一种无损测量血袋内游离血红蛋白含量的方法与流程

文档序号：12961829阅读：214来源：国知局

本发明涉及光谱血液浓度分析化学计量领域，尤其涉及一种无损测量血袋内游离血红蛋白含量的方法。

背景技术：

现有技术中，较为成熟的技术是通过化学检验来检测血袋中游离血红蛋白的含量，具有准确性高的突出优点，但化学检验的方式无法满足快速、非接触、以及无污染的需求，光谱测量由于其非接触、无污染的特性也有可能实现血袋内游离血红蛋白的含量检测。

在光谱检测中，根据朗伯-比尔定律：分别测量各个波长的入射光强i0和出射光强i，通过公式(1)计算各个波长的吸光度a。∈为物质在某一波长下吸光系数，c为物质的浓度，b为光程长度。

实际上，由于种种原因未能测量入射光强i0，例如：入射光强i0太强而难以测量，但如果在入射光强i0基本稳定不变的情况下，只测量出射光强i也可以得到不错的结果。然而光谱检测受到光谱背景噪声、光源变化的影响以及测量容器的影响难以达到测量需要的精度。

光源的影响主要表现为光谱分布和光强的变化。导致光源变化的原因有很多，如光源电压变化、灯丝老化，环境温度变化等。在光谱分析中，鲜有文献介绍光源对测量精度的影响，以及减小光源强度变化对测量精度影响的方法。在早前的研究中，用定标的方式来消除一些干扰，如用水来定标，但是由于光强过强，实际中难以操作。也有很多学者利用中性衰减片或光纤分光方式测量入射光强i0。以中性衰减片为例(下面的讨论除非特别说明，均在某个波长上讨论)，测量通过中性衰减片的出射光强iⁿ，则光源的光强i0ⁿ可以用吸光度a和出射光强iⁿ来表示：

然后将被测替换中性衰减片，测出的出射光强i^s，

注意到所以

式(4)的最终计算结果中没有(也即)出现，说明光源的强度(及其光谱)不会影响对样品的测量，只要所有的测量都采用同一中性衰减片校准，即保持lgiⁿ+aⁿ为恒定常数。

但不同场合很难找到完全一样的中性衰减片，且很难保证样品与中性衰减片的位置一致。针对血液成分的复杂性，单纯的透射光谱得到的是全血的信息，针对性较差，且具有一定的散射，为进一步提高游离血红蛋白的测量精度，结合荧光针对性强的特点，但受到荧光激发光强、光程长和所测成分浓度的影响，导致荧光会有严重的自吸收问题，以及受到血液强散射性的影响，导致得到的荧光光谱具有很强的非线性，因此不能很好的反应所测物质的特征。

技术实现要素：

本发明提供了一种无损测量血袋内游离血红蛋白含量的方法，测量针对性强，消除了光谱背景噪声、透射光源变化和血袋的影响，抑制了光谱的非线性，极大提高了游离血红蛋白含量分析的精度，解决了血袋内游离血红蛋白的无损检测问题，高效、无污染，详见下文描述：

一种多位置双光程下透射和荧光光谱测量游离血红蛋白的方法，所述方法用于测量血袋内游离血红蛋白的含量，所述方法包括以下步骤：

光源的出光光口与光谱接收装置的入射狭缝紧贴血袋，调制装置调制光源使其发出方波光信号，光源包括透射光源和荧光激发光源，透射光源对血液进行透射，荧光激发光源激发血液产生荧光，光谱接收装置采集透射光谱和荧光光谱；

位移平台控制透射光源和荧光激发光源移动至多个位置下的两个不同光程处，由光谱接收装置采集每个位置下的双光程透射光谱和双光程荧光光谱；

将每个位置下采集到的两个光程下的透射光谱分别变换到频域构造频域内透射光谱，将两个频域内透射光谱比值求对数即为该位置下血液的吸收光谱，每个位置下采集到的两个光程下的荧光光谱分别变换到频域构造频域内荧光光谱，将多个位置处的吸收光谱和多个位置下的双光程频域内荧光光谱一起进行归一化处理，结合化学检验的数据，建立数学模型；

采集未知血液多个位置下的双光程透射光谱和荧光光谱，并将其分别变换到频域构造频域内透射光谱和频域内荧光光谱，将每个位置处的两个频域内透射光谱比值求对数即为该位置下血液的吸收光谱；

