1 华中科技大学光学与电子信息学院，湖北 武汉 430074
2 华中科技大学武汉光电国家研究中心，湖北 武汉 430074
3 中国科学院光电技术研究所，四川 成都 610209
生物体内元素的微小变化可以直接影响生物的代谢和生理过程。快速、精准的生物体内元素定性定量分析，是新陈代谢检测以及临床疾病诊断中不可或缺的部分。随着医学检测技术的不断发展和临床需求的不断增加，寻找一种更新、更快、适应性更强的临床分析和诊断技术成为当前的研究热点。在生物医学研究中，激光诱导击穿光谱（LIBS）技术凭借着快速、实时、多元素同步检测的优势，在血液、病理组织检测和元素分布成像等方面展现出了极大的应用价值。本综述回顾了近年来LIBS技术在生物医学应用中的研究状况和最新进展，基于目前的研究状况，评估了LIBS技术在血液检测、生物组织分析、元素成像应用领域的挑战和机遇，还为进一步促进LIBS技术在生物医学领域的应用提供了建议。
光谱学 激光诱导击穿光谱 生物医学 血液检测 组织分析 元素成像 激光与光电子学进展
2023, 60(24): 2400004
1 天津大学医学工程与转化医学研究院，天津 300072
2 天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072
3 复旦大学工程与应用技术研究院，上海 200043
4 季华实验室，广东 佛山 528200
5 天津中医药大学，天津 301617
临床上采用的皮肤血液灌注成像技术存在速度慢、成本高、只能测量皮肤表面特定位置处的血液灌注信息等问题。为解决上述问题，提出了一种基于成像式光电容积描记技术（IPPG）的皮肤血液灌注成像方法。首先，利用Lucas-Kanade光流法对图像序列进行特征点动态跟踪，通过仿射变换对图像进行校正，减少运动伪影，改善IPPG信号质量。然后，采用滑动窗口遍历图像，获取各个窗口空间像素平均信号与整张图像空间像素平均信号的斯皮尔曼相关系数，并进行相关性地形图成像，以获取皮肤血液灌注分布图像。实验结果表明，所提皮肤血液灌注成像方法的正确率为81.82%，且整体成像质量和正确性优于其他已有方法。除此之外，所提方法在人体表皮最厚的四肢区域依然适用，表明其具有广泛的适用性。
医用光学 皮肤血液灌注成像 成像式光电容积描记技术 Lucas-Kanade光流法 斯皮尔曼相关系数
1 1.中国科学院 上海硅酸盐研究所 高性能陶瓷与超微结构国家重点实验室, 上海 200050
2 2.中国科学院大学 材料科学与光电工程中心, 北京 100049
3 3.慈溪生物材料表面工程中心, 宁波 315300
4 4.海军军医大学 东方肝胆外科医院, 上海 200438
镍钛合金血管支架植入后可引发血栓和支架再狭窄, 且对损伤的血管内壁无修复作用, 需进行表面改性赋予其抗凝血和促内皮化生物学功能。本研究采用等离子体浸没离子注入与沉积(PIII&D)技术将钽(Ta)注入至镍钛合金, 研究Ta离子注入对镍钛表面理化特性及生物学性能的影响规律。结果表明, 调控Ta离子注入时间, 可在镍钛表面分别构建含Ta、Ta/Ta2O5、Ta/Ta2O5-x/Ta2O5三种不同组分的改性层。各种改性样品中, 含Ta/Ta2O5-x/Ta2O5的改性镍钛表面亲水性均更好, 可提供更多细胞附着位点, 促进人脐静脉内皮细胞早期粘附和铺展, 并提高其增殖能力。相比仅含单质Ta的改性镍钛表面, 含Ta/Ta2O5-x/Ta2O5改性镍钛表面的血液相容性更高, 血小板粘附数量显著减少, 且基本保持为未被激活的球形状态; 各组改性表面的溶血率远低于5%阈值, 均未发生明显溶血现象。上述结果说明, Ta离子注入改性镍钛血管支架在降低血栓形成、加速内皮化方面具有潜在应用。
镍钛合金 钽 离子注入 血液相容性 nitinol tantalum ion implantation hemocompatibility
江西科技师范大学光电子与通信省级重点实验室, 江西 南昌 330038
