時(shí)域差分提取法在動態(tài)光譜檢測中的應(yīng)用

時(shí)域差分提取法在動態(tài)光譜檢測中的應(yīng)用

檢測血液生化指標(biāo)的研究進(jìn)展近年來，血液中的無創(chuàng)傷檢測日益成為生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的熱點(diǎn)。光學(xué)檢測因其清潔、方便和信息量大等優(yōu)點(diǎn)備受廣大研究人員重視,而在眾多光學(xué)無創(chuàng)血液成分檢測方法中又以近紅外光譜法的研究最具潛力。針對阻礙近紅外光譜技術(shù)臨床應(yīng)用的背景組織干擾問題,科研工作者做出了很多的努力并取得一定的進(jìn)展。國內(nèi)學(xué)者陳星旦等提出了“血流容積差光譜相減法”,并進(jìn)行一系列理論驗(yàn)證。徐可欣等提出利用“浮動基準(zhǔn)檢測理論”來消除組織背景干擾,雖在人體組織模擬液中驗(yàn)證了徑向基準(zhǔn)位置或基準(zhǔn)波長的存在,但考慮到人體組織復(fù)雜性質(zhì),在體確定基準(zhǔn)點(diǎn)可能會面臨較大困難。日本學(xué)者Yamakoshi等借鑒脈搏血氧原理研制了“脈搏血糖計(jì)”,采用了高性能的實(shí)驗(yàn)設(shè)備,建模預(yù)測取得了較好的數(shù)據(jù)處理效果,但在光譜信息提取方法上仍存在不足。作者所在課題組提出“動態(tài)光譜”血液成分無創(chuàng)檢測方法,并在DS提取方法上先后實(shí)現(xiàn)了DS頻域提取法和時(shí)域單拍提取法,后者比前者在提高DS精度上表現(xiàn)出更好的性能,但仍存在光譜提取精度不夠高、數(shù)據(jù)利用率低、處理速度較慢等缺點(diǎn)。為此,提出基于統(tǒng)計(jì)方法的DS差值提取法,以期克服單拍提取法的不足,進(jìn)一步改善DS提取的精度和速度。1dns理論和實(shí)現(xiàn)方法1.1動態(tài)光譜的概念動態(tài)光譜的定義為“順序提取各單波長對數(shù)光電脈搏波上對應(yīng)相同脈動血液容積變化的吸光度變化值組成的光譜即為動態(tài)光譜”。根據(jù)動態(tài)光譜的基本理論,在脈搏搏動過程中,除脈動部分的動脈血液外其他人體組織幾乎保持不變,因而動脈血液充盈程度的變化與光電脈搏波吸光度的變化具有一致性。1.2動態(tài)光譜的獲取DS單拍提取法利用所有波長下對數(shù)脈搏波的疊加平均效應(yīng)獲得對數(shù)PPG模板,以該模板為基礎(chǔ)獲取整個PPG中有效沿;以模板有效沿校正各波長PPG對應(yīng)有效沿并以此計(jì)算吸光度差分值,進(jìn)而得到單拍DS;然后利用3σ準(zhǔn)則優(yōu)選得到一組有效單拍動態(tài)光譜并進(jìn)行疊加平均作為最終動態(tài)光譜輸出。DS單拍提取法利用統(tǒng)計(jì)方法,通過對數(shù)PPG和單拍DS的平均效應(yīng)分別實(shí)現(xiàn)各波長對數(shù)PPG的波形誤差校正和含有粗大誤差單拍DS的有效剔除,降低異常干擾波形對DS譜線質(zhì)量的影響。1.3單波長差值的提取DS的基本思想是利用各波長對數(shù)PPG的峰峰值來實(shí)現(xiàn)對全部脈動動脈血液的吸光度光譜的提取,而利用各波長對數(shù)PPG上對應(yīng)時(shí)刻的差值同樣可獲取DS,實(shí)質(zhì)為部分脈動動脈血液的吸光度光譜。峰峰值DS為差值DS的一個特例。在理想狀態(tài)下峰峰值DS可實(shí)現(xiàn)最大限度獲得血液成分信息;然而,在實(shí)際檢測中有限的采樣率導(dǎo)致難以檢測到真正的峰值,所采集到的脈搏波的峰值還很可能是各種噪聲或外界干擾所致,因而直接用各波長對數(shù)PPG的峰峰值構(gòu)成DS將引入較大噪聲,為此課題組在DS的頻域提取法和時(shí)域單拍提取法的基礎(chǔ)上,為進(jìn)一步提高DS的提取質(zhì)量,提出通過提取各單波長對數(shù)PPG上對應(yīng)時(shí)刻兩采樣點(diǎn)的差值來獲取DS;為了確定最佳差值間隔、差值位置及有效篩選高質(zhì)量DS,在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)依次分別采用不同差值間隔順序滑動提取各個位置的差值DS,對各差值間隔下得到的差值DS利用統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行篩選得到相應(yīng)的一組有效的差值DS,選取其中離散程度最小的DS組進(jìn)行疊加平均得到一個與該個體對應(yīng)的DS結(jié)果來參與后續(xù)的建模和預(yù)測等數(shù)據(jù)分析。