分输血受到了越来越广泛的应用，与输注全血相比，成分输血具有一血多用、针对性强、节约血源、副作用少、便于保存和运输等优点。临床实践表明，输注红细胞悬液是急性失血患者的有效救治手段。
　　野战条件下红细胞悬液的储运受距离、时间、温度，以及长时间震动等因素影响，极容易造成红细胞溶血而导致红细胞悬液中游离血红蛋白浓度升高。全血或悬浮红细胞在有溶血情况下的灌注，将直接影响伤员重要脏器的代谢功能，加快多器官功能不全综合症的发生，危及伤员生命。因此游离血红蛋白含量是评价血袋内血液质量，判断其能否安全输注的关键参数。
　　目前，检测血袋内游离血红蛋白含量的标准方法，是从血袋内少量采血，用化学试剂法进行分析，若操作方法或环境因素控制不当，这种化学试剂检测法极易造成被检血液污染。因此，建立野战条件下满足大规模输血条件，通过血袋直接检测其中游离血红蛋白含量的非侵入性快速分析方法具有重要意义。本文所述红细胞悬液多参数光谱测量方法为前期基础性研究部分。
　　光谱学分析方法是实现非侵入性血液成分分析的重要路径。根据辐射传输理论，血液作为一种混浊介质，其光学特性可由其各向异性因子g、散射系数μs、吸收系数μa三个光学参数表达。
　　目前血液光谱学测量方法，大多采用积分球技术结合Monte Carlo逆计算模型实现，测量系统复杂，使用维护困难，难以实现仪器化。
　　本文提出的基于独立光电传感器、无需积分球装置测量红细胞悬液多参数光谱新方法，通过测量自血液样品外不同方向与位置出射的漫反射光强信号和漫透射光强信号，并根据特征光信号的定义，获得血液样品的特征信号测量值，包括:漫透射率、漫反射率以及准直透射率。将三个特征信号测量值作为Monte Carlo仿真逆计算模型输入参数，从而获得被测红细胞悬液多参数（μa,μs, g）光谱。由于采用相对简单的实验测量系统结构，并发展了基于辐射传输理论的准确快速逆计算软件，为红细胞悬液多参数光谱测量方法的仪器化应用奠定了坚实基础。
　　本论文研究的内容主要包括：
　　1、提出了一种基于独立光电传感器、无需积分球装置测量红细胞悬液多参数光谱新方法。该方法主要包括光学子系统、微弱光信号放大处理硬件子系统、数字滤波软件、Monte Carlo仿真逆计算模型，以及计算机自动控制扫描软件等。其中，光学子系统由氙灯光源、光学斩波器、样品系统、单色仪等组成。氙灯光源发出的稳定复合光经光学斩波器、单色仪后变为调制频率为1kHz单色光；调
　　制单色光经平面反射镜使光路转折约80°后入射至水平放置的红细胞悬液样品，通过多个独立光电探测器测量样品外确定位置处的准直透射光强、漫反射光强、漫透射光强，以及入射光校准光强。微弱光信号放大处理硬件子系统由光电探测器、微弱电流放大电路、高精度A/D采样模块等组成。其中，光电探测器工作在光伏模式下，该方式具有零偏置、无暗电流、精确线性等优点；前置跨阻放大器选用高性能运算放大器OPA129，其偏置电流最大为100fA，偏置电压最大为2mV，满足nA级微弱电流检测要求；通过多种抑制措施，降低光噪声和电噪声干扰，提高微弱信号测量信噪比；放大处理后的特征光信号经16位A/D采集板卡采样转换为数字量，通过数字解调和滤波方法，直接得到调制频率点处谐波分量，进一步提高信号测量精度。Monte Carlo仿真逆计算模型是红细胞悬液多参数光谱测量方法的核心。本文在基于单光子追踪算法的Monte Carlo（iMC）仿真模型和GPU并行加速计算基础上，利用微扰样品与参考样品间光学参数μa,μs, g的变化比例，快速给出微扰样品特征信号计算值，实现以微扰迭代方式对μa,μs, g光学参数的快速求解，形成了辐射传输理论框架下iMC-GPU逆运算加速解决方案。
　　2、在建立上述红细胞悬液多参数光谱测量系统基础上，对涉及的多个光学元件、多路放大电路的工作参数进行了标定和归一化测量，获得的校正系数确保不同元件、不同通道间测量结果的准确性和一致性。
　　3、红细胞悬液多参数光谱测量系统结果准确性的实验验证。以混浊介质模拟液为测量对象，分别选取平均粒径为0.9μm、2.6μm聚苯乙烯微球悬浮液，将利用本文所述方法获得的结果与 Mie理论计算结果进行比对，两者结果基本一致，同时对iMC仿真逆计算模型进行了结果的唯一性验证。通过实验，间接验证了红细胞悬液多参数光谱测量系统应用于测量混浊介质模拟液的光谱的可行性和结果的可靠性。
　　4、进一步以制备红细胞压积为7.1％的红细胞悬液为对象，利用本文所述方法测量并获得了5份不同样本的红细胞悬液多参数光谱，对获得数据进行处理后，与已有文献中采用积分球结合Monte Carlo仿真逆计算模型的结果进行比对，两者大小与趋势基本一致，且在420nm、560nm和580nm附近存在特异性吸收峰，验证了本文所述方法应用于红细胞悬液多参数光谱测量的可行性和结果的可靠性；
　　5、在获得红细胞压积为7.1%的红细胞悬液多参数光谱基础上，测量了不同压积红细胞悬液的光学参数，并以固定红细胞压积为本底，通过加入不同浓度游离血红蛋白溶液，探索并建立红细胞悬液中游离血红蛋白浓度与多参数光谱间的定量关系。选取红细胞悬液特异性吸收峰附近波长点作为样品入射光，对10份不同样本分别制备出五种不同游离血红蛋白浓度的红细胞悬液，利用本文所述方法测量并获得游离血红蛋白浓度与红细胞悬液多参数光谱间的初步定量关系，为后续深入研究游离血红蛋白的非侵入性测定方法奠定了基础。
　　最后，总结了本文提出的红细胞悬液多参数光谱测量方法与现有红细胞悬液光谱测量方法相比具有如下优势：（1）基于独立光电传感器、无需积分球装置测量，结构简单、操作简便、易于实现仪器化；（2）通过GPU加速以及微扰迭代算法，实现Monte Carlo仿真逆计算速度提高近300倍，这也是决定本文所述方法能否实现仪器化应用的关键因素之一；（3）通过iMC-GPU逆计算模型可求解出各向异性因子g、散射系数μs、吸收系数μa的光谱，为红细胞悬液中游离血红蛋白的非侵入测定奠定了理论和应用基础；（4）通过进行大量研究实验，本文初步验证了红细胞悬液多参数光谱测量系统应用于红细胞悬液多参数光谱测量的可行性和可靠性。
　　存在问题主要包括：（1）由于衰减系数μt作为iMC-GPU仿真逆计算模型的输入参数，其测量准确性对仿真结果影响较大；（2）当被测对象吸收系数较小时（小于0.1），iMC-GP U逆计算模型无输出结果，μa分辨率低。（3）由于单色仪输出光强弱等原因，本文制备的红细胞压积相对较低，对于较高红细胞压积（接近实际人体红细胞压积）的红细胞悬液未进行研究。
　　下一步研究计划：（1）优化iMC-GPU仿真逆计算模型，提高仿真逆计算精度。以被测样品的漫反射率Rd、漫透射率Td、准直透射率Tc三个特征光信号同时作为iMC-GPU仿真逆计算模型输入参数，实现对吸收系数μa、散射系数μs和各向异性因子g光谱的快速求解；（2）进一步提高微弱光信号测量信噪比和iMC-GPU仿真逆计算模型输出结果分辨率，满足更低浓度游离血红蛋白含量测定要求；（3）深入开展更高压积红细胞悬液中游离血红蛋白浓度与多参数光谱间的明确定量关系，为血袋中血液质量的非侵入快速分析研究奠定基础。

