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关键词：
鲟鱼,鲨鱼,硫酸软骨素,红外光谱
发表时间：
2011-12-22 11:33:09
血液可见吸收光谱与血氧参数神经网络估算法
徐庆华 | -> | 1032| 0| 0.498336MB |可见吸收光谱,血氧饱和度,血红蛋白浓度,人工神经网络,脑组织
摘 要 总血红蛋白浓度和血氧饱和度是两个基本的血氧参数。文章提出了利用内置双光纤微创探头在位测量大鼠脑组织血氧参数的新方法。首先, 利用悬乳液( Intr alipid) 和全血配置不同总血红蛋白浓度的混合溶液, 模拟生物组织模型, 用光纤光谱仪测试系统测量组织模型在加氧和去氧时的实时吸收光谱, 同时用血氧分析仪( OXI meter) 对血氧参数定标, 建立测试光谱和定标数据样本集。然后, 利用人工神经网络建立血液吸收光谱与血氧参数的神经网络模型, 训练后的网络模型能根据吸收光谱输出生物组织的血氧参数值, 总血红蛋白浓度和血氧饱和度的平均输出误差分别为 4 mo l L- 1 和 5%。最后, 利用神经网络模型对大鼠脑组织血氧参数进行了在位测试实验, 测得脑灰质的血氧饱和度为0 60~ 0 70, 脑白质血氧饱和度为0 45~ 0 55; 总血红蛋白浓度在脑皮层( 深度1 mm) 附近最高, 平均110 mo l L- 1 , 其余深度脑组织的总血红蛋白浓度为70~ 90 mol L- 1 。这种方法对脑外科微创手术中实时在位测试脑组织血氧参数具有重要的参考意义。
血液对人体的重要性不言而喻, 衡量其性能的常用指标就是血氧参数, 包括总血红蛋白浓度( total hemog lo bin concentration, TH C) 和血氧饱和度( hemo globin o xy gen sat ur at ion, SO2 ) 这两个基本参数。TH C 通常定义为100 mL 血液中所含的血红蛋白的分子量, 基本单位为mol L- 1 ; SO2 通常定义为100 mL 血液中血红蛋白与氧结合达到饱和程度的百分数。作为最基本的血氧参数, TH C 的高低可以反映造血功能正常与否, SO2 则是反映组织供氧和耗氧的重要指标。在400~ 900 nm 波段, 水对光的吸收很微弱, 其吸收系数范围为0 000 3~ 0 003 cm- 1 [1, 2] , 而氧合血红蛋白( Ox yhemo globin, H bO2 ) 和还原血红蛋白( Deo xyhemo globin,Hb) 这两种吸光色团的摩尔消光系数分别在272~ 68 000cm- 1/ ( mo l L- 1 ) 和372 ~ 58 000 cm- 1 / ( mol L- 1 ) 之间[3, 4] , 以正常组织TH C 为100 mo l L- 1 [57] 为例换算它们的吸收系数, 其范围分别为0 06~ 15 66 cm- 1 和0 09~13 36 cm- 1 , 比水的吸收系数大数十至数百倍, 因此虽然水在组织内的占比很高, 但在这个波段, 组织对光的吸收主要由组织内氧合血红蛋白和还原血红蛋白的浓度决定, 而二者浓度之和近似于TH C, 前者与TH C 的百分比又等价于SO2, 因此, 通过400~ 900 nm 波段生物组织对光的吸收情况来间接求解TH C 和SO2 是可行的。
目前, 在求解上述血氧参数时普遍选择700~ 900 nm 的近红外波段, 原因在于该波段对生物组织具有良好的穿透性, 测量时可以做到无创, 但传感器和皮肤之间潮湿的空间以及传感器放置的位置等因素会使测量的精度下降, 尤其是在脑外科手术中监测脑组织血氧情况时, 除了受上述因素的影响, 在颅骨瓣切开之后有瓣下血肿或者硬膜下有空气等都会对测量产生巨大影响[8, 9] 。此外, 根据光子传播的! 香蕉∀路径原理[ 10] , 当光源与探测器的距离固定以后, 其所监测组织的深度就相对固定, 且由于皮肤、颅骨等外层组织对光的衰减, 光的穿透深度有限。
为避免上述因素对测量的影响, 在手术本身已对病人微创的前提下, 本文设计了以双光纤微创探头为在位测量工具、以可见光为载体的可见光区吸收光谱与BP 神经网络相结合估算脑组织TH C 和SO2 的新方法。这里选用可见光的原因是: 在近红外光区组织的吸收系数远小于散射系数, 而在可见光区, 两者处于同一数量级, 因此血液在可见光区的吸收光谱能反映更多的吸收信息[ 11] 。研究结果将有助于微创脑外科手术中不同深度脑组织血氧参数监测的研究, 还可扩展到体内组织血氧参数的监测。
目前, 在求解上述血氧参数时普遍选择700~ 900 nm 的近红外波段, 原因在于该波段对生物组织具有良好的穿透性, 测量时可以做到无创, 但传感器和皮肤之间潮湿的空间以及传感器放置的位置等因素会使测量的精度下降, 尤其是在脑外科手术中监测脑组织血氧情况时, 除了受上述因素的影响, 在颅骨瓣切开之后有瓣下血肿或者硬膜下有空气等都会对测量产生巨大影响[8, 9] 。此外, 根据光子传播的! 香蕉∀路径原理[ 10] , 当光源与探测器的距离固定以后, 其所监测组织的深度就相对固定, 且由于皮肤、颅骨等外层组织对光的衰减, 光的穿透深度有限。
为避免上述因素对测量的影响, 在手术本身已对病人微创的前提下, 本文设计了以双光纤微创探头为在位测量工具、以可见光为载体的可见光区吸收光谱与BP 神经网络相结合估算脑组织TH C 和SO2 的新方法。这里选用可见光的原因是: 在近红外光区组织的吸收系数远小于散射系数, 而在可见光区, 两者处于同一数量级, 因此血液在可见光区的吸收光谱能反映更多的吸收信息[ 11] 。研究结果将有助于微创脑外科手术中不同深度脑组织血氧参数监测的研究, 还可扩展到体内组织血氧参数的监测。
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