以上基本思想即構(gòu)成所謂的基于統(tǒng)計(jì)方法的動態(tài)光譜差值提取法,其具體實(shí)現(xiàn)過程將在DS差值提取數(shù)據(jù)處理步驟中詳細(xì)介紹。2數(shù)據(jù)收集和處理2.1數(shù)據(jù)采集和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集裝置主要由光源、光譜儀、PC機(jī)構(gòu)成,如圖1所示。光源采用飛利浦36W的溴鎢燈,波長范圍463～1356nm;光譜儀采用美國海洋公司QE65000型光譜儀,探測波長范圍為200～1200nm,信噪比大于1000∶1,波長分辨率約為0.81nm。光源直接照射手指,手指透射光經(jīng)光纖傳輸進(jìn)入光譜儀采集,光譜儀采集得到的光譜數(shù)據(jù)通過USB傳至PC機(jī),進(jìn)行數(shù)據(jù)的保存和后續(xù)處理。數(shù)據(jù)采集時(shí)受試者將手指前端輕輕覆蓋光纖測頭并保持接觸壓力基本恒定,設(shè)置光譜儀積分時(shí)間tint為50ms,在tint內(nèi)完成對由1044個波長對應(yīng)吸光度所組成光譜的同步采集,連續(xù)采集光譜數(shù)量M為512。對48名年齡在5～86歲之間的志愿者在上述條件下完成數(shù)據(jù)的采集,共采集到48組數(shù)據(jù)。綜合考慮光源和光譜儀性能參數(shù),僅對波長在588～1147nm波段內(nèi)的PPG數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。圖2所示為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采集的典型PPG,由圖2(a)可知同一個體的不同波長的PPG具有同步一致性;由圖2(b)和(c)可知同一波長下不同樣本的PPG在周期和峰峰值的大小上存在著較大的差別,該差異的產(chǎn)生主要由于不同個體在心率和手指組織成分含量上存在較大差異。2.2等級分析常用的差值歸一化差值基于動態(tài)光譜理論和DS差值提取法的原理,設(shè)計(jì)了DS差值提取法的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下:(1)對某個體各波長下PPG取對數(shù)獲取對數(shù)PPG;設(shè)置合理差值間隔范圍,根據(jù)人體脈率范圍(大約1～2Hz)和PPG數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣率,確定差值間隔范圍S為4～10個采樣點(diǎn)。(2)選取初始差值間隔S0為4,順序滑動地計(jì)算各波長差值PPG上相隔初始差值間隔的兩個采樣點(diǎn)的絕對差值ΔODi(i=1,2,3,…,M-S0)獲取各波長下的差值序列。如圖3所示為一個對數(shù)PPG周期內(nèi)進(jìn)行差值運(yùn)算的示意圖。(3)對各波長差值序列對應(yīng)時(shí)刻的差值進(jìn)行疊加平均得到差值序列模板,設(shè)置合理的差值閾值范圍,對所述差值序列模板中的差值進(jìn)行優(yōu)選,其目的在于剔除數(shù)值過小和異常的差值,如圖3中所示的ΔOD3。(4)根據(jù)差值PPG模板中優(yōu)選后剩余有效差值的位置,提取各波長差值序列的對應(yīng)時(shí)刻差值可得到k個初始差值DS,對各初始差值DS進(jìn)行歸一化獲取歸一化差值DS。光譜歸一化是基于短時(shí)間內(nèi)脈動血液成分構(gòu)成不變的前提,最終消除因不同時(shí)刻血液容積變化不同引起的光譜光程長的差異。(5)用歐式距離來描述各歸一化差值DS(Xi,i=1,2,3,…,k)與平均差值DS(ˉX)(Xˉˉˉ)之間的相似程度,計(jì)算每個差值DS與平均差值DS的歐氏距離D(Xi,ˉX)D(Xi,Xˉˉˉ),計(jì)算D(Xi,ˉX)D(Xi,Xˉˉˉ)的平均值ˉDDˉˉˉ,殘差νi,標(biāo)準(zhǔn)差σ。計(jì)算公式如下D(Xi,ˉX)=(Ν∑λ=1|Xi,λ-ˉXλ|)12,(i=1,2,3,?,k)(1)ˉD=1ΝΝ∑i=1D(Xi?