动态光谱在血液成分无创检查.doc

1.血液检测
1.1血液
血液是流动在人的血管和心脏中的一种红色不透明的粘稠液体。血液主要成分为主要成分为血浆、血细胞。血液中含有各种营养成分，如无机盐、氧、代谢产物、激素、酶和抗体等，有营养组织、调节器官活动和防御有害物质的作用。血液储存着人体健康信息，人体各器官的生理和病理变化，往往会引起血液成分的改变，故患病后常常要通过验血来诊断疾病。
1.2 血液成分
血液是人类生命一种特殊的宝贵资源，是人体重要的组成部分，人体所需的 氧气、水、养分通过血液输送到全身每个细胞，细胞新陈代谢所产生的废物又通 过血液送出体外，血液还能够防御和抵抗疾病，参与调节体温和维持酸碱平衡等 功能。可以说没有血液就没有人的生命。
人体血液的总量为65〜90ml/kg,全血比重为男：1.054〜1.062,女：1.048〜 1.062。血浆的比重为：1.024〜1.029。血液由血细胞和血浆两部分组成，含有45% 的有形成分和55%的液态血浆。其有形成分包括红细胞、白细胞、血小板，在显 微镜下能够看到它们形态。血浆含91〜92%的水分和8〜9%蛋白质、无机盐及 其它有机和无机组分。
血浆中的水是各种高分子蛋白质和低分子晶体物质的优良溶剂，能大量吸收 体内产生的热量，并将体内深部的热量带到体表散发，以调节体温。
血浆中总蛋白含量为60〜80g/l,分为白蛋白、球蛋白和纤维蛋白原三类。 其中白蛋白为40〜50g/l,球蛋白20〜30g/l,纤维蛋白原2〜4g/l。白蛋白与球蛋 白的比值为1.5〜2.5。血浆蛋白有多方面的作用，血浆球蛋白能与甘油三酯、胆 固醇等结合成脂蛋白，对脂类物质起运输作用；一些小分子物质（Fe2+、甲状腺 激素，肾上腺皮质激素等）可与血浆蛋白结合成大分子物质，这可避免在流经肾 脏时被排出。血浆蛋白中，白蛋白分子量最小而含量最多，是产生血浆解体渗透 压的主要因素；各种特殊抗体都用于Y-球蛋白，补体主要是P •球蛋白，它们参与机体的免疫功能；血浆中的纤维蛋白原等是促进血液凝固所不可缺少的物质； 血浆蛋白是血浆中缓冲系统的重要组成部分之一，在保证机体营养等方面，有非 常重要的作用。
无机盐约占血浆总量的0.9%,绝大部分呈离子状态。其中正离子主要是Na+, 其次是K+、Ca2+、Mg2',负离子主要是Cr,其次是HC03\ S042•等。它们在形 成血浆晶体渗透压、维持酸碱平衡和神经肌肉兴奋性等方面起着重要作用。
其它有机、无机物质还包括葡萄糖、乳酸、脂类、氨基酸、尿素、尿酸、肌 酐、氨、氧和二氧化碳等等。它们都是参与机体代谢的重要物质。
1.3 血液生化检测指标
血液中蕴藏着人体生命活动的重要信息。人体血液中各种成分含量的变化可 以真实地反映人体的健康状况。在临床上，准确测定的人体血液中葡萄糖、肌酐 等成分含量，可以为诊断、治疗和预防疾病提供真实客观的依据。
下面列出几种血液生化成分含量与人体健康状况诊断的关系：
葡萄糖GLU:正常值为3.89-6.lmmol/L。增高的临床意义：糖尿病、甲方；、 脑膜炎、肝硬化等：降低的临床意义：胰腺癌、粘液性水肿、呆小症等。
总胆固醇Total Cholesterol：浓度正常值为3.6〜6.20mmol/l,大约合185〜 200mg/dlo增高的临床意义：肾病综合征、糖尿病等，降低的临床意义：严重贫 血、甲亢、血友病等。
低密度脂蛋白-胆固醇LDL-ch:正常值0.5〜3.36mmol/l。增高的临床意义： II型高脂蛋白血症，肾病综合征，糖尿病，甲减，阻塞性黄疸，黄色瘤病等。降 低的临床意义：低蛋白血症，无p-脂蛋白血症等。
高密度脂蛋白-胆固醇HDL-ch:正常值0.8〜1.5mmol/l。HDL-ch被认为是一 种抗高脂血症、抗冠心病和动脉粥样硬化的体液因素。增高的临床意义：原发性 胆汁性硬变，慢性肝炎，慢性乙醇中毒；降低：糖尿病，肾脏疾病，肝脏疾病， 冠心病，动脉粥样硬化，IV型高脂血症，急性感染等。降低的临床意义：冠心病。
游离脂肪酸FFA:正常值0.3〜0.9mmol/l。增高的临床意义：嗜铬细胞瘤， 甲亢，乙醇中毒，糖尿病急性心肌梗塞，肝性脑病，长期禁食，糖原累积病， Reye综合症等。.
