楊小金 黃之初 曾宇娟 覃云清

膽固醇（cholesterol）是一種小分子的環(huán)戊烷多氫菲衍生物，又稱(chēng)為膽甾醇。它廣泛存在于動(dòng)物細(xì)胞膜的脂質(zhì)雙分子層中，動(dòng)物體以它為前體，可在不同器官內(nèi)合成膽汁酸、醛固酮等重要的調(diào)節(jié)性小分子化合物，以及睪丸酮、皮質(zhì)醇、雌二醇等多種腎上腺皮質(zhì)激素。因此，膽固醇在體內(nèi)發(fā)揮著重要的生理作用。但當(dāng)其過(guò)量時(shí)，也極易對(duì)機(jī)體產(chǎn)生不利的影響，臨床上稱(chēng)為高膽固醇血癥。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，高膽固醇血癥與多種疾病例如動(dòng)脈粥樣硬化、膽石癥及靜脈血栓形成有著緊密的聯(lián)系。血液中膽固醇檢測(cè)結(jié)果通常被作為診斷動(dòng)脈粥樣硬化、高血壓、肝炎、冠心病的重要依據(jù)之一[1-2]。血清膽固醇是醫(yī)院檢驗(yàn)科的常規(guī)生化檢測(cè)項(xiàng)目，目前多采用化學(xué)試劑法和酶檢測(cè)法，但這些方法都需要有創(chuàng)采集患者靜脈血，對(duì)試劑及實(shí)驗(yàn)環(huán)境均有嚴(yán)格要求，甚至存在交叉污染的可能性[3]。本文欲探索一種更為便捷、準(zhǔn)確的光譜檢測(cè)法來(lái)取代傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室試劑檢測(cè)法。

由于近紅外光譜技術(shù)擁有快速、無(wú)創(chuàng)、低成本等無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，臨床上的血液和組織成分分析上均有其廣泛的應(yīng)用[4]。近期，它也已經(jīng)成為生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域炙手可熱的研究重點(diǎn)[5]。經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，可以較為成熟地在離體條件下利用近紅外光譜法來(lái)測(cè)定血液中血紅蛋白、血糖及一些相關(guān)成分[6-7]。然而，其在體的測(cè)量結(jié)果卻差強(qiáng)人意。失敗的原因有很多，其中個(gè)體差異和外部測(cè)量條件是該技術(shù)存在的最為突出的問(wèn)題。為了消除這些影響，在近紅外光譜法的基礎(chǔ)上，學(xué)界提出了一種新的無(wú)創(chuàng)檢測(cè)方法——?jiǎng)討B(tài)光譜法[8]。該方法系統(tǒng)地設(shè)計(jì)了相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理和調(diào)整了檢測(cè)精度，已取得了相當(dāng)顯著的在體實(shí)驗(yàn)結(jié)果[9-10]。經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)后續(xù)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，動(dòng)態(tài)光譜法現(xiàn)已被應(yīng)用于血紅蛋白和多種其他蛋白等血液成分含量的檢測(cè)中[11-12]。但利用該法進(jìn)行膽固醇這一醇類(lèi)含量檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)研究稍顯不足，本文就利用該法對(duì)人體血液中膽固醇含量的檢測(cè)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析探索。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備 使用美國(guó)海洋公司的QE65000型光譜儀，波長(zhǎng)范圍210～1100 nm，通過(guò)USB與計(jì)算機(jī)相連。本儀器由光源、光纖入口、光譜儀、USB數(shù)據(jù)傳輸線3部分組成。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，光源發(fā)出的光線透射過(guò)被測(cè)者手指，由光譜儀采集光線數(shù)據(jù)，并經(jīng)光譜儀內(nèi)自帶的光電轉(zhuǎn)換器將光源數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，導(dǎo)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理 光的頻率經(jīng)過(guò)人體組織時(shí)，會(huì)有不同程度的衰減?？傮w來(lái)講，600～1000 nm的光衰減率較小，而在光波衰減圖中可以看出，在600～650 nm波段內(nèi)，膽固醇對(duì)光有比較明顯的吸收。利用此原理，本研究通過(guò)對(duì)600～650 nm波段范圍內(nèi)的光譜吸收情況來(lái)分析待測(cè)者體內(nèi)膽固醇的含量。