目录

声明

缩略词表

第一章 前言

1.1红细胞悬液多参数光谱测量研究背景

1.2红细胞悬液多参数光谱测量国内外研究现状

1.3本论文的主要研究内容

第二章 红细胞悬液多参数光谱测量理论基础

2.1 混浊介质光学参数

2.2 辐射传输理论

2.3 Monte Carlo算法

第三章 红细胞悬液多参数光谱测量系统设计

3.1 光学子系统

3.2微弱光信号放大处理子系统

3.3数字滤波设计

3.4 Monte Carlo仿真逆计算模型

3.5计算机自动控制扫描软件

3.6 微弱光信号测量硬件的系统参数归一化

3.7 本章小结

第四章 红细胞悬液多参数光谱测量系统实验验证

4.1 Mie散射理论概述

4.2 0.9μm聚苯乙烯微球悬浮液多参数光谱测量

4.3 2.6μm聚苯乙烯微球悬浮液多参数光谱测量

4.4本章小结

第五章 红细胞悬液多参数光谱初步研究

5.1 固定压积红细胞悬液多参数光谱测量

5.2不同压积红细胞悬液光学参数三波长点测量

5.3 红细胞混合液光学参数三波长点测量

5.4 关系模型的初步建立

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 存在问题

6.3 下一步工作计划

参考文献

已发表著作

个人简历

致谢