甘油三酯Triglyceride TG:正常值0.4〜增高的临床意义：特发 性髙脂血症，动脉粥样硬化，糖尿病，肾病综合征，肥胖症，甲减，糖原累积病 等。降低的临床意义：甲亢，阿狄森病，重症肝损害，吸收不良综合征等。
磷脂：正常值1.7〜3.2miru)l/l。磷脂水平与胆固醇有关，正常人胆固醇/磷脂 比值平均为0.94。增高的临床意义：肾病综合征，糖尿病，慢性出血性贫血，原 发性高血压，动脉粥样硬化，甲减，肝硬变及阻塞性黄疸病人的血磷脂升高：降 低的临床意义：低色素性贫血，溶血性贫血，恶性贫血及甲亢
总蛋白Total protein TP:正常值55〜80g/l。增髙的临床意义：高渗性失水， 多发性骨髓瘤，阿狄森病，某些急慢性感染所致高球蛋白血症等。降低的临床意 义：慢性肝病，肝硬变，慢性感染，慢性消耗性疾病，长期腹泻，肾病综合征， 营养不良等。
白蛋白Albumin:正常值35〜50g/l。主要用途是补充血容量。增高的临床意 义：偶见于脱水所致的血液浓缩。降低的临床意义：肝病，肾病，营养不良等
尿素氮Blood urea nitrogen BUN:正常值2.8〜7.14mmol/l。血中尿素氣主要 是表征肾脏对于蛋百质代谢产物的排泄能力，由此推测肾脏功能。肾脏机能发生 障碍时，尿素氮无法被顺利排出，造成血中的尿素氮数值偏高。尿素氮的数据正 常，也不代表肾一定正常但血中尿素氮易受到其它因素影响而变化，因为上消化 道出血、休克、严重感染、使用类固醇药物或摄取过多蛋白质时，会引起血中尿素氮暂时上升。而且只有肾功能衰竭到30%以下时，尿素氮水平才会上升。增高 的临床意义：急慢性肾炎，重症肾盂肾炎，各种原因所致的急慢性肾功能障碍， 心衰，休克，烧伤，失水，大量内出血，肾上腺皮质功能减退症，前列腺肥大，慢性尿路梗阻等。
肌fff Creatinine CR：正常值在血衆中为40〜135叫0丨/1,在全血中为88.4〜 159.1畔ol/l。肾功能障碍，代谢废物不能排出体外，以致大量含氮代谢产物及其 他毒性物质在体内蓄积，水电解质代谢及酸碱平衡紊乱，机体内环境的相对稳定 被破坏，由此所引起的自身中毒和产生的综合病征称为肌酐过高（Uremia)。常 表现为氮质血症，血尿素氮和血肌酐显著升高，内生肌酐清除率下降，少尿期血 钾和血磷上升、血钙下降，并伴有胃肠、神经肌肉和心血管系统的症状，如恶心、 呕吐、腹浑、头痛、无力、淡漠、失眠、抽搐、嗜睡以至昏迷等症状。
尿酸Uric Acid UA:正常值：123〜430呷ol/l。健康成人体内尿酸含量约为 1.1克，其中约15%存在于血液中，血液中尿酸经肾小球过滤后，98%〜100%在 近端肾小管重吸收。尿酸是血浆中非蛋白氮重要成分之一，当肾小球滤过功能受 损时，尿酸即潴留于血中。
总胆红素Total bilirubin TB：正常值：3.5〜23.5叫ol/h总胆红素应包括游 离胆红素（Bu)、结合胆红素（Be)及S胆红素（BS),其中结合胆红素（Be) 又分为mBc和dBc。胆红素就是被破坏的老衰红血球所产生出来的废弃物。对 身体并没有用处，但一定要从身体中排泄出去。当肝细胞或胆道有伤害时，处理 能力就会降低，而其伤害的影响度就会表现在血清中的胆红素的浓度。因此可以
由测定血清胆红素的浓度，而了解肝细胞或胆道的受伤或阻塞程度。
谷草转気酶 Serum glutamic oxalacetic transaminase SGOT；谷氣酸•草酸乙酸 转胺酶，简称谷草转胺酶，缩写为GOT,由于化验时用血清进行检查，通常缩 写为SGOT。正常值：0〜40叫lol/l。
谷丙转氣酶Serum glutamic pyruvic transaminase SGPT；谷氨酸-丙酮酸转胺 酶，简称谷丙转胺酶，缩写为GPT，由于化验时用血清进行检查，通常缩写为 SGPT。正常值：0〜40呷01/1。增高的临床意义：急慢性肝病，胆道感染，胆石 症，急性胰腺炎，急性心肌梗塞，心肌炎，心衰，肺梗塞，流脑等。儿童，寒冷， 过度劳累，剧烈运动，溶血反应亦可升高。
氨基酸氮：正常值：血装中4〜6mg/dl,血球中6,5〜9,6mg/d丨。饭后大量氨 基酸被吸收，血中氨基酸水平暂时升髙，经过6〜7小时后，含量又恢复正常。 说明体内氨基酸代谢处于动态平衡，以血液氨基酸为其平衡枢纽，肝脏是血液氨 基酸的重要调节器&因此，食物蛋白质经消化分解为氨基酸后被人体所吸收，抗 体利用这些氨基酸再合成自身的蛋白质。人体对蛋白质的需要实际上是对氨基酸 的需要。
