原創(chuàng) 長光所Light中心 中國光學

封面圖來源：普渡大學

撰稿 | R

01

導(dǎo)讀

近日，美國普渡大學威爾頓生物醫(yī)學工程學院的Sang Mok Park和Michelle A. Visbal-Onufrak等人在Optica發(fā)布了一項技術(shù)。他們成功開發(fā)出一款A(yù)pp（即mHematology），可僅依靠智能手機攝像頭來測定血紅蛋白水平。不需抽血即可進行最常見的臨床實驗室檢測，有助于減少患者親自上門診就診的需求，更容易監(jiān)控病情危急的患者，并改善檢測實驗室有限的低收入和中等收入國家的醫(yī)療水平。

02

背景介紹

作為最常見的臨床實驗室測試之一，血紅蛋白(Hgb)測試通常作為紅細胞生成減少的初步篩選，以在其他特定檢查之前檢查總體健康狀況。光譜分析通常用于測量血液血紅蛋白含量，因為它在可見波長范圍內(nèi)具有獨特的光吸收光譜或指紋。然而，這種類型的分析通常需要龐大且昂貴的光學元件，所以部署這種健康檢測方案對于患者并不友好。

而本項目的研究人員使用軟件將智能手機的內(nèi)置攝像頭轉(zhuǎn)換成高光譜成像儀，結(jié)合統(tǒng)計學習技術(shù)，該成像儀可以可靠地測量血紅蛋白水平，無需任何硬件改造或配件，其移動應(yīng)用被命名為mHematology。此外，研究人員選擇內(nèi)眼瞼作為感應(yīng)部位，因為那里的微血管系統(tǒng)很容易看到；它很容易接近，并且具有相對均勻的紅色。內(nèi)眼瞼也不受膚色的影響，因此無需任何個人校準。

圖1.用于移動健康(mHealth)血紅蛋白分析的光譜超分辨率(SSR)光譜學。

圖片來源：Vol. 7, No. 6 / June 2020 / Optica（Fig.1）

03

創(chuàng)新研究

使用本技術(shù)進行血紅蛋白測量的過程：病人拉下內(nèi)眼瞼，露出下面的小血管。然后，專業(yè)人士使用智能手機應(yīng)用程序mHematology拍攝眼瞼照片（閃光燈不會直接對準眼球）。再通過光譜超分辨率（SSR）算法用于從RGB照片中提取詳細的光譜信息，之后由另一種算法通過檢測獨特的光譜特征來量化血液血紅蛋白含量。盡管目前光譜信息是在單獨的計算機上使用一種算法提取的，但研究人員預(yù)計該算法可以整合到移動應(yīng)用中。此外，通過多元線性回歸分析表明，僅使用RGB數(shù)據(jù)(無提取光譜信息的中間步驟)可能無法提供足夠的信息來可靠地評估血液中的Hgb水平。

圖2.通過圖像引導(dǎo)的高光譜線掃描系統(tǒng)和mHematology移動應(yīng)用獲得的高質(zhì)量光譜。

圖片來源：Vol. 7, No. 6 / June 2020 / Optica（Fig.2）

3.1

光譜超分辨（SSR）算法

可見光范圍內(nèi)的高光譜數(shù)據(jù)是從一幅RGB圖像(即來自R，G和B通道的三色信息)中數(shù)學重建出來的。換句話說，它旨在將不適定問題作為從降采樣空間(三色值)到密集空間(多個波長)的逆映射來解決。

圖3.原始光譜與SSR重建光譜的比較。

圖片來源：Vol. 7, No. 6 / June 2020 / Optica（Fig.4）

3.2

譜特征量化血液血紅蛋白（Hgb）含量

當使用具有大量波長的高分辨率光譜時，我們可以從光譜強度中識別關(guān)鍵潛在變量，這些潛在變量負責捕獲結(jié)果變量(即血液血紅蛋白值)中的最大變化。因此，本項目使用了偏最小二乘回歸(PLSR)，以類似于主成分分析的方式將高維的測量變量轉(zhuǎn)換到一個縮減的潛在變量空間。為了避免預(yù)測模型可能的過擬合，我們確定了主成分的最佳數(shù)量，并用獨立的驗證數(shù)據(jù)集驗證了光譜血液Hgb預(yù)測模型。

圖4.使用mHematology移動應(yīng)用進行SSR血液Hgb測量的性能。

圖片來源：Vol. 7, No. 6 / June 2020 / Optica（Fig.5）

臨床測試顯示，該移動健康測試可以提供與傳統(tǒng)血液測試相當?shù)臏y量值，且測量范圍涵蓋廣泛的血紅蛋白值。該工作表明，數(shù)據(jù)驅(qū)動和以數(shù)據(jù)為中心的基于光的研究可以提供新的方法來最小化硬件復(fù)雜性和促進移動健康。研究小組組長Kim說，“將當今智能手機中的內(nèi)置傳感器與以數(shù)據(jù)為中心的方法相結(jié)合，可以加快這一領(lǐng)域的創(chuàng)新和研究轉(zhuǎn)化速度?！?/p>

文章信息：

相關(guān)成果以“ mHealth spectroscopy of blood hemoglobin with spectral super-resolution ”為題發(fā)表在 Optica 。

論文地址：

https://doi.org/10.1364/OPTICA.390409

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【長春光機所·Light學術(shù)出版中心-期刊導(dǎo)航】

原標題：《手機拍張照就能檢查“血常規(guī)”的App》

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