中国医学科学院北京协和医学院生物医学工程研究所激光医学实验室, 天津 300192
呼气异戊二烯是一种内源性代谢产物, 其含量与人体血液中的胆固醇水平存在关联。 但人体呼气影响因素众多, 寻找其与胆固醇水平诊断参数的定量相关性, 需要对选取的特定人群进行有效的呼吸气体分析(实时、 在线、 高灵敏度、 高选择性、 高精度的大量呼气数据获取)。 光腔衰荡光谱(CRDS)是一种具有极高灵敏度、 稳定性和选择性的光谱技术。 采用目前市场在售的单波长紧凑型半导体紫外激光器, 搭建了一套基于CRDS的呼气异戊二烯分析仪, 该分析仪主要由激光系统、 真空腔体、 光电探测模块以及数据采集模块构成。 线性拟合的结果显示所获得的衰荡信号接近单指数衰减(R2=0.998 39), 符合朗伯-比尔定律。 探究了不同信号平均次数对衰荡信号稳定性的影响, 综合考虑衰荡信号的稳定性和分析仪的响应时间, 采用128次作为实验过程中的信号平均次数。 对呼气异戊二烯分析仪的性能进行了测试, 为了表征分析仪的稳定性, 持续测量了分析仪16 min的真空衰荡时间。 使用氮气、 空气和呼吸样本, 测量了呼气异戊二烯分析仪的重复性和响应速度。 为了测试分析仪的线性度, 测量了不同粒子数密度的异戊二烯标准气体(10×10-9, 30×10-9, 50×10-9, 100×10-9, 200×10-9)的衰荡时间。 最后分析了在224 nm测量异戊二烯存在的光谱干扰问题(NO, N2O和丙酮)。 实验表明: 分析仪具有高的灵敏度(检测极限为0.49×10-9)、 良好的重复性、 稳定性(0.48%)、 近实时的响应速度(1秒测量一个数据)和良好的线性度(R2=0.993 13), 将检测极限提高至现有水平的1/1 000。 研究证明基于CRDS的便携式呼气异戊二烯分析仪可实现对人体呼气异戊二烯的有效分析。
光谱学 光腔衰荡光谱 呼气异戊二烯 痕量分析 Spectroscopy Cavity ringdown spectroscopy Breath isoprene Trace analysis 光谱学与光谱分析
2021, 41(8): 2415
1 中国医学科学院北京协和医学院生物医学工程研究所， 天津 300192
2 中国医学科学院北京协和医学院医学实验动物研究所， 北京 100021
3 天津大学精密仪器与光电子工程学院， 天津 300072
介绍一种基于光谱检测和数据驱动模型的非接触式血液物种识别技术。 选取了4个物种（猴144， 大鼠203， 狗133， 人169）共计649个血样作为原始样本。 超连续谱激光光源的波长范围是450～2 400 nm。 分别采集抗凝管盛装血液样本的后向散射可见光谱（294～1 160 nm）和十个不同空间位点的前向散射近红外光谱（1 021～1 757 nm）， 将十一条光谱数据顺序连接为一维数据作为每个样本的原始数据。 利用主成分分析法对数据集进行特征信息提取， 保留原始差异信息量的99.99%， 同时将数据量压缩为原始数据量的1.5%， 提高分类识别的运算效率。 对不同数量的训练集和验证集进行训练预测实验表明， 十折交叉验证的识别误差率随着样本数量的增加而降低， 样本库规模的增大可以提高识别的精确度。 由于数据驱动模型是基于机器学习算法的数据流处理模型， 因而可以采用多种不同的分类算法实现。 通过比较人工神经网络、 支持向量机、 偏最小二乘回归、 多元线性回归、 随机森林和朴素贝叶斯的识别效果可以发现， 不同算法的识别效果具有类别差异性， 即各个算法的正确识别率排序在不同的物种中是有差异的。 因而实际应用中， 在选择数据驱动模型时， 除了需要考虑算法的整体识别率之外， 当对部分类别的识别效果有额外要求时， 还应该考虑算法本身的类别差异性。
非接触式血液物种识别 数据驱动模型 分类算法 Non-contact blood species recognition Data driven model Classification algorithm 光谱学与光谱分析
2018, 38(8): 2483
1 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所, 江苏 苏州 215163
2 中国科学院生物医学检验技术重点实验室, 江苏 苏州 215163
3 中国医学科学院生物医学工程研究所, 天津 300192
4 美国密西西比州立大学, 美国 密西西比 MS 39762
呼吸气体分析技术在疾病诊断和代谢监测方面无创性、实时性的优势使其成为一个颇具前途的研究领域，也是未来新型诊断仪器的发展方向。目前大多呼吸生物标志物的检测和定量分析均采用气相色谱-质谱联用技术。近几年来，激光光谱技术和激光光源的发展加速推进了呼吸气体分析研究的进展。与质谱技术相比，激光光谱技术不但具有高灵敏度、高选择性的优点，而且具有低成本、实时性及即时检测（POCT）的功能特点。目前，在已确定的35种呼吸生物标记物中，研究人员采用可调谐半导体激光吸收光谱、光腔衰荡光谱以及光声光谱技术进行了多种呼吸生物标记物人体呼吸气体实验，其相应生物标记物的光谱“指纹”涵盖了从紫外到中红外的光谱范围。
医用光学 呼吸气体分析 生物标记物 可调谐半导体激光吸收光谱 光腔衰荡光谱 光声光谱