血色素hemoglobin HLB:血氧饱和度检测的重要参数。
其中，血液中葡萄糖、尿素氮、肌酐、胆固醇、甘油三酯、总胆红素、尿酸、 白蛋白、球蛋白及总蛋白等成分是临床上常用、且临床意义明确的成分。表1-1 列出了血液中可测生化成分的正常范围、检测范围以及检测精度。
1.3 血液检测方法
通过检测存在于血液中的各种离子、糖类、脂类、蛋白质以及各种酶、激素和机体的多种代谢产物的含量，叫做血液生化检查。可以为医生提供诊断与治疗依据，并能帮助临床确定病情、监测治疗效果，对于及时判断病程发展，指导诊断和治疗具有重要的临床意义。
血液检测方法主要分为有创检测和无创检测两种方法。
1.3.1 有创检测
目前医疗机构的检验手段是采集患者的血液标本并进行生化分析，属于有创检测。
目前用于临床的血液成份分析方法是生化方法，即从人体采取血样后进行生化检测。这样或多或少给病人造成了身体上的创伤。有些疾病还需要经常进行血液检测，如糖尿病患者需要保持空腹血糖低于140mg/dl (7.8mmol/l),餐后两小时血糖低于180mg/dl (10.0mmol/l)的正常水平，又不低于50mg/dl (2.77mmol/l)。频繁的采血检测会使病人身体上感到不适和不便，心理上产生恐惧感，容易造成一些必要的血液化验被遗漏，对突发病症不能及时采取有效救护措施而发生危险。
有创检测不仅给病人带来痛苦和感染的风险，也会因采集和检测中的时间差导致医生无法及时的做出诊断，同时血液标本本身和试验过程中所使用的试剂还会污染环境。此外，有创检测耗时费钱，不适合血液成分的在体连续监测。
临床上迫切要求实现人体血液多成分无创伤的连续检测,近年来这方面的研究己经成为国际上的热点。
目前临床上广泛应用的血液成分检测方法属于有创检测，取指尖或静脉的血样，应用一次性的试剂通过生化分析仪进行检测。它的缺点是测量手续繁杂，有感染的危险，并且消耗品的费用较高。临床上对这些成分的常规测定方法称为生化分析方法【7～，这种方法需要对从病人身上抽取的血液进行预处理，且对于不同被测成分需使用特定试药等消耗品。
以糖尿病患者为例，每次需要从静脉取血，血量约3--一5ml毫升，利用生化方法进行测量，每测得一个血糖值，必须进行一次采血并消耗一份试药，同时这种测量方法将耗费几个小时，使得糖尿病患者自我实时检测血糖很困难。此方法测量成本高，分析效率低。
其他血液成分，比如血氧、血红素、总蛋白、总脂及总胆固醇等成分的无创测量同样对于预防高血脂症、高血压、贫血等具有重要意义。血液成分无创检测，不仅能够实现血液成分实时、快速、安全、无痛的检测，而且不需要价格不菲的
消耗品，可大大降低测试费用，是一种比较有应用前景的检测技术。
1.3.2 无创检测
血液成分无创检测技术主要包括微波法、近红外光谱法、中远红外光谱法、拉曼光谱法、光声法、光散射系数法等。旋光法、光声法、拉曼光谱法、光散射系数法等到目前为止仍停留在理论研究和离体实验研究阶段，没有成为主流的研究方法。通过对中、近红外光谱无创检测技术方面大量的基础研究和少量的人体实验，研究者一致认为在近红外区域，体液和软组织在这个谱段相对透明，穿透力强。近红外光谱法是最有发展前途的无创检测方法之一。

光是一种理想的无创检测的信息载体，光学检测以其方便、无痛以及原理上高速、高精度、信息多维化等特点，成为最具有应用前景的检测手段。在近年的研究中，血液无创检测的研究多集中在光学方法上。国内发展较快且有效的光学检测方法主要包括荧光法、近红外光谱法和中红外光谱法等等。
动态光谱法为近红外光谱技术应用提供了一个全新的思路，使患者有希望彻底抛弃成本高、易感染的有创检测方法，具有广阔的应用前景。
近红外光谱血液成分无创检测已经成为当前国际生物医疗领域的研究热点。
包括血糖、血氧、蛋白质、脂肪、血红蛋白等成分浓度的无创检测研究。
近红外光谱技术也被用于其他血液成分信息的检测，主要包括全血或血清中
蛋白质、类脂、pH值、尿素等含量的测定，也有检测血液各种成分相关的组织
光学问题及测量条件问题。
从2001年开始，李刚、林凌ll¨dnlll551在天津大学成立了组织光学特性研究小组，进行人体血液中含氧血红蛋白、还原血红蛋白、脂肪和葡萄糖等成分的光吸收特性的专项研究。该项目研究至今先后得到多项国家基金的立项资助。
