李國軍，唐 飛，王曉浩，李曙哲，楊 濤

(1.西南科技大學 信息工程學院，四川 綿陽621010;2.清華大學 精密儀器與機械學系 精密測試技術及儀器國家重點實驗室，北京100084)

0 引 言

血紅蛋白是血液當中運輸氧氣和二氧化碳的載體。人體內血紅蛋白的含量是確定貧血的可靠指標［1］。現(xiàn)在臨床血紅蛋白濃度檢測方法多為有創(chuàng)檢測，需要對患者采血，不僅麻煩，耗材，給病人帶來痛苦，而且不能進行實時連續(xù)監(jiān)測。因此，無創(chuàng)血紅蛋白檢測方法的研究具有很高的臨床應用價值。

近紅外光譜用于人體分析最大優(yōu)點是不需要做任何樣品處理準備，對人身體無任何損傷。在近紅外區(qū)域，體液和軟組織相對透明，穿透力強，是較為理想的檢測光譜段。通過分析人體的近紅外反射或透射光譜，可實現(xiàn)對血紅蛋白濃度絕對值的檢測。

近紅外方法測量血紅蛋白的研究經過30 多年的發(fā)展，離體測量已經比較準確，而在體測量結果的精度卻不能令人滿意。有很多方面的原因，其中，個體差異和測量條件是影響光譜測量結果的突出技術問題。絕大部分研究者利用2 個波長［2，3］，涵蓋信息不足，且運用仿真方法估計光程值，存在較大的誤差，有些采用多波長也只是進行離體測試。本文采用多個波長，涵蓋足夠的血紅蛋白信息，且提出運用模糊建模方法得到光程值，一定程度上減小散射帶來的影響，并運用到活體測量。

本文所設計的血紅蛋白檢測儀采用食指第一節(jié)處作為測量部位，選定 660，730，805 nm 和 940 nm 的近紅外光為檢測波長，測量其透射光譜，利用修正的Lambert－Beer定律，可以實現(xiàn)人體血紅蛋白濃度的絕對量估算［4～6］。對28 名志愿者進行在體測量，取得了較好的測試結果。

1 檢測原理

根據(jù)修正的Lambert－Beer 定律，對于人體生物組織中含有多種成分有

其中，G 為背景吸收、散射引起的衰減，且

按照以下步驟就可以計算出血紅蛋白的濃度:

1)準確地得到每個波長的入射光強度I0與透過手指的出射光強度I;

2)準確得到每個波長處的消光系數(shù);

3)測得光程d;

4)根據(jù)公式(4)建立幾個聯(lián)合方程式，如式(2)～式(6);

5)根據(jù)以上方程組解得CHb，CHbO2的值。

1.1 測量部位選擇

如圖1 所示［7］，指端部位皮膚厚度小，其他組織成分干擾少，具有高的信噪比，提取信號簡單，可滿足血紅蛋白濃度的檢測要求，因此，選擇手指食指作為檢測部位［8］。

圖1 手指組織血管Fig 1 Blood vessels of finger tissue

1.2 測量波長選擇

采用多波長法計算出血紅蛋白濃度。該方法假設組織吸收光的程度只受氧、血紅蛋白和還原血紅蛋白的影響，在選擇波長的時候盡量地選擇這2 種成分吸光較強而其他成分吸光很弱的波段［9］，以避免其他成分的干擾，提高血紅蛋白成分吸收信號的信噪比。

從圖2 血紅蛋白的吸收曲線可以看出:血紅蛋白在660～1 000 nm 之間具有很好的吸光特性，選擇 660，730，805 nm和940 nm 4 個波長是比較理想的組合。

2 檢測系統(tǒng)硬件設計

血紅蛋白測量儀的硬件組成結構如圖3 所示，主要有信號采集部分和數(shù)據(jù)及顯示部分組成。信號采集部分主要包含光源，光電二極管，I/V 轉換放大電路與A/D 轉換電路幾部分。數(shù)據(jù)處理與顯示部分主要是基于TMS320F2812DSP平臺。該芯片為TI 公司的16 位處理器，最高主頻150 MHz，自帶16 通道的12A/D 轉換器，外擴SDRAM，SD 卡存儲部分和LCD 等，共同組成了數(shù)據(jù)采集和顯示模塊。

