真皮与血管漫反射光谱的相关性研究

研究摄告 引言 真皮与血管漫反射光谱的相关性研究+ 陈文亮谷筱玉马真徐可欣 (天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室天津300072) 摘要基于真皮与血管漫反射光谱的相关性活体实验研究真皮漫反射光谱法测量血糖 浓度的可行性：成功剥离兔子股动脉血管，实现血管光谱的直接测量；在调节兔子的血糖 浓度变化的过程中，同时监测兔子的血管漫反射光谱和皮肤漫反射光谱。实验结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明， 血管漫反射光谱与皮肤漫反射光谱之间的相关系数达到0．88以上。分别基于血管漫反 射光谱和皮肤漫反射光谱建立校正集模型，并预测得到相应的血糖浓度集Gl和G2，两组 血糖浓度预测值之间的相关系数为0．90。因此，真皮漫反射光谱信号能够有效地反应血 液信息，从而实现血糖浓度的无创检测。 关键词相关性血糖真皮光谱血管光谱 近红外光对于体液和软组织具有很好的穿透 性，是较为理想的检测光谱段。而随着计算机技术 和化学计量理论的发展，近红外光谱定量分析的灵 敏度、准确性和可靠性都有较大提高，并被迅速应用 于无试剂医学检验。近年来，近红外无创血糖检测 技术已成为科技发达国家的研究热点uq’。 根据皮肤组织结构特性Ho，在皮肤各层组织 中，真皮乳头层的毛细血管丛是最浅层的血管丛。 相对于表皮漫反射光，真皮漫反射光携带有丰富的 葡萄糖浓度信息；而相对于皮下组织的漫反射光而 言，真皮组织漫反射光的能量更强，相应的信嗓比更 高。因此，本文基于真皮漫反射光谱测量人体血糖 浓度。根据近红外无创血糖检测原理，首先选定具 有代表性的样本集，基于化学计量学原理建立样本 集光谱与相应血糖浓度之间的校正模型，依据该校 正模型，由人体血糖变化后的光谱变化信号预测得 到其对应的血糖浓度信息。 然而，在真皮层中，葡萄糖分子除以血糖的形式存 在于血管中，还溶解于组织液中，真皮层漫反射光谱同 时反映真皮层组织液与血液中的葡萄糖信息。因此， 真皮漫反射光谱人体血糖浓度检测技术的有效性首先 取决于组织液与血液中血糖浓度的相关性，或者说是 皮肤漫反射光谱与血管漫反射光谱的相关陛。 Thennadil[51的研究结果表明，真皮组织液与血 管中的葡萄糖浓度之间存在很好的相关性。本文则 进一步研究真皮漫反射光谱与血管光谱之间的相关 性。文中基于兔子活体实验，成功剥离兔子股动脉 血管以直接测量血管光谱，并在调节兔子血糖浓度 变化的过程中，同时监测兔子的皮肤漫反射光谱与 血管漫反射光谱，进而分析两者之间的相关特性，以 检验真皮漫反射光谱法及相应实验系统无创检测血 糖浓度的有效性。 2相关性分析理论 为有效地分析不同部位漫反射光谱之间的相关 性，本文采用Barton提出的统计相关理论M’¨进行 计算处理。 相关分析的计算涉及到两个光谱矩阵，假设矩 阵X(n。‰xP出。)和Y(n。。。xP。。。)分别为代表皮肤 和血管的光谱矩阵，nskin和narte分别代表x矩阵和Y 矩阵的样品数，P。kin和P。。。分别代表x矩阵和Y矩 阵的波长数。在本文的研究中，皮肤光谱矩阵和血 管光谱矩阵具有相同的样品数和波长数，且两光谱 矩阵的波长分布完全一样。 计算 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 如下：R(i，肛——些竖堕生韭-(1) ([nExi2一(∑xi)2][nEyj2一(∑yj)2])丁 其中，xi表示矩阵x的某一行，Yi表示矩阵Y 的某一列。从相关系数的数学表达式可以得到，对 于R矩阵，单独提取其中的某一行i，代表矩阵x的 i波长和Y矩阵的全波长的相关系数，同样单独提 取其中的某一列j，则代表矩阵Y的j波长和x矩阵 ·基金项目：十一五国家科技支撑 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 重大项目(No．2006BAl03A03)，国家自然科学基金(No．30600126)和中国博士后科学基金(No 20060390661) 39 万方数据 魂代仪矗(WWW．moderninstrs．org．ca) 的全波长的相关系数。 提取矩阵R(i，j)的对角线数据R(i，i)，即可得 到真皮漫反射光谱与血管漫反射光谱在对应不同波 长点的相关系数，从而实现本文研究的目的。 3实验 仪器：实验仪器采用课题组自行研制的近红外无 创伤血糖浓度检测系统哺J：以100W卤钨灯(PG64623， OSRAM，German)作为近红外光源，基于AOTF分光系 统(TEAFl0—1．0-1．8-S，VFI一80-50一DDS—B1一C2一E，Brim— roseCompany，U．S．A)在1100—1700nm范围内进行 波长切换，单波长光分为两路(见图1)，分别进行皮肤 漫反射光谱和血管漫反射光谱测量。两路漫反射光分 别由2个带半导体致冷器的InGaAs检测器(G5851-21， HamamatsuPhotonicsKK，Japan)接收，然后经16位多 通道数据采集卡(PCI—MIO．16XE-50，NationalInstru— mentInc，U．S．A)转换成数字信号，存储到计算机进行 后续数据处理。 图1 兔子皮肤与血管漫反射光谱测量照片 实验设计：(1)血管剥离研究皮肤漫反射光 谱与血管漫反射光谱之间相关性的关键前提是能够 直接采集活体血管的光谱信号。