1.3 測(cè)量對(duì)象及過(guò)程 實(shí)驗(yàn)對(duì)象為本院2013年10月-2014年1月的96名健康體檢者，年齡18～65歲，清晨空腹。檢測(cè)時(shí)需保證待測(cè)者心情平靜，輕輕將其右手食指完整覆蓋方形的光纖入口，接觸力度保持穩(wěn)定，靜置60 s，通過(guò)光譜儀采集光譜數(shù)據(jù)。待確認(rèn)采集到光譜數(shù)據(jù)后，即由本院體檢科護(hù)士對(duì)被測(cè)者實(shí)行肘部抽取靜脈血3 mL，靜置5 min，速送檢驗(yàn)科，3000 r/min離心10～15 min取上層血清用奧林巴斯AC640全自動(dòng)生化分析儀器進(jìn)行檢測(cè)分析而獲取其血液膽固醇含量的真實(shí)值。

1.4 主成分提取 目的在于將數(shù)據(jù)集簡(jiǎn)化，減少數(shù)據(jù)集的維數(shù)，保留數(shù)據(jù)的最重要部分。

1.5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的建立 在生物醫(yī)學(xué)工程等很多領(lǐng)域中，都會(huì)使用到人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（artificial neural network，ANN）方法，這種非線性建模方法具有很強(qiáng)的函數(shù)逼近能力。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用業(yè)內(nèi)廣泛認(rèn)可且使用的3層（單隱含層）誤差反向傳播BP網(wǎng)絡(luò)模型模擬法。該算法將樣本數(shù)據(jù)分成兩個(gè)子集，分別作為校正和預(yù)測(cè)用。在本實(shí)驗(yàn)中，將96位待測(cè)者分為兩個(gè)子集，其中81個(gè)樣本作為模型校正集，15個(gè)樣本作為預(yù)測(cè)集。設(shè)置輸出層神經(jīng)元數(shù)為1，輸入層神經(jīng)元數(shù)為32。采用網(wǎng)格計(jì)算法，將雙隱含層神經(jīng)元最優(yōu)個(gè)數(shù)分別調(diào)整為 21和9。

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理 采用SPSS18.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行F檢驗(yàn)。

2 結(jié)果

2.1 血清膽固醇的預(yù)測(cè)值與真實(shí)值的比較 預(yù)測(cè)集15位待測(cè)者的膽固醇預(yù)測(cè)值、真實(shí)值及相對(duì)誤差如下表l所示。從表1可以看出，預(yù)測(cè)值與真實(shí)值之間的相對(duì)誤差較小，最大相對(duì)誤差為25.33%，最小相對(duì)誤差為0.39%，平均相對(duì)誤差為13.49%。

表1 血清膽固醇的預(yù)測(cè)值與真實(shí)值的比較

2.2 參與建模與預(yù)測(cè)的樣本主要數(shù)據(jù)參數(shù)結(jié)果 參與建模與預(yù)測(cè)的樣本各主要數(shù)據(jù)參數(shù)結(jié)果如下：校正模型的相關(guān)系數(shù)達(dá)到98.8%，預(yù)測(cè)樣本集中預(yù)測(cè)值與檢驗(yàn)值相關(guān)系數(shù)高達(dá)95.65%，預(yù)測(cè)誤差均方根（rootmeansquare error of prediction，RMSEP）為 -0.2526 mmol/L。

3 討論

高脂血癥所致的心血管系統(tǒng)疾病及其危險(xiǎn)日趨突出，越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)外研究表明，血脂增高尤其是膽固醇增高是導(dǎo)致冠心病（CHD）的危險(xiǎn)因素[13-16