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人体血红蛋白含量是临床上诊断贫血症等血液疾病的重要依据。常规生化检测方法属于有创检测,存在痛感,且分析周期长,难以进行实时监测,上述问题在一定程度上妨碍了贫血类疾病的早期预防与及时治疗。近红外光谱(NIRS)分析技术在血红蛋白临床检测应用中因具有无创伤、无痛感、分析快速等优势,能够有效克服常规有创检测方法存在的弊端,有利于实现贫血类疾病的普查与防治,具有重要的研究价值与社会意义。本文通过分析当前影响血红蛋白无创检测精度的关键问题,如组织背景干扰、有效信号微弱等,提出以血流容积相减原理为基础的人体血红蛋白NIRS无创分析方案。主要研究内容及成果如下:(1)综合考虑仪器时间分辨率、信噪比等性能要求与便携式目标,通过理论分析比较,确定由LED照明系统、线性渐变滤光片(LVF)型分光系统及多元线阵式Si探测器组成的仪器光学系统设计方案。(2)设计高亮度、宽波段、低噪声的LED照明系统。针对系统的会聚性、照度均匀性、光能利用率、紧凑性等特性要求,优化设计透射、反射两种形式的照明系统。其中,透射式系统在有效照明区域的均匀性高达90%,有利于保证每组人体光谱中各波长携带的组织背景、血流容积等信息的一致性。(3)LVF体积小、通带多,可有效简化分光系统结构。针对血红蛋白NIRS无创检测要求,深入研究LVF设计方法,并确定高色散系数的短波近红外LVF膜系设计方案。优化后LVF的峰值透射率高于97%、分辨率约为1.0%CWL(中心波长)、抑制带截止深度小于0.1%,可有效实现在12.8 mm工作区域内,对620~1080 nm宽波段复合光的分光作用。(4)开展血红蛋白无创检测临床实验与近红外模型研究。课题组以优化设计的LED照明系统、LVF分光系统为基础,完成了信噪比高于14000:1的便携式NIRS仪器整机研制。应用该仪器无创采集93位志愿者食指前段的血流容积脉搏波信号,并应用光谱相减法获得已扣除组织背景干扰的“纯净”容积差光谱。深入研究偏最小二乘(PLS)、误差反向传输神经网络(BPANN)、支持向量回归(SVR)三种校正方法对血红蛋白的定量分析能力,以及标准正态变量变换(SNV)和归一化两种预处理算法对各类定标模型的性能影响。经过理论分析比较,确定具有非线性回归特征、参数寻优快速等优势的归一化-SVR模型预测精度高且预测能力稳定,可实现复杂组织背景下的血红蛋白高精度无创检测。该模型的预测相关系数达0.82,预测标准偏差7.91 g/L,相对偏差仅为5.44%,可以满足临床检测要求。上述研究成果表明,本文提出的人体血红蛋白NIRS无创检测方案可行、有效。以血流容积相减法为基础,结合SVR近红外模型,自主研制的NIRS检测仪器可实现高精度的血红蛋白无创分析,将在贫血类疾病的无创诊断领域极具应用前景。