血液成分无创检测是当前世界性的研究难题，阻碍它发展的因素有很多，其
中就包括测量个体的差异以及一些测量条件的变化。
个体差异是指不同个体或同一个体被测部位生理结构上的差异，及生理状况的时变性，具体包括水合状态、毛发、角质层、表皮、真皮、皮下组织、肌肉、骨骼、颜色、体温、营养状态等；检测条件包括探头压力、检测位置、环境温度、光源光谱的平坦程度等。个体差异的影响涉及到光谱检测的方方面面。概括起来个体差异主要体现在不同个体之间、同一个体不同部位之间和同一部位不同时间对光谱测量的影响。由于这些因素对于吸光度的影响尚无法直接通过测量确定，能否设法消除上述这些个体差异对吸光度测量的影响是近红外光谱法血液成分无创检测能否实施的关键。
为消除个体差异和部分测量条件对测量的影响，李刚教授利用动脉血脉动的生理特点，最早提出了动态光谱检测方法。
在近红外光谱无创检测中，检测中测量部位的不同，检测部位皮肤的厚度，皮肤表面及皮下组织的状况，测量位置的情况等都是影响测量的重要因素。本课题系统地研究了血液成分的动态光谱无创检测方法。该方法测量动脉充盈与动脉收缩时吸光度的变化量，以此来消除测量中由于皮肤组织和肌肉组织影响而产生的差异，得到纯净的动脉血液吸光度光谱。
3.动态光谱
2．2近红外光谱法理论基础
近红外光谱的波长在780---2500nm范围内，主要是含C．H、O．H、N．H等键
基团的化合物在中红外区域基频振动的倍频吸收与合频吸收。含H键基团的有
机物近红外光谱的特征是随着成份含量的变化而变化。因此可以通过光谱特征的
变化推知有机物成分含量的变化。
近红外光谱法的理论基础是比尔．朗伯定律(Beer-Lambert)。
如果某一物质的吸光度与浓度成正比，即符合Beer-Lambert定律。
其中：A。为样品的吸光度；厶与，分别为入射光强度和透射光强度；占以)为
吸收物的吸光系数，它是波长的函数；，为样品的光程长；c为吸收物的浓度。
如果己知占(五)和，，根据实测的彳；，可求浓度c：
当被测样品中含有多种物质，假设仍然满足Beer-Lambert定律，它在某样品
中的组成成分与其光谱之间建立了简单的线性关系。也即利用光谱仪器检测样品
时，在其组成成分的数量或浓度与其所吸收的光能量之间就建立了某种直接的、
线性的关系。其数学表示为：
纠n(锱卜mq(2-3)
其中：岛以)为第i种吸收物在特定波长五处的吸光系数，q为相应吸收物的
浓度。对于给定的某成分，其吸光系数为常数。被测样品中某成分浓度发生变化
就会引起吸收光谱的变化。通过对样品的吸收光谱和各参数进行关联，建立校正
模型，从而能够通过某未知样品的光谱信息和校正模型来预测其组成和性质。但
是，公式(2．3)也必须以下列条件为前提：
①入射辐射为单色辐射(单一波长辐射)；
②吸收过程中各物质相互作用，但各物质的吸光度具有加合性：
③辐射与物质的作用仅限于吸收过程，没有荧光、散射和光化学现象；
④吸收物是一种均匀分步的连续体系。
M．Cope等【1冽的试验表明，光透过高散射介质时，基本的朗伯．比尔方程仍
适用，但公式(2．1)中的光路长Z已经不是简单的检测器到光源的物理距离，光
子从光源到检测器经过多次散射，于是光子实际走过的路径长度比检测器到光源
的物理距离大得多。并在此基础上，提出了微分光路长和平均光路长的概念，给
出了修正的朗伯．比尔方程：
OD=一log(I／Io)=Bpod，+G ．(2-4)
其中B是一个光路长因子，与吸收系数、散射系数以及散射相位有关；dp
是光源到探测器之间的距离；Bdp为光在组织中所走的实际路径长度，定义为平
均光路长<L>：G是一个由散射引起的光损失的因子，与吸收系数无关。定义微
分光路长为霎望，则由公式(2-4)得：
于是考虑组织的散射性质，用平均光路长<I>代替基本朗伯．比尔方程中物理
光路长d，得到修正的朗伯．比尔方程，数学表达式为：
AOD=A／z。<L>
2．3皮肤及皮下组织特性
皮肤是人体最大的器官，占人体体重的4％～6％，成人皮肤的面积为1．2～
2．0m2。在全身各部位的皮肤厚度不同，一般厚度为0．5"--'4．Omm。最薄处为上眼
睑，最厚处为背部正中线、手掌和足底。
按解剖学定义，人体皮肤可分为三层：角质层、表皮层和真皮层。这三层紧
密相连，厚度随不同身体部位而不同。皮肤的最外层是角质层，由脱水细胞组成