圖2 血紅蛋白吸收光譜特性Fig 2 Absorption spectrum feature of hemoglobin

圖3 血紅蛋白檢測儀系統(tǒng)框圖Fig 3 Block diagram of hemoglobin detector system

2.1 信號發(fā)射接收部分

無創(chuàng)血紅蛋白信號發(fā)射與接收是通過探頭實現(xiàn)的，探頭如圖4 所示，探頭中含有1 只集成4 個波長(660，730，805，940 nm)的發(fā)光二極管、1 個光電接收器。由TMS320F2812DSP 產生時序控制LED 交替發(fā)光，照射手指，接收器接收透過手指的透射光，并將光信號轉換為電流信號。接收器的接收范圍為400～1 100 nm。4 個波長均處于接收器轉換效率線性度很好的波段，可以很好地提高檢測裝置的靈敏度。

圖4 探頭部分Fig 4 Probe part

2.2 前置放大與A/D 轉換部分

前置放大電路的作用是將光電接收器接收的光電流信號轉換成與透射光強呈正比的電壓信號，這里選取ADI 公司出品的 AD820，通過確定 R1，R2，C1，C2，C3 的值，使得電路具有較好的穩(wěn)定性和較高的信噪比，實際電路如圖5 所示。該電路能實現(xiàn)電流到電壓的精確轉換。

模數(shù)轉換部分采用TMS320F2812 芯片自帶的12 位A/D 轉換器。

圖5 前置放大電路Fig 5 Preamplifier circuit

2.3 數(shù)據(jù)處理、顯示與存儲部分

該部分以TI 公司的TMS320F2812 為控制芯片，完成數(shù)據(jù)的處理、顯示及存儲。片上有128 k 的 flash，外擴1 片256 k的 SDRAM，使用的芯片為 IS61LV25616-BGA。LCD 顯示屏型號為MZLH08-12864。SD 卡模塊電路如圖6 所示。

圖6 SD 卡接口電路Fig 6 SD card interface circuit

3 系統(tǒng)軟件設計

軟件部分主要有驅動程序和應用程序兩大部分構成。

1)驅動程序部分

驅動程序主要有SD 卡模塊、LCD 模塊和鍵盤模塊。SD 卡存儲部分采用SPI 通訊方式進行存儲。

2)應用程序部分

血紅蛋白濃度測量的程序流程如圖7 所示，應用程序主要包括:硬件初始化和系統(tǒng)自檢、4 路LED 光源的時序控制、增益程序控制、A/D 采樣和數(shù)據(jù)的濾波、血紅蛋白濃度的計算、液晶顯示幾大部分。

4 實驗方法

4.1 實驗對象

為了檢驗所設計的無創(chuàng)血紅蛋白濃度測試儀有效性，在北京市海淀醫(yī)院用該儀器與對28 名受試者進行了血紅蛋白濃度的測量，其中，男15 人，女13 人。

第一組樣本，對27 名實驗者進行測試，由于血紅蛋白值在沒有大量出血或者體液為大量流失情況下不會變，所以，每人進行一次抽血，采集4 次光譜數(shù)據(jù)，共計108 組數(shù)據(jù)，測試結果如表1 所示，處理后每人只記錄4 次中的1 次數(shù)據(jù)。第二組樣本，對1 名志愿者連續(xù)采集4 組數(shù)據(jù)，從早上 8 點到中午 11 點每 1 h 測量 1 次，如表 2。

圖7 系統(tǒng)主程序流程圖Fig 7 Flow chart of main program of system

表1 27 名受試者測量結果Tab 1 Measurement results of 27 volunteers

表2 1 名受試者測量結果Tab 2 Measurement results of one volunteer

4.2 標準對照值的測量

用無創(chuàng)血紅蛋白檢測儀采集完一組數(shù)據(jù)后，立即用有創(chuàng)的方法得到真實的血紅蛋白濃度值。具體操作過程由醫(yī)院醫(yī)生完成，結果可靠性高。

5 實驗結果

圖8 描述了27 名受試者108 組測量值與真實值之間的相關性。血紅蛋白濃度在90～170 g/L 范圍內，相關系數(shù)為0.6646，說明2 者具有一定的相關性，血紅蛋白檢測儀在一定程度上能夠準確反映血紅蛋白濃度結果，但并不是很理想，而且絕對誤差比較大。

圖9 說明該儀器對單一個體的相關系數(shù)為0.964。

6 結束語

圖8 27 名受試者血紅蛋白濃度計算值與真實值的相關性Fig 8 Correlation between calculated values and true values of 27 volunteers'hemoglobin concentration

圖9 一名受試者血紅蛋白濃度計算值與真實值相關性Fig 9 Correlation between calculated values and true values of one volunteers'hemoglobin concentration

基于TMS320F2812 的血紅蛋白檢測儀在測量方法上已經給出了初步實驗驗證，對多人測量相關系數(shù)為0.664 6，對單人測量的相關系數(shù)達到0.964，結果具有一定的科研價值。但如果將來應用于臨床，還需要做進一步改進。

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