专利名称：无创测量血液光谱与成分的方法
技术领域：
本发明涉及一种测量物质光谱的方法。特别是涉及一种不需抽血就可以测量血液光 谱与成分的无创测量血液光谱与成分的方法。
通常，测量血液的光谱自然需要将血液从动物或人体抽出，然后才能进行血液光谱 的测量。但抽出血液必然就会产生创伤，带来感染的危险和其他危害。因此，人们将血 液光谱的检测一直作为梦想而己。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种不抽血而实现血液光谱的测量的无创测量 血液光谱与成分的方法。
本发明所采用的技术方案是 一种无创测量血液光谱与成分的方法，包括有如下步
骤
1)采用高速光谱仪连续测量被测体的透射光谱4:
,4 乂……，4 }， {々，4,《，……,4 }，……{《，《，4"，……,《} 其中t一一时间；入 一一波长； 2)将连续的多幅光谱按照时间对每一个波长的光强值排序，得到每个波长的脉搏波:
3) 对每个波长的脉搏波进行傅立叶变换，取幅值最大的谐波《，并由各个波长的该
谐波幅值按时间顺序重排构成一幅光谱^/,fl"W,......该光谱即为脉动部分动脉血
液光谱，其中i——幅值最大的谐波；J'"一波长；
4) 对动脉血液光谱进行化学计量分析，就可以无创检测出血液成分。 所述的将连续的多幅光谱按照时间对每一个波长的光强值排序，是将得到连续光谱
图中同一波长的光谱按照时间重新排列，从而得到各个波长的光电脉搏波。
所述的对每个波长的脉搏波进行傅立叶变换，是分别提取各波长下对数脉搏波频谱 中第一个能量集中频率点处的幅值替代脉搏波的峰峰值，计算该波长下的吸光度以组成
背景技术：
4: {4《4，……,4"}光谱。
所述的对动脉血液光谱进行化学计量分析，是采用偏最小二乘法实现的。 所述的对动脉血液光谱进行化学计量分析，是采用神经网络实现的。 所述的对动脉血液光谱进行化学计量分析，是采用支持向量机实现的。 本发明的无创测量血液光谱与成分的方法，不需要直接采集血液，不会给人体造成 任何损伤和感染，可以实现实时监测，不会造成二次污染。
图1是本发明无创测量血液光谱与成分方法的测量示意图2是光电脉搏波吸光度构成示意图3是光电脉搏波的三维显示效果图4是本发明方法所用的装置的第一实例；
图5是本发明方法所用的装置的第二实例；
图6是本发明方法所用的装置的第三实例；
图7是本发明方法所用的装置的第四实例。
其中
1:光源2:准直聚焦系统
3:被测体4:高速光谱仪
5:计算机或微控制器6:入射光
7:光敏检测8:静态组织
9:动态组织81:其它组织吸收
82:静脉血液吸收83:非脉动动脉血液吸收
91:脉动动脉血液吸收8a:静态部分
9a:动态部分I:出射光强
10:光棚12:信号采集
13:控制系统14:狭缝
15:LED阵列16:光敏传感器
17:信号调理18:数据采集
19:聚光透镜A0TF:声光调制器
20:滤波片21:输出控制
22:光电接收
具体实施例方式
下面结合实施例和附图对本发明的无创测量血液光谱与成分的方法做出详细说明。
本发明的无创测量血液光谱与成分的方法，采用如图1所示的方式，包括有如下步骤
41) 采用高速光谱仪连续测量被测体的透射光谱4 (其中t一一时间；A —一波长)
k ，々;，……，4 }， k, 42,4,……，4 },……{( ,……,《};
2) 将连续的多幅光谱按照时间对每一个波长的光强值排序，得到每个波长的脉搏波， 即，将得到连续光谱图中同一波长的光谱按照时间重新排列，从而得到各个波长的光电 脉搏波
3) 对每个波长的脉搏波进行傅立叶变换，取幅值最大命谐波《其中i一一幅值最
大的谐波；J一一波长，并由各个波长的该谐波幅值按时间顺序重排构成一幅光谱 ......该光谱即为脉动部分动脉血液光谱。具体是分别提取各波长下对数
脉搏波频谱中第一个能量集中频率点处的幅值替代脉搏波的峰峰值，计算该波长下的吸 光度以组成光谱。
4) 对动脉血液光谱进行化学计量分析，如偏最小二乘法、神经网络和支持向量机等 常用化学计量分析方法，就可以无创检测出血液成分。
如图2所示，本发明的无创测量血液光谱与成分的方法，对任一波长的光透过生物 组织后可以得到脉搏波(光电容积波)。所以，如图3所示，而后将得到连续光谱图中 同一波长的按照时间重新排列，可以得到各个波长的光电脉搏波。