的柔软、无生命的保护层。角质层的下面是无血管但有生命的表皮层。表皮层起
源于外胚层，是皮肤表层的上皮细胞。由角脘细胞、树枝状细胞及迈克尔细胞组
成。表皮中没有血管，分为角质层、透明层、颗粒层、棘状层和基底层。基底细
胞中存在细短成束的张力细丝，是形成角蛋白的前身。基底细胞具有活跃的分裂
能力，是表皮各层细胞的发源地。表皮层中含有蛋白质、类脂化合物以及赋予皮
肤各种特征颜色的色素细胞。由于色素强烈吸收可见光，所以角质层和表皮层的
反射光被认为是不重要的。
真皮层是由结缔组织、毛囊、汗腺、神经末梢、脂肪细胞和丰富的毛细血管
系统组成。真皮又可分为浅在的乳头层和深在的网状层。乳头层主要由乳头体和
网状胶原纤维组成：而网状层主要由胶原纤维构成网状纤维结构。真皮层中的毛
细血管形成垂直回路，长度大约是0．2～0．4mm，它们从微动脉血管中接受血液，
而这些微动脉在真皮下部形成与皮肤表面平行的网络系统。小动脉提供血液给这
些微动脉，同时又从位于皮下组织深处的较大动脉中接收血液。皮肤中的血液就
是这样从位于真皮中上部的微静脉流回，并通过皮下组织中的较大静脉汇总，最
终再流回心脏。在手掌、耳垂及面部等部位都很容易找到由神经纤维的动静脉吻
合。这些起分流装置作用的动静脉吻合使得通过皮肤的血液有规则地流动。
皮肤的下面是皮下组织层，皮肤通过皮下组织和深层组织相连，皮下组织由
疏松的结缔组织和脂肪组织构成，使体表的浅筋膜与深筋膜或骨膜结合起来，皮
下组织中含有皮下血管，神经主干、神经末梢、毛囊及皮脂腺等。肌肉层连接着
皮下脂肪和骨骼。人体皮肤结构见图2．2。

人体不同部位的皮肤结构有很大差异。
1981年Anderson等人对皮肤的光学性质进行了系统的研究，认为皮肤的各
层结构中各有不同的光学性质。当光照射人体时，在组织内部传导的光不仅仅被
其中的吸收物吸收，而且还被细胞和各种小器官强有力的散射。大多数人体组织
为混浊介质，属于不均匀性的散射系统，吸收与散射同时存在，且散射远远大于
吸收。一般的，入射光进八人体后，--d'部分光仍沿直线传播，这部分光子被称
为弹道光子；另一小部分光与直线传播稍有偏折，被称为蛇形光子：而大部分光
子由于散射的作用远远偏离直线方向，这部分光子行进的路程远大于介质层厚
度，被称为漫射光于。在皮肤的三层结构中，真皮层是吸收和反射光波的主要部
分。光的穿透深度主要由真皮层中骨胶原产生的散射光决定，而血小板、氧合血
红蛋白和胆红素则是真皮层中可见光的主要吸收者。
2．5脉搏血氧计原理
血氧饱和度(Sa02)是衡量人体血液携带氧的能力的重要参数，临床上用血
氧饱和度及时了解患者体内的血氧含量。脉博血氧测量方法最早由Brinkman和
Zijlstra提出【1241。传统的Sa02测量方法是首先进行人体采血，然后利用血气分析
仪进行电化学分析，测出血氧分压(P02)，进而推算出Sa02。而近几十年来．随
着光电子技术的日趋成熟，可采用检测血液对光吸收量的变化，测量氧合血红蛋
白(m02)占全部血红蛋白(Hb)的百分比，从而直接求得Sa02。
血液中的氧分子绝大部分都可与红细胞中的Hb作可逆性结合，很少一部分
溶解在血浆中。Hb是以Hb02和还原血红蛋白(HbR)两种成份混和存在的。当
传输光透射过某种溶液时，其光吸收特性遵从Lambert—beer定律，可描述为：
其中：如、J分别为入射光强度和透射光强度，c、E、矽分别为物质的浓度、
吸光系数和吸光度，上为光路长。在某一波长光九1处，公式(2．7)对于血液可
写为：
其中；口J、a2为Hb02和Hb在波长九1处的吸光系数，C，、c分别为Hb02和
总m的浓度。而Sa02的定义为血中Hb02浓度c，与总Hb浓度c之比，即1。
C
因此，从公式(2．8)可以推得：
由公式(2-9)可见，当使用单一波长光k测量时，
c及光程长L。假如再采用另一路波长光X2同时测量时，
Sa02依赖于总Fib浓度
其中：乃、-，分别为池光入射强度和透射强度，b，、b2为九l和Hb对池波长
光的吸光系数。由公式(2．9)、公式(2．10)可以消去总Hb浓度C和总光程长
三得到
当波长九1选为Hb和九1吸光系数曲线交点(805rim)附近时，即al=a2≈a时，
公式(2．1 1)变为
其中么、B为常数。公式(2．12)说明：当一波长选为曲线交点附近时，Sa02
可以从血液溶液在两个波长点的吸光度比率求得。这样Sa02不依赖于总舶浓