将多个位置处的吸收光谱和多个位置处双光程下的频域内荧光光谱进行归一化，并带入数学模型，得到游离血红蛋白的含量；

所述方法通过采集血袋不同位置处的双光程透射光谱和荧光光谱，并将其转换到频域，消除光谱背景噪声影响；增加游离血红蛋白的信息量，抑制光谱的非线性；消除透射光源变化和血袋的影响；提高游离血红蛋白含量分析的精度；解决血袋内游离血红蛋白的无损检测问题。

所述构造频域内透射光谱和频域内荧光光谱的步骤具体为：

调制装置将透射光源和荧光激发光源调制成方波光信号，对血液进行透射和激发，由光谱接收装置采集透射光谱和荧光光谱，将透射光谱的每个波长的时间序列变换到频域，以各个波长的基波分量构造频域内透射光谱，将荧光光谱的每个波长的时间序列变换到频域，以各个波长的基波分量构造频域内荧光光谱。

其中，位移平台控制透射光源和荧光激发光源移动至多个位置下的两个不同光程处，由光谱接收装置采集每个位置下的双光程透射光谱和双光程荧光光谱的步骤具体为：

在位置a处，位移平台控制透射光源和荧光激发光源分别在两个光程下即：位置a和位置a’对血液进行透射和激发，由光谱接收装置采集透射光谱和荧光光谱；

位移平台控制透射光源和荧光激发光源移动至位置b，分别在两个光程下即：位置b和位置b’对血液进行透射和激发，由光谱接收装置采集透射光谱和荧光光谱；

位移平台控制透射光源和荧光激发光源一直移动至位置n，分别在两个光程下即：位置n和位置n’对血液进行透射和激发，由光谱接收装置采集透射光谱和荧光光谱；

或，

光谱接收装置在位置a处，位移平台控制光谱接收装置分别在两个光程下即：位置a和位置a’处采集透射光谱和荧光光谱；

位移平台控制光谱接收装置移动至位置b，分别在两个光程下即：位置b和位置b’处采集透射光谱和荧光光谱；

位移平台控制光谱接收装置一直移动至位置n，分别在两个光程下即：位置n和位置n’处采集透射光谱和荧光光谱。

其中，所述方法还包括：

在光源处设置一光纤，作为入射光纤，且保证入射光纤与光谱接收装置的入射狭缝紧贴血袋；

或，

在光谱接收装置处设置一光纤，作为出射光纤，且保证出射光纤与光源出光光口紧贴血袋；

或，

在光源与光谱接收装置处分别设置入射光纤与出射光纤，且保证入射光纤与出射光纤紧贴血袋。

其中，入射光纤在位置a处，透射光源和荧光激发光源通过入射光纤分别在两个光程下即：位置a和位置a’处对血液进行透射和激发，由光谱接收装置采集透射光谱和荧光光谱；

位移平台控制入射光纤移动到位置b处，透射光源和荧光激发光源通过入射光纤分别在该位置处两个光程下即：位置b和位置b’处对血液进行透射和激发，由光谱接收装置采集透射光谱和荧光光谱；

控制入射光纤一直移动到位置n处，透射光源和荧光激发光源通过入射光纤分别在该位置处两个光程下即：位置n和位置n’处对血液进行透射和激发，由光谱接收装置采集透射光谱和荧光光谱。

其中，出射光纤在位置a处，由光谱接收装置通过出射光纤在该位置处两个光程下即：位置a和位置a’处采集透射光谱和荧光光谱；

位移平台控制出射光纤移动到位置b处，光谱接收装置通过出射光纤在该位置处两个光程下即：位置b和位置b’处采集透射光谱和荧光光谱；

控制出射光纤一直移动到位置n处，光谱接收装置通过出射光纤在该位置处两个光程下即：位置n和位置n’处采集透射光谱和荧光光谱。

其中，所述透射光源为超连续宽谱激光，该超连续宽谱激光覆盖可见光波段、或近红外光波段、或两者的组合；荧光激发光源为紫外线灯，透射光源和荧光激发光源可直接发光或经入射光纤传导。