为实现这一目的， 需要把被测血管由血管周围的皮肤中剥离开，而血 管的血液循环需保持良好。该部分工作由天津医院 的显微外科大夫协助完成，对兔子进行麻醉后，由兔 子的右后腿成功剥离股动脉血管一根，以直接进行 血管漫反射光谱测量。(2)血糖浓度调节与监测 由于兔子具有很强的血糖代谢功能，为控制兔子的 血糖浓度在较大范围内缓慢变化，采取对兔子进行 缓慢滴注糖水方式，并在适当时候注射胰岛素以控 制血糖浓度。实验中在兔子左耳缘静脉埋置医用留 置针，并经三通阀分别注射葡萄糖和胰岛素，以控制 血糖浓度变化。同时，由兔子的右耳缘静脉取血监 测血糖浓度值。(3)实验过程首先预热仪器至稳 定工作状态，并做好一切实验前的准备工作；在显微 外科大夫成功剥离兔子股动脉血管后，将血管漫反 射测量光纤固定于血管上方，同时将皮肤漫反射测 量光纤固定于兔子左大腿内侧；调节血糖浓度变化， 每隔2min测量一次皮肤漫反射光谱和血管漫反射 光谱，同时测量相应的血糖浓度作为参考值，整个实 验过程约为1．5h；对实验数据处理，分析皮肤漫反 射光谱与血管漫反射光谱的相关性，并分别以皮肤 漫反射光谱和血管漫反射光谱建立校正集模型，分 析血糖浓度的预测精度。 4结果及分析 4．1 皮肤漫反射光谱与血管漫反射光谱的相关性 基于实验3中采集到的不同浓度下的皮肤漫反 射光谱和血管漫反射光谱，并基于公式(1)计算两 组光谱的相关系数(见图2)，在本文研究所采用的 1100—1700nm波长范围内，两组光谱具有较高的相 关性，各波长点下的相关系数高于0．88，尤其在葡 萄糖的特征吸收波长点1600nm附近，皮肤漫反射 光与血管漫反射光的相关系数高于0．886。可见， 皮肤漫反射光谱能够有效地反映血管光谱的变化信 息。由于本文的血管光谱为直接测量裸露血管得 到，携带有效的血糖浓度变化信息，因此，该相关性 分析结果也间接表明：测量所得的皮肤漫反射光谱 能够有效反映血糖浓度的变化信息。 波长(nm) 图2皮肤漫反射光谱与血管漫反射光谱的相关性曲线 4．2血糖浓度预测结果的相关性 实验中，调节兔子的血糖浓度从5mmol／L缓慢 上升到30mmol／L，然后缓慢下降到实验初始阶段的 血糖浓度值，共采集得到有效数据45组。采用PLS (偏最小二乘)多变量技术∽]，基于皮肤漫反射光谱 矩阵与相应的血糖浓度矩阵建立皮肤光谱校正模 型，基于血管漫反射光谱矩阵与对应的血糖浓度矩 阵建立血管光谱校正模型。采用完全交互验证方 式¨叫 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 校正模型的血糖浓度预测精度，得到皮肤 万方数据 研究报告 水源地可行性研究报告美术课题研究中期报告师生关系的个案研究养羊可行性研究报告可行性研究报告诊所 光谱校正模型的RMESP(预测均方根误差)为 1．42mmol／L，血管光谱校正模型的RMSEP为 1．28mmol／L。 基于两个校正模型分别由血管漫反射光谱和皮 肤漫反射光谱预测得到血糖浓度变化曲线(见图 3)，血管光谱预测值、皮肤光谱预测值与参考血糖 浓度具有相同的变化趋势。 一 C 石 E E 一 埘 爱 童 目 序号 图3血管光谱模型与皮肤光谱模型的 预测血糖浓度曲线 进一步分析血管预测血糖浓度与皮肤预测血糖 浓度之间的相关性，计算得到两组血糖浓度预测值 的相关系数为O．90。可见，皮肤漫反射光谱中携带 充足的血糖信息，该结果也充分证明真皮漫反射光 谱法测量血糖浓度的可行性。 5结论 本文进行皮肤漫反射光谱与血管漫反射光谱的相 关性研究，验证真皮漫反射光谱测量血糖浓度的可行 性。论文成功设计兔子的血管剥离实验，从而直接检 测兔子的血管光谱。在此基础上，进行皮肤漫反射光 谱与血管漫反射光谱之间相关性的活体实验研究：调 节兔子的血糖浓度在5—30mmol／L之间波动，并同时 监测皮肤漫反射光谱和血管漫反射光谱。实验得到血 糖变化过程中两组光谱的相关系数大于o．88。分别基 于皮肤漫反射光谱和血管漫反射光谱建立皮肤光谱校 正模型和血管光谱校正模型，其血糖浓度的预测均方 根误差分别为1．42mmol／L和1．28mmol／L。且两校正 模型预测得到的两组血糖浓度之间的相关系数为 0．90。研究结果表明，测量得到的真皮漫反射光谱与血 管光谱之间具有很好的相关性，皮肤漫反射光谱能够 有效地反映血糖浓度变化信息，从而实现无创血糖测 量的目的。 参考文献 1 MaruoK，OotaT，TsurugiM，eta1．．Newmethodologyto obtainacalibrationmodelfornoninvasivenear-infraredblood glucosemonitoring，Appl．Spectros．，2006，60：441—449 2 ArnoldMA，SmallGw．Noninvasiveglucosesensing，A· nal．Chem，，2cHD5，7：5429—5439 3 KhalilOS．Non-invasiveglucosemeasurementteehnologies： allupdatefrom1999tothedawnofthenewmillennium，Di- abetesTechn01．Ther．，2004，6：660—697 4王德昌，傅洪滨，王一兵．人体皮肤组织学彩色图谱，山 东：山东科学技术出版社，1999 5 ThennadilSN，RenneaJL，WenzelBJ。eta1．．