度C和光程长厶这就是Sa02测定的基本原理。
由于人体动脉的搏动能够造成测试部位血液容量的波动，从而引起光吸收量
的变化，而非血液组织(皮肤、肌肉、骨肪等)的光吸收量是恒定不变的。脉搏
式Sa02测量技术就是利用这个特点，通过检测血液容量波动引起的光吸收量变
化，消除非血液组织的影响，求得Sa02。该方法不必压迫组织，造成组织无血
状态，使得测量简单易行。测试部位的吸光度构成状况可用图2．5表示。
假设光在测试部位的传输遵循Lambert．beer定律，由散射、反射等因素造成
的光衰减忽略不计，则透射光强为：
，其中：E、C、L分别为动脉血液的吸光系数、浓度和光程长；E’、C’、L’分别为静脉血液的吸光系数、浓度和光程长；IoF为非血液组织透射光强。
非血液组织和静脉血液的吸光量为常量，光在穿过非血液组织及静脉血液
后，未穿过动脉血液前的强度为：
r=JoFl0一Ft乜。
则动脉血液的吸光度为：
’∥一lg专一砒(2-13)
OD
l '
图2．5检测部位血液及组织光吸收情况示意图
先，
当动脉血液厚度L增加△L，透过光量I则会减少△I，这样根据公式(2．13)，
动脉血液吸光度W的变化部分AW可表示如下：
AW=lll(竽)一ln啪=一E龇
当采用九1、地两路波长光同时测定时j则有：
Q=盟：生(2．14)
。△％l El
其中：△wxl、△毗分别为血液对九1及尥波长光的吸光度变化量；E1、E2
分别为血液对九l及地波长光的吸光系数。
若将动脉血中非搏动部分吸收光强与静脉血及组织吸收光强合并为不随搏
动和时间而改变的光强度(DC)；而随着动脉压力波的变化而改变的定义为搏动
性动脉血吸收的光强度(AC)。这样就可计算出在两个波长中的光吸收比率
。
将公式(2．15)结果代入公式(2．12)即可求出Sa02。
2．6动态光谱法
在近红外光谱检测法所面临的诸多问题中，个体差异和测量条件对光谱测量
的影响【l埔】，是近红外光谱无创检测血液成分的一个技术难题。因为个体差异给
光谱检测结果带来了极大的影响。因此，需要抑制和克服个体差异对检测光谱的
影响。
本节在动脉血氧计原理基础上展开研究，从两种成分拓展到多种成分，从点
到面，进一步提出了动态光谱法。该方法可以有效消除个体差异和测量条件对血
液成分测量的影响。
2．6．1脉搏波吸光度构成
动脉脉动特征的存在使得血管中的血流量呈周期性的变化。在正常生理情况
下，毛细血管和静脉不搏动，只有小动脉搏动。同时，由于血液为高散射、强吸
收的液体，近红外光在血液中的吸收率比在一般组织中的吸收率要大几十倍，所
以用近红外光透射法得到的吸光度变化主要反映动脉血液容积变化。所以，利用
近红外光作为光源，利用光接收器检测透射的光强，就可以获得反映动脉血吸光
度变化情况的光电脉搏波，见图2．5。
光电脉搏波是由指端组织的吸收及散射贡献，其主要成分包括三部分：
1．基本稳定的直流分量。它由动脉血非动脉部分、静脉血、指端组织吸收
及散射贡献。
2．周期变化的交流分量。它与心率同步，与动脉血容积相关，主要反映了
脉动的动脉血的吸收。交流分量幅值一般为直流分量的0．5"--'2％，且叠加在直流分量上。
3．背景光贡献分量。这是遮光不严密或者光电转换器件本身性能(如暗电
流)对光电脉搏波的贡献，没有任何的生理意义。可以在发光管没有发光时由光
转换器产生的电压测得。
2．6．2动态光谱定义
所谓“动态光谱"是指各个单波长对应的单个光电脉搏波周期上吸光度的最
大值与最小值的差值AOD构成的光谱。AOD反映了不同波长下由动脉血容积变
化引起的吸光度的变化。
在动脉血管充盈度最低时，来自光源的入射光没有受到脉动动脉血流的作
用，此时的出射光强k最强，可视为脉动动脉血液的入射光lo；而动脉血管充
盈度最高状态的光电脉搏波谷点，即脉动动脉血液作用最大的时刻，此时的出射
光强，曲最弱，为脉动动脉血液的最小出射光强I。根据修正的Beer-Lambert定律【126]得：
公式(2—16)就为动态光谱法的数学表示式。其中A为脉动动脉血液吸光度，
d为最大充盈状态下脉动动脉血液的平均光路差。动态光谱法通过记录动脉充盈
至最大与动脉收缩至最小时的吸光度值，就可以消除皮肤组织、皮下组织等一切
具有恒定吸收特点的人体成分对于吸光度的影响。
2．6．3动态光谱法理论推导
Beer-Lambert定律原则上仅用于均匀、无散射介质。但实际上生物组织是一