ˉX)(2)νi=D(Xi?ˉX)-ˉD(3)σ=√Ν∑i=1ν2iΝ-1(4)(6)采用更嚴(yán)格的2σ準(zhǔn)則判斷所述各歸一化的差值動態(tài)光譜是否存在粗大誤差;如果殘差|νi|>2σ則認(rèn)為該差值DS含有粗大誤差予以剔除;否則予以保留;將含有粗大誤差的歸一化差值DS全部剔除后最終得到一組與初始差值間隔相對應(yīng)的有效差值DS組。(7)按照步驟(2)—(6),依次提取差值間隔范圍S中5～10的差值間隔對應(yīng)的有效差值DS組;選取其中離散性最小即σ最小的一組進(jìn)行疊加平均作為DS輸出,其對應(yīng)差值間隔為最佳差值間隔。3數(shù)據(jù)處理結(jié)果評估對實(shí)驗(yàn)裝置采集的48組數(shù)據(jù)分別采用差值提取法和單拍提取法進(jìn)行DS提取。根據(jù)數(shù)據(jù)處理的方法的不同,將差值提取法和單拍提取法提取的結(jié)果分別作為實(shí)驗(yàn)組和對照組。從三個方面對兩種方法的數(shù)據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行評估:(1)同一樣本DS去噪效果對比;(2)DS提取的有效性和穩(wěn)定性對比,分別以同一樣本中篩選得到有效DS組中DS的數(shù)量和離散程度作為對比指標(biāo),其中離散程度以均方誤差值作為數(shù)據(jù)指標(biāo);(3)DS提取速度對比。3.1實(shí)驗(yàn)組與對照組雜散散液去噪效果對比對實(shí)驗(yàn)組和對照組中對應(yīng)DS進(jìn)行對比,結(jié)果顯示實(shí)驗(yàn)組DS與對照組DS可實(shí)現(xiàn)較好的譜線重合,并且實(shí)驗(yàn)組在去噪方面效果稍好,出現(xiàn)以下兩種典型情況:(1)實(shí)驗(yàn)組相較于對照組具有更好的去噪效果,雜散尖峰有所減少,如圖4為第29例樣本的對比曲線。在48例樣本中有6例為此情況,占到樣本總數(shù)的12.5%;(2)實(shí)驗(yàn)組和對照組的DS良好重合,譜線去噪程度相近,如圖5所示為第36例樣本的對比譜線。在全部樣本中有42例呈現(xiàn)此類情況,占總樣本數(shù)的87.5%。3.2同一樣本有效ds的均方誤差對于同一個體可獲取有效DS的數(shù)量越多且均方誤差值越小則說明其DS有效性和穩(wěn)定性越強(qiáng),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用率越高且去除測量干擾的能力越強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)組和對照組中同一樣本有效DS的數(shù)量的對比結(jié)果如圖6所示,同一樣本有效DS間的均方誤差值對比如圖7所示。由圖6和圖7可以看出:差值提取法可提取DS的數(shù)量整體多于單拍提取法,同一樣本有效DS間的均方誤差則遠(yuǎn)低于單沿提取法。而第29例樣本為一個例外,其單拍提取法的均方誤差為0,其原因在于該樣本通過單沿提取法獲取有效DS數(shù)量僅為兩個。兩種方法總體對比結(jié)果如下:與單拍提取法相比,DS差值提取法可提取有效DS的平均個數(shù)由48個改善為130個;有效DS之間的均方誤差的平均值由0.39改善為0.006。表明DS差值提取法能更充分利用采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),改善了DS提取的有效性和穩(wěn)定性,有效提高了信號提取的精度。3.3提取法所需時(shí)間在同一臺PC機(jī)上分別采用單拍提取法和差值提取法對48組數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并記錄數(shù)據(jù)處理所需的時(shí)間,結(jié)果顯示:單沿提取法所用時(shí)間為26min,而差值提取法所用時(shí)間為75s。對比數(shù)據(jù)表明差值提取法的信號處理速度相比于單拍提取法提高了約20倍,顯著提高了動態(tài)光譜處理的效率。4ds差值提取法的應(yīng)用針對DS單拍提取法在提取動態(tài)光譜過程中出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用不充分、DS穩(wěn)定性和一致性較差和數(shù)據(jù)處理效率低等缺陷,從動態(tài)光譜的基本原理出發(fā),