Compari- sonofglucoseconcentrationininterstitialfluid，andcapiUar- Yandvenousbloodduringrapidchangesinbloodglucose levels，DiabetesTeehn01．Ther．，2001，3：357—365 6 BartonFE。HimmelsbachDS，DuekworthJ H，eta1．． Two．dimensionalvibrationspectroscopy：Correlationofmid． andnear-infraredregions．Appl．Spectrosc．，1992，46： 420～429 7 BartonFE．HimmelsbachDS．Two-dimensionalvibration spectroscopyII：Correlationoftheabsorptionsofligninsin themid．andnear—infrared．Appl．Spectrosc．，1993，47： 1920—1925 8 XuKexin，QiuQingjun，JiangJingying，eta1．．Non-inva- siveglucosesensingwithnear··infraredspectroscopyen·- haneedbyopticalmeasurementconditionsreproductiontech— nique．OpticsandLasersinEngineering，2005，13：1096— 1106 9 FrankI．FriedmanJ．Astatisticalviewofsomechemomet- ticsregressiontools，Technometrics，1993，35：109～135 10 LorberA．KowalskiBRAlternativestocross—validatory estimationofthenumberoffactorsinmultivariatecalibra— tion，Appl．Speetro．，1990，44：1464～1470 Correlationanalysisofskinspectraandbloodvesselspectra ChenWenliangGuXiaoyuMaZhenXuKexin (StateKeyLaboratoryofPrecisionMeasuringTechnologyandInstruments，Tianjin University，Tianjin300072) AbstractThefeasibilityofnoninvasivebloodglucosesensingwithnear—infraredspectrafromthedermislayerwas studied．Byin—vivorabbitexperiment．thediffusereflectancespectrafromdermisandbloodvesselwerecollected simultaneouslyatdifferentbloodglucoselevels．Theresultshowsthatthecorrelationcoefficientbetweenthetwo spectramatrixishigherthan0．88．Thentwosetsofbloodglucoseconcentrationswerepredictedbycalibration modelsbasedonthespectrafromdermisandbloodvesselrespectively．Thecorrelationcoefficientbetweenthefor· metandthelattersetis0．90．Therefore，thespectrasignalfromdermiscaneffectivelyrepresenttheinformationof bloodglucose． KeywordsCorrelationBloodglucoseDermalspectraVascularspectra 41 万方数据 真皮与血管漫反射光谱的相关性研究 作者： 陈文亮， 谷筱玉， 马真， 徐可欣， Chen Wenliang， Gu Xiaoyu， Ma Zhen， Xu Kexin 作者单位： 天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津,300072 刊名： 现代仪器 英文刊名： MODERN INSTRUMENTS 年，卷(期)： 2008,14(1) 参考文献(10条) 1.Khalil O S Non-invasive glucose measurement technologies:an update from 1999 to the dawn of the new millennium 2004 2.Arnold M A;Small G W Noninvasive glucose sensing[外文期刊] 2005(07) 3.Maruo K;Oota T;Tsurugi M New methodology to obtain a calibration model for noninvasive near- infrared blood glucose monitoring[外文期刊] 2006(4) 4.Lorber 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