个很强的光散射体，光在组织中经过无数次散射才能从光源到达检测器，实际光
路常远大于光源到接收器的距离【1271。1988年Delay D．T等提出了修正的
Beer-Lambert定律，给出了微分光路长和平均光路长的概念。考虑生物组织的散
射性质，用平均光路长代替基本Beer-Lambert中的物理光路长，并给出修正的
Beer-Lambert方程。’
设厶、L分别为入射光强和出射光强，占为分子消光系数，c为待测成分
浓度，，为光在组织的平均光路长，G是由散射引起的光能损失，则吸光度OD
可表示为：
，加设组织的吸收系数为／zo，则儿=留。代入公式(2—17)可得：
OD=-2．303p。，+G (2—18)
，l
在近红外光透射检测中，吸光度由血液和其它被透射组织吸收与散射构成，
其中血液中散射相对较小，可忽略不计。设被透射组织共有n层，第f层组织的
吸收系数为‰，平均光路长为乙，动脉血的吸收系数为／．t曲，一个光电脉搏波周
期上动脉充盈时的最大光程长为7眦，动脉收缩时的最小光程长为Z曲，则动脉
充盈时的吸光度OD。和动脉收缩时的吸光度OD2 n-n-1分别表示为：
设L为k与k之差，由于不考虑血液的散射影响，L不会因为波长变化而
发生变化。则动脉充盈时的吸光度和动脉收缩时的吸光度之差为：
AOD=ODl一OD2=-2．3039曲(k。一l,m)=-2．3031t口6L (2—21)
在上面的推导过程中，非脉动血液和各层组织的吸收和散射的吸光度分量都
被消除掉了，动脉充盈时和动脉收缩时的吸光度的差值AOD仅由动脉血的脉动
吸收部分贡献，主要反映脉动的动脉血的吸收变化。在本质上相当于在被透射组
织中，皮肤、骨骼、肌肉等除脉动动脉血液外的其它组织都被去除了，只留下脉
动动脉血部分用来进行吸光度差值AOD的测量。这样一来，皮肤、骨骼、肌肉
等个体差异的影响都被去除了。根据动态光谱定义，各个单波长对应的单个光电
脉搏波周期上吸光度的最大值与最小值的差值AOD构成的光谱就是动态光谱。
显然，在动态光谱中，个体差异的影响已经被去除。
设动态光谱法血液成分检测使用了m个波长，血液中含有n种成分。其中
第．，种血液成分浓度为c，，在第i个单波长下测得的第．，种血液成分的分子消光
系数为s∥则在第i个单波长下测得的第．，种血液成分对应的吸光度差值为：
AOD口．=-2．303(／．t曲)“L=-2．303％c：L (2-22)
根据本节的定义，m个以种血液成分的吸光度的差值与相应的波长构成的谱
图就是动态光谱。设输入的光能量为k，吸光度最大点和透射能量最小点为j痂。，
吸光度最小点和透射能量最大点，一。参考公式(2-22)可知，第f个单波长下
测得的第．，种血液成分对应的吸光度差值也可以表示为：
， ， 比较公式(2．22)和公式(2．23)可得：
对测得的光电脉搏波取对数，找到所有脉搏波的峰峰值，即得到公式(2．24)
中的logk—logk，也就是△吗。血液中各成分分子消光系数白和动态光谱
的吸光度△吗为已知，_，中血液成分的浓度c，和平均光路长三为未知量。可建
立包含未知量cJ和三的刀+1个未知量的吸光度方程组，即可得到血液各种成分的
浓度cl，c2，．．．，cⅣ。
人体内各种化学成分的变化真实地反映了人体新陈代谢的情况，及时检测这
些化学成分含量尤为重要。血液成分近红外光谱法无创检测是医学检测领域国际
上尚未攻克的前沿课题之一，但由于受多种因素的影响，如信噪比低、个体差异、
波长偏差等，近红外光谱检测精度受到很多限制。
研究表明，个体差异是影响血液成份无创检测结果的非常重要的因素，能否
成功去除是近红外光谱无创检测血液成分能否成功实施的关键。由于个体差异及
温度、压力等测量条件对光谱测量的影响尚在探索中，目前除了脉搏血氧计外，
尚未有近红外血液成分无创检测仪器进入临床实用的报道。
血液成分无创检测对改进现代检验医学和提高人民生活质量有着重要意义。近红外透射光谱法作为最有可能实现血液成分无创检测的技术手段之一，已得到国内外研究者的高度重视。

动态光谱法血液成分无创检测若干关键技术研究
人体血液中各成分的含量是反映人体健康的关键性指标。血液成分检测是现代医学检验中必不可少的重要环节。目前，临床上广泛采用的血液成分检测方式为抽取人体血液样本，通过生化分析设备进行检测。近三十年来，随着工业制造、光学和计算机技术的发展，大量科研人员将精力投入了血液成分无创检测技术的研发当中。血液成分无创检测的实现，不仅将减低有创采血的痛苦，提升人民的生活质量，也会大幅度的降低临床生化检验成本，减少生化试剂对环境的污染。