每个波长的光电脉搏波的峰值(光强最大值力服)是动脉血液最薄时候的透射光强， 而光电脉搏波的谷值(光强最小值i"^)是动脉血液最厚时候的透射光强。换言之，可以 把动脉血液在每个心脏搏动周期中容积发生变化时，容积变化的那部分厚度"血层"的 入射光强对应光电脉搏波的峰值(光强最大值)，出射光强对应光电脉搏波的谷值(光 强最小值/—)，也就是光电脉搏波的峰峰值(力《—力^)是动脉血液容积变动部分的吸 收值。按照朗伯一比尔定律，对脉动动脉血液层，有
式中J"为脉动部分动脉血液在波长为A时的吸光度， < 为波长为A的单色光的消光
系数，W为最大充盈状态下该单色光在脉动动脉血液的等效光程，C,则为组分浓度。
由于傅立叶变换具有线性特性，且理想情况下不同波长下脉搏波是几何相似的，可 以用脉搏波的最大谐波分量替代峰峰值。艮P:
峰峰值(时域)仁^最大谐波幅值(频域)
分别提取各波长下对数脉搏波频谱中第一个能量集中频率点处的幅值替代脉搏波的峰峰值，计算该波长下的吸光度以组成光谱。这样就获得了脉动部分动脉血液的光谱数据， 实现了脉动部分动脉血液光谱的无创测量。
本发明的方法用于如图4所示的装置中时，宽带光源1通过准直聚焦系统2照射到 手指3或其他部位，透过手指3的光进入狭缝14，继而投射到光栅IO，再反射到CCD检 测系统11上，此时，CCD可以得到一系列光谱信号。计算机或微控制器5通过控制系统 13和信号采集(电路)12得到连续的多幅光谱。按照时间对每一个波长的光强值排序， 得到每个波长的脉搏波。再对每个波长的脉搏波进行傅立叶变换，取幅值最大的谐波(各 个波长取同一谐波)，并由各个波长的该谐波幅值重排构成一幅光谱。该光谱即为脉动 部分动脉血液光谱。对动脉血液光谱进行化学计量分析，就可以无创检测出血液成分。
本发明的方法用于如图5所示的装置中时，计算机或微控制器5通过控制电路13驱 动LED (半导体发光二极管)阵列15，通过频域或时域调制方式发出不同波长的光照射 到手指3或其他部位，透过手指3的光被光敏传感器16接收。计算机或微控制器5通过 控制数据采集电路18和信号调理电路17得到连续的多幅光谱。按照时间对每一个波长 的光强值排序，得到每个波长的脉搏波。再对每个波长的脉搏波进行傅立叶变换，取幅 值最大的谐波(各个波长取同一谐波)，并由各个波长的该谐波幅值重排构成一幅光谱。 该光谱即为脉动部分动脉血液光谱。对动脉血液光谱进行化学计量分析，就可以无创检 测出血液成分。
本发明的方法用于如图6所示的装置中时，计算机或微控制器5通过控制电路13驱 动A0TF (声光调制器)，而A0TF可以对经过聚光透镜19的光进行选择，某一瞬时只让 一个波长的光通过AOTF，经过选择波长的光照射到手指3或其他部位，透过手指3的光 被光敏传感器16接收。计算机或微控制器5通过控制数据采集电路18和信号调理电路 17同步釆集多个波长的透射光，从而得到连续的多幅光谱。按照时间对每一个波长的光 强值排序，得到每个波长的脉搏波。再对每个波长的脉搏波进行傅立叶变换，取幅值最 大的谐波(各个波长取同一谐波)，并由各个波长的该谐波幅值重排构成一幅光谱。该 光谱即为脉动部分动脉血液光谱。对动脉血液光谱进行化学计量分析，就可以无创检测 出血液成分。
本发明的方法用于如图6所示的装置中时，计算机或微控制器5通过输出控制电路 21驱动滤光片20的转轮，对经过准直聚焦系统2的光进行选择，某一瞬时只让一个波长 的光通过，经过选择波长的光照射到手指3或其他部位，透过手指3的光被光电接收电 路22所接收，计算机或微控制器5通过控制数据采集电路17和滤光片20的转轮同步采 集多个波长的透射光，从而得到连续的多幅光谱。按照时间对每一个波长的光强值排序， 得到每个波长的脉搏波。再对每个波长的脉搏波进行傅立叶变换，取幅值最大的谐波(各 个波长取同一谐波)，并由各个波长的该谐波幅值重排构成一幅光谱。该光谱即为脉动 部分动脉血液光谱。对动脉血液光谱进行化学计量分析，就可以无创检测出血液成分。
权利要求