进一步地，所述位移平台为步进电机；所述光谱接收装置为光谱仪，所述调制装置为斩波器。

进一步地，所述透射光源为氙灯宽谱光源或溴钨灯宽谱光源，覆盖可见光波段、或近红外光波段、或两者的组合；所述荧光激发光源为紫外激光管或紫外发光管，透射光源和荧光激发光源可直接发光或经入射光纤传导。

进一步地，所述数学模型利用主成分分析、人工神经网络、偏最小二乘回归、支持向量机、信号分析或统计方法建立。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本发明通过控制位移平台改变位置和光程，在多个位置处不同光程长下采集血袋内血液受到同一调制透射光源透射产生的透射光谱、以及同一调制荧光激发光源激发产生的荧光光谱，并将其变换至频域构造频域内透射光谱和频域内荧光光谱，从而消除了光谱背景噪声的影响；

2、利用游离血红蛋白受到紫外光激发会产生荧光的特性，但在光程方向上随紫外光入射深度不同而产生不同的荧光强度，激发荧光产生位置与接收位置的距离不同均会导致荧光的自体吸收不同，且血液中游离血红蛋白同时受其他物质浓度的影响，当紫外光被其他物质吸收的越多，可被激发物质接收的紫外光就越少，以及会受到血液散射的影响，因此导致获得的光谱具有很强的非线性；

3、多位置处双光程下测量得到的光谱是上述因素共同作用的光谱，增加了游离血红蛋白的信息量，极大抑制了光谱的非线性，且测量针对性强，消除了透射光源变化和血袋的影响，极大提高了游离血红蛋白含量分析的精度。解决了血袋内游离血红蛋白的无损检测问题，高效、无污染。

附图说明

图1为一种无损测量血袋内游离血红蛋白含量的方法原理图；

图2为双光程透射光谱原理图；

图3为实施例1中一种无损测量血袋内游离血红蛋白含量的方法示意图；

图4为实施例2中一种无损测量血袋内游离血红蛋白含量的方法另一示意图；

图5为实施例3中一种无损测量血袋内游离血红蛋白含量的方法另一示意图；

图6为实施例4中一种无损测量血袋内游离血红蛋白含量的方法另一示意图；

图7为实施例5中一种无损测量血袋内游离血红蛋白含量的方法另一示意图；

图8为实施例6中一种无损测量血袋内游离血红蛋白含量的方法另一示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：第一光程；2：第二光程；

3：光源：包括透射光源和荧光激发光源；4：入射光纤；

5：血袋；6：位移平台；

7：光谱接收装置；8：出射光纤；

9：调制装置；

a、b…n；a’、b’…n’均为：紧贴包装袋的位置。

上述位置根据实际应用中的情况进行设定，需保证a与a’；b与b’…n与n’位置同轴。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

将调制装置放置于光源光路之中时，光会周期性的通过和遮挡。此时光源发出的光被调制成具有一定频率的方波光信号。透射复杂溶液得到的透射光谱和激发复杂溶液得到的荧光光谱每个波长的频率与光源发出的方波光频率一致，以透射光谱某一波长λ为例，图1为λ波长的波形与光谱接收装置积分时间对应的积分值示意图，b为背景噪声，t为光谱接收装置的积分时间，且t1＝t2＝…＝ti＝t；t1区间内积分时间对应的是背景噪声，此时光谱接收装置接收到的光强幅值是背景噪声的积分值，数值最小记为imin；ti区间内积分时间对应的是λ波长的光强和背景噪声，此时光谱接收装置接收到的光强幅值是λ波长的光强和背景噪声的积分值，数值最大记为imax，t1与ti之间其他的积分时间一部分对应背景噪声，另一部分对应λ波长的光强和背景噪声，因此所得到的积分值在(imin，imax)区间内变动。由此，在t1～ti内可以得到一组值域为(imin，imax)积分值序列，由此可见，该波长的积分值在(imin，imax)区间内变动而形成周期性信号，其他波长的积分值与此类似，且为严格同周期和同步的周期性信号。通过对各个波长的积分值的时间序列进行傅立叶变换，以所有波长积分值的频域基波分量构成的频域内透射光谱，可以消除背景噪声，大幅度提高信噪比。荧光光谱与透射光谱同理。