为了实现快速准确并可回收再利用地鉴别真血和假血, 采用光声光谱技术构建了一套血液光声检测系统并获取血样的光声信号。 选取三种动物真血(马血、 牛血和兔血)和两种假血(道具假血和红墨汁)共125组血样作为实验样本。 获取了700~1 064 nm波段内所有样本的光声信号和光声峰峰值谱。 实验表明, 真血和假血的光声信号幅度、 轮廓、 峰值时间点和光声峰峰值均存在差异。 为了实现高准确度的真假血液分类识别, 采用了遗传优化的小波神经网络(WNN-GA)算法, 对全波段100组样本进行训练, 并构建了类Morlet小波基函数, 然后对25组测试血样进行分类识别。 利用遗传算法对WNN网络的权值、 阈值和小波基函数平移、 伸缩因子进行了优化, 同时通过调节两个学习率因子, 将真假血液的分类识别率提高了24%。 采用主成分分析(PCA)对全波段血样光声峰峰值进行特征提取, 再利用WNN-GA算法进行训练和分类识别。 结果表明, 在主成分个数为6时, PCA-WNN-GA融合算法可以使真假血液的分类识别率提高到100%。 与另外6种分类识别算法相对比, 该融合算法的识别准确率明显占优。 光声光谱技术联合PCA-WNN-GA算法, 可以准确地实现真假血液的分类鉴别。
光声光谱 脉冲激光 分类识别 血液 Photoacoustic spectroscopy Pulsed laser Classification and identification Blood 光谱学与光谱分析
2021, 41(9): 2734
1 北京工业大学环境与生命学部, 北京 100124
2 浙江大学医学院附属儿童医院国家儿童健康与疾病临床医学研究中心, 浙江 杭州 310003
利用共聚焦拉曼光谱技术, 对人工心脏泵不同剪切应力下受到亚损伤的红细胞进行实验研究, 验证拉曼光谱对红细胞亚损伤程度的评估能力, 为血液损伤评价提供了一种新的思路。 实验采集血红蛋白和红细胞的拉曼光谱标准谱图并进行对比分析, 以确定红细胞谱图特征峰的归属。 用血液剪切力试验平台对测试血样施加暴露时间为1 s, 大小分别为0, 50, 100, 150, 200, 250和300 pa的剪切力。 利用共聚焦拉曼仪器, 在10倍长焦物镜, 532 nm激光光源波长, 积分时间10 s, 积分次数2次, 2.5 mW功率下采集剪切应力作用后的红细胞拉曼谱图。 通过归一化的方法对比红细胞的拉曼谱图变化, 评估红细胞亚损伤的程度, 运用曲线拟合方法对特征峰和剪切应力进行拟合, 验证拉曼光谱对红细胞亚损伤的评估能力。 对比血红蛋白和红细胞的拉曼光谱标准谱图发现, 红细胞谱图能够反映血红蛋白的内部结构。 且结果表明, 拉曼光谱法可以用于区分不同剪切应力下亚损伤的红细胞, 推断剪切应力可以透过细胞膜从而影响到其内部的血红蛋白结构。 且随着剪切力的增大, 1 376 cm-1位置左侧谱线呈现明显抬高趋势, 1 549和1 604 cm-1位置的峰强增高, 1 639 cm-1位置的氧浓度标记带ν10振动谱带减弱。 其中1 549 cm-1位置的峰强为亚铁离子高自旋带, 在不同剪切力的作用下, 峰强差异表现最明显, 与剪切应力呈明显的正向线性关系, 拟合效果良好。 拉曼光谱法检测样本处理简单、 耗时短、 操作简便、 重现性好, 且可以精确的检测到细胞内部结构的细微变化, 可以评估红细胞的亚损伤程度, 弥补了传统评价溶血的方法的不足, 为人工心脏泵血液损伤评价提供了新的技术手段, 拓宽了拉曼检测方法的应用领域。
红细胞 血红蛋白 拉曼光谱 血液损伤 剪切应力 人工心脏 Red blood cell Hemoglobin Raman spectroscopy Blood injury Shear stress Artificial heart 光谱学与光谱分析
2021, 41(6): 1811
1 湖南农业大学动物科技学院, 长沙 410128
2 湖南畜禽安全生产协同创新中心, 长沙 410128
3 中国科学院亚热带农业生态研究所, 长沙 410125