1. 一种无创测量血液光谱与成分的方法，其特征在于，包括有如下步骤1)采用高速光谱仪连续测量被测体的透射光谱其中t——时间；λ——波长；2)将连续的多幅光谱按照时间对每一个波长的光强值排序，得到每个波长的脉搏波3)对每个波长的脉搏波进行傅立叶变换，取幅值最大的谐波并由各个波长的该谐波幅值按时间顺序重排构成一幅光谱该光谱即为脉动部分动脉血液光谱，其中i——幅值最大的谐波；j——波长；4)对动脉血液光谱进行化学计量分析，就可以无创检测出血液成分。
2. 根据权利要求1所述的无创测量血液光谱与成分的方法，其特征在于，所述的将 连续的多幅光谱按照时间对每一个波长的光强值排序，是将得到连续光谱图中同一波长 的光谱按照时间重新排列，从而得到各个波长的光电脉搏波。
3. 根据权利要求1所述的无创测量血液光谱与成分的方法，其特征在于，所述的对 每个波长的脉搏波进行傅立叶变换，是分别提取各波长下对数脉搏波频谱中第一个能量 集中频率点处的幅值替代脉搏波的峰峰值，计算该波长下的吸光度以组成光谱。.
4. 根据权利要求1所述的无创测量血液光谱与成分的方法，其特征在于，所述的对 动脉血液光谱进行化学计量分析，是采用偏最小二乘法实现的。
5. 根据权利要求1所述的无创测量血液光谱与成分的方法，其特征在于，所述的对 动脉血液光谱进行化学计量分析，是采用神经网络实现的。
6. 根据权利要求1所述的无创测量血液光谱与成分的方法，其特征在于，所述的对 动脉血液光谱进行化学计量分析，是采用支持向量机实现的。
全文摘要
本发明公开一种无创测量血液光谱与成分的方法，包括有如下步骤1.采用高速光谱仪连续测量被测体的透射光谱A<sub>λ</sub><sup>t</sup>{A<sub>1</sub><sup>1</sup>，A<sub>2</sub><sup>1</sup>，A<sub>3</sub><sup>1</sup>，…，A<sub>m</sub><sup>1</sup>}，{A<sub>1</sub><sup>2</sup>，A<sub>2</sub><sup>2</sup>，A<sub>3</sub><sup>2</sup>，…，A<sub>m</sub><sup>2</sup>}，…{A<sub>1</sub><sup>n</sup>，A<sub>2</sub><sup>n</sup>，A<sub>3</sub><sup>n</sup>，…，A<sub>m</sub><sup>n</sup>}；2.将连续的多幅光谱按照时间对每一个波长的光强值排序，得到每个波长的脉搏波A<sub>1</sub><sup>t</sup>{A<sub>1</sub><sup>1</sup>，A<sub>1</sub><sup>2</sup>，A<sub>1</sub><sup>3</sup>，…A<sub>1</sub><sup>n</sup>}，A<sub>2</sub><sup>t</sup>{A<sub>2</sub><sup>1</sup>，A<sub>2</sub><sup>2</sup>，A<sub>2</sub><sup>3</sup>，…，A<sub>2</sub><sup>n</sup>}…A<sub>1</sub><sup>t</sup>{A<sub>m</sub><sup>1</sup>，A<sub>m</sub><sup>2</sup>，A<sub>m</sub><sup>3</sup>，…，A<sub>m</sub><sup>n</sup>}；3.对每个波长的脉搏波进行傅立叶变换，取幅值最大的谐波a<sub>j</sub><sup>i</sup>，并由各个波长的该谐波幅值按时间顺序重排构成一幅光谱{a<sub>1</sub><sup>j</sup>，a<sub>2</sub><sup>j</sup>，a<sub>3</sub><sup>j</sup>，…，a<sub>m</sub><sup>j</sup>}，该光谱即为脉动部分动脉血液光谱，其中i——幅值最大的谐波；j——波长；4.对动脉血液光谱进行化学计量分析，就可以无创检测出血液成分。本发明不需要直接采集血液，不会给人体造成任何损伤和感染，可以实现实时监测，不会造成二次污染。
文档编号A61B5/145GK101507607SQ20091006828
公开日2009年8月19日 申请日期2009年3月27日 优先权日2009年3月27日
发明者刚 李, 凌 林 申请人:天津大学