双光程透射光谱法是根据朗伯-比尔定律，如图2所示，分别设定第一光程1和第二光程2。推导过程如下：

其中，a1是第一光程1的吸光度，a2是第二光程2的吸光度。io是第一光程1的入射光的光强，同时也是第二光程2的入射光的光强，i1是第一光程1的出射光强，i2是第二光程2的出射光强，b1是第一光程1的光程长，b2是第二光程2的光程长，△b为两光程长的差，∈吸光系数为，c所测物质浓度。

由式(7)可以看出，双光程光谱法的吸光度与光程差仍然成线性关系，符合朗伯-比尔定律，且与入射光光强io无关。因此，双光程法在理论上是不受光源影响的，同时扣除了血袋本身的影响。

一种无损测量血袋内游离血红蛋白含量的方法，利用游离血红蛋白受到紫外光激发会产生荧光的特性，但在光程方向上随紫外光入射深度不同而产生不同的荧光强度，激发荧光产生位置与接收位置的距离不同均会导致荧光的自体吸收不同，且血液中游离血红蛋白同时受其他物质浓度的影响，当紫外光被其他物质吸收的越多，可被激发物质接收的紫外光就越少，以及会受到血液散射的影响，因此导致获得的光谱具有很强的非线性。而多位置处双光程下测量得到的光谱是上述因素共同作用的光谱，增加了游离血红蛋白的信息量，极大抑制了光谱的非线性，且测量针对性强，消除了透射光源变化和血袋的影响，同时利用构造频域内透射光谱和频域内荧光光谱消除了光谱背景噪声的影响；极大提高了游离血红蛋白含量分析的精度。解决了血袋内游离血红蛋白的无损检测问题，高效、无污染。

实施例1

本发明实施例提供的一种无损测量血袋内游离血红蛋白含量的方法，所使用到的器件如图3所示，包括：光源3、血袋5、位移平台6、光谱接收装置7以及调制装置9。

其中，保证光源3的出光光口与光谱接收装置7的入射狭缝紧贴血袋5，调制装置9调制光源3使其发出方波光信号，光源3在位置a处的两个光程下即：位置a(对应第一光程1)和位置a’(对应第二光程2)对血袋5内的血液进行透射和激发，由光谱接收装置7采集透射光谱和荧光光谱；随后通过位移平台6控制光源3移动至位置b，在位置b处的两个光程下即：位置b(对应第一光程1)和位置b’(对应第二光程2)对血袋5内的血液进行透射和激发，由光谱接收装置7采集透射光谱和荧光光谱；通过位移平台6控制光源3一直移动至位置n，在位置n处的两个光程下即：位置n(对应第一光程1)和位置n’(对应第二光程2)对血袋5内的血液进行透射和激发，由光谱接收装置7采集透射光谱和荧光光谱。

将每个位置处下采集到的两个光程下的透射光谱和荧光光谱的每个波长的时间序列变换到频域，以各个波长的基波分量构造频域内透射光谱和频域内荧光光谱，由此消除背景噪声的影响，每个位置处的两个频域内透射光谱比值求对数即为该位置下血液的吸收光谱，将多个位置处的吸收光谱和多个位置下的双光程频域内荧光光谱一起归一化处理，建立数学模型；归一化方法为：

ag＝a/max(a)(8)

公式(8)中，ag为归一化吸光度，max(a)为不同波长上的吸光度最大值，a为吸光度。结合化学检验的数据，利用主成分分析(pca,principalcomponentanalysis)或人工神经网络(ann,artificialneuralnetwork)或偏最小二乘回归(plsr,particleleastsquarescalibrationanalysis)或支持向量机(svm,supportvectormachines)信号分析或统计等方法均可建立数学模型。

本发明实施例对具体建立数学模型的步骤不做赘述，为本领域技术人员所公知。

采集未知血液多个位置下的双光程的透射光谱和荧光光谱，将每个位置处下采集到的两个光程下的透射光谱和荧光光谱的每个波长的时间序列变换到频域，以各个波长的基波分量构造频域内透射光谱和频域内荧光光谱，每个位置处的两个频域内透射光谱比值求对数即为该位置下血液的吸收光谱，将多个位置处的吸收光谱和多个位置处双光程下的频域内荧光光谱进行归一化带入数学模型，得到游离血红蛋白的含量。