1.1 无创血液成分检测的背景和意义 无创血液成分检测的背景和意义 无创血液成分检测的背景和意义 无创血液成分检测的背景和意义 无创血液成分检测的背景和意义
人体血液中至少含有4000种不同成分，一个健康成年人的全身血量大约是其体重的7 %~8 %。目前在大型医院的血液化验可以检测超过2000种血液指标，常规的化验项目也有约几十种[1]。血液成分的含量，可以反映被检测者在一定时期内的身体状况。医务人员通过血液成分含量的变化可以在被测者无任何明显患病体征或仅轻微感受不适时，预先发现一些隐藏疾病[2]，因此血液成分检测一直以来是病情诊断和常规体检必不可少的一个环节。
每种血液成分都有其特定的生理意义和临床意义。血红蛋白（Hemoglobin，Hb）是一种在人体中负责运载氧和二氧化碳的蛋白质，维持血液酸碱平衡。当其病理性偏低时往往是因造血功能衰竭、造血物质缺乏和失血所致，据统计截止2008年全球约有20亿各类贫血症患者，约占全球人数的三分之一[3, 4]。当血红蛋白病理性偏高时，常见于大面积烧伤、严重腹泻、甲状腺功能亢进、血管畸形和心肺疾病等疾病。血糖（Glucose，Glu）是指血液中的葡萄糖，是体内细胞活动的主要能量来源。血液中血糖的含量需要保持在一定范围才能维持体内组织和器官的正常工作。长期的低血糖会引起人体记忆力减退、反应迟钝、痴呆、昏迷，甚至引发脑血管意外和心肌梗塞；当血糖含量长期高于正常值时，会引起患者微血管和大血管病变，会使患者眼、心脏、肾、血管、神经等组织发生慢性损害和功能障碍。糖尿病就是一种以高血糖为特征的严重代谢性疾病。国际糖尿病联盟(International Diabetes Federation，简称IDF)的统计数据称在2010年全球约有2.85亿糖尿病患者，2030年全球预计将有3.66亿人患糖尿病[5]。胆固醇（Cholesterol,Chol）是脂肪在血液中存在的一种方式，是合成肾上腺皮质激素、
胆汁酸、性激素及维生素D等生理活性物质的重要原料，其含量可作为脂类代谢的指标。当发生病理性胆固醇偏低时，往往是由于肝功能损伤，使得肝脏对胆固醇的合成能力减弱，也可能是由肺结核、败血症和甲状腺功能亢进等其他疾病引起；胆固醇长期偏高往往是诊断脂肪肝、高血脂症、动脉粥样硬化、高血压和糖尿病的参考标准。脂肪肝正严重威胁国人健康，已成为仅次于病毒性肝炎的第二大肝病，也是公认的隐蔽性肝硬化的罪魁祸首。有规律或经常性地检测血红蛋白、血糖、胆固醇等指标的水平是最有效的预防和治疗这些疾病的方法，对于及时判断病程发展，指导诊断和治疗具有重要的临床意义。如对手术中的病人进行血红蛋白的检测，以观察其失血状况；糖尿病患者一日应多次检测其血糖含量变化，以指导饮食或胰岛素的介入治疗；对有脂肪肝隐患的人群进行定期的总胆固醇、甘油三酯的检测，以实现早期诊断。
目前临床的检验手段是采集患者的血液标本并进行生化分析，属于有创检测。有创检测不仅给患者带来痛苦，不适于频繁定期的检测，更无法实现实时的血液成分变化监测；又由于采集器械与人体内血液直接接触，过程中有着很大的感染风险，而且检测所用的检测试剂和血液都会成为医用垃圾对环境带来污染。此外，生化检验的设备和耗材价格昂贵，是医疗费用的重要组成部分，亚太地区每年花费在与血红蛋白检测相关的设备和耗材方面的费用约为5亿美元。现有临床使用的生化检测方法并不适用于一些要求快速、频繁检测血液成分的情况，如输血过程中的血红蛋白浓度检测、孕妇的糖筛测试。在血液样本从采集到送往实验室检验这一过程中不仅需要花费较长时间，而且过程中一些血液成分含量可能会发生变化，严重影响了医生对病情及时、正确的诊断，甚至可能错过最佳治疗时间。
结合世界医疗服务的发展形势，有效、快速、低成本和绿色的血液成分检测方式已经成为国家、医院和患者共同的迫切需求。无创血液成分检测具有安全、快速、低成本和无污染等特点，早已引起科研工作者和社会大众的极大关注。尤其是在目前医疗体制改革的大环境下，无创检测无疑具有重要的社会效益和经济价值。然而到目前为止，仅有血氧、血红蛋白两项指标在临床上实现了无创检测[6, 7]，其余血液参数尚没有通过FDA认证的可用于临床无创