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院, 天津 300072
2 中国医学科学院生物医学工程研究所, 天津 300192
基于二组分混和食用油的吸收系数是各自组分吸收系数按照掺杂比例的线性组合的假设以及朗伯-比尔吸收机理, 提出并推导了二组分食用混合油的线性混合数学模型。 该数学模型可根据相同厚度的两种原料油和其二组分混合油对相同光源的吸收光强变化计算出混合油的组分比例。 根据误差理论, 利用全微分公式分析了组分比例计算值的误差, 表明通过选择使两种原料油的透射光强和吸光度差值的乘积较大的波长位置, 可以优选出检测波长。 搭建了可见-近红外光谱检测系统, 利用花生油掺杂玉米油、 花生油掺杂大豆油和玉米油掺杂大豆油三种混合油对模型进行了验证。 结果表明, 该模型对掺杂10%以上的混合油的成分比例计算值和实际值的相对误差在5%以内, 相关系数分别达到0.999 4, 0.999 7和0.999 3, 标准误差分别为0.006 9, 0.005 1和0.007 6, 并证实本研究的波长选取方法是合理的。 此外, 对3种按同样比例组合的、 未混合的分立油样本进行了检测, 计算组合比的相对误差也可控制在10%以内, 同时揭示入射光源的平行度和待测装置的垂直度对检测精度有一定影响。 试验证明, 不同于传统的光谱结合化学计量学的检测方法, 本方法可以仅通过检测原料油和混合油在选定波长上的吸收光强即可准确计算得到掺杂比例。
线性混合 朗伯-比尔定律 掺杂 吸收光谱 定量分析 Linear mixing The Lambert-Beer’s Law Adulteration Absorption spectrum Quantitative analysis 光谱学与光谱分析
2017, 37(8): 2486
1 中国医学科学院生物医学工程研究所, 天津300192
2 天津大学精密仪器与光电子工程学院, 天津300072
为了进一步提高人体血液成分无创伤测量的精度, 从而达到临床的要求, 提出了人体血液成分无创伤测量的一种新方法, 这种方法是在血流受阻条件下, 基于动力双波长时间分辨透射测量, 将先进的时间门技术和拉普拉斯变换方法结合起来, 对人体血液成分进行无创伤测量。 该理论模拟了利用该方法在体测量人体血液参数, 模拟结果显示当p>0, 强调早期到达的光子的贡献时, 能提高人体血液参数的检测灵敏度。
时间分辨透射测量 人体血液参数 血流控制 拉普拉斯变换 Time-resolved transmittance measurement Human blood parameters Blood flow control Laplace transform 光谱学与光谱分析
2013, 33(9): 2536
1 天津医科大学生物医学工程, 天津 300070
2 中国医学科学院生物医学工程研究所, 天津 300192
在光腔衰荡光谱技术中衰荡信号虽不受入射光强变化的影响, 但入射光强大小并非任意选取。通过理论计算结合实验分析, 探讨脉冲光腔衰荡光谱技术中激光单脉冲能量的选取, 结果显示激光脉冲能量选取受反射镜的反射率、探测器灵敏度、增益及信噪比等因素限制。当入射光强度选取过低, 在探测器本身灵敏度和信噪比的限制下, 信号被淹没于噪声中, 无法检测信号; 入射光强度过高, 输出的光电流随光强的增大而趋向于饱和, 探测器的响应呈现非线性, 甚至出现漂白现象或损坏探测器。实验中, 激光光源单脉冲能量范围在33 nJ到1 μJ较为合适。
光腔衰荡光谱 单脉冲能量 参数选择 光电倍增管 cavity ring-down spectroscopy single pulse energy parameter selection photomultiplier tube
1 中国医学科学院生物医学工程研究所， 天津 300192
2 南开大学物理科学学院光子学中心， 天津 300094
3 军事交通学院， 天津 300161
利用蒙特卡罗方法对同一组光学参数分别模拟了半无限大平面、单层柱状和双层柱状生物组织中的吸收光子数密度，结果显示不同边界情况下光在生物组织中的传输有明显的差别。讨论了边界对生物组织中光传播的影响，模拟了柱状生物组织中的能流率随空间坐标的变化，并与实验结果进行了比较，验证了模拟计算的正确性。
生物光学 柱状生物组织中的光传输 蒙特卡罗模拟 光学特性参数 中国激光
2012, 39(10): 1004001
1 南开大学,物理学院,天津,300071
2 湛江师范学院,教育技术部,广东,湛江,524048
3 河北工业大学,电气与自动化学院,天津,300130
在中空的柱状有机玻璃中充入Intralipid-10%溶液构成单层圆柱模拟样品.在会聚单色光入射Intralipid-10%溶液的情况下,利用特制的光纤探头、锁相放大器、斩波器和微动平台等组成测试装置,测量了柱状Intralipid-10%溶液内后向散射光、能流率的空间分布情况,并对测量结果进行分析.对参量不同的溶液中的光分布进行了比较,得出了柱状溶液中光分布的初步规律.
生物光学 后向散射 会聚光 相对强度 能流率 柱状样品