本试验研究了在饲料中添加活性酵母及培养物对不同泌乳期荷斯坦奶牛泌乳性能、采食量、血液生化指标及免疫力的影响。试验采用两因素完全随机区组试验设计, 根据体重、胎次相近原则, 将48头体重为(534±20)kg的泌乳期奶牛分为4组, 每组12头, 其中泌乳前期6头, 泌乳中期6头。对照组(CG组)饲喂基础日粮, 另外3个试验组分别在对照组的基础上添加0.075%乐斯福酵母(LY组)、0.100%富硒酵母(SY组)以及0.075%乐斯福酵母和0.100%富硒酵母的混合物(LY+SY组)。试验总周期为45 d, 其中包括10 d预饲期和35?d正式期。试验结果表明: 1)相比于对照组和其他2个试验组, SY组均显著提高了产奶量(P<0.05); 2)各处理组之间奶牛采食量无显著差异(P>0.05), SY组泌乳初期的饲料利用率显著低于LY组和LY+SY组, 而在泌乳中期, 不同处理对饲料利用率无显著性影响(P>0.05); 3)泌乳前期, 奶牛血液中的淀粉酶(AMY)以CG组中的含量最高, 但差异并不显著(P>0.05), 而在泌乳中期, LY+SY组奶牛血液中AMY和乳酸脱氢酶(LDH)的含量显著高于其他3个试验组(P<0.05); 泌乳前期, 各处理组奶牛血液中的3种免疫球蛋白含量差异不显著(P>0.05), 而在泌乳中期, LY+SY组的IgG含量显著高于CG组和SY组(P<0.05)。综上可知, 饲料中添加活性酵母和培养物对提高奶牛的免疫力有积极作用。本研究为养殖业中奶牛的饲料配方提供了一定的理论支撑和指导意义。
活性酵母 酵母培养物 产奶性能 血液生化指标 免疫力 active yeast yeast culture milk production performance blood biochemical indicators immunity
医学光电科学与技术教育部重点实验室, 福建省光子技术重点实验室, 福建师范大学光电信息与工程学院, 福州 350007
基于表面增强拉曼光谱(SERS)技术对于人体细胞组织与血液的检测和研究, SERS光谱技术能够发现正常组织与病变组织的差异性, 为医学临床上实现癌症的早期诊断提供了科学依据。由于鼻咽癌不具有明显的病变特征、病灶的位置难以通过常规医学手段检测。因此利用SERS光谱技术, 应用于鼻咽癌细胞组织与血液的研究, 可提高鼻咽癌患者的生存率。对鼻咽癌细胞组织与血液SERS光谱分析和诊断的探索研究, 有助于SERS光谱技术发展成为一种在生物医学领域中的分析检测手段, 在医学临床诊断上具有潜在的应用前景。
表面增强拉曼光谱技术 鼻咽癌 细胞 组织 血液 surface enhanced raman spectroscopy nasopharyngeal carcinoma cell tissue blood
1 长春理工大学理学院, 吉林 长春 130022
2 中国农业科学院长春兽医研究所, 吉林 长春 130122
3 西安交通大学数学与统计学院, 陕西 西安 710048
光谱技术在生物和医学检测方面具有积极的应用前景。 由于血液成分的复杂性和类同性, 有关不同动物血液光谱识别分类的技术研究尚未出现较为完善的结论。 基于机器学习理论, 以BP神经网络为工具, 建立了对不同动物血液荧光光谱进行特征提取和识别分类的方法。实验采用Cary Eclipse光谱仪分别采集了鸽、 鸡、 鼠、 羊四种动物不同浓度(1%和3%)的全血与红细胞荧光光谱数据(每个类型样本各50组数据); 基于移动平滑算法对原始数据进行了平滑处理, 以减少实验仪器噪声对特征提取和识别分类的影响; 进一步根据血液光谱数据的特性, 该文出了“组合放大”的特征提取方法, 并建立了BP神经网络分类器进行训练和识别。 相比于常用的光谱数据(单一)特征, 提出的“组合放大”特征和所设计的BP神经网络能对不同动物、 不同类型(全血与红细胞)、 不同浓度(1%和3%)的血液荧光光谱实现100%的准确分类, 同时神经网络测试误差均远小于设定的允许误差值。 研究的动物血液光谱特征提取及识别技术具有较好的普适性和可靠性, 在农业、 食品检查、 以及生物医学检测等方面均可发挥重要作用。
荧光光谱 血液光谱识别 BP神经网络 组合放大法 Fluorescence spectra Blood spectrum recognition BP neural network Combination and amplification method 光谱学与光谱分析
2018, 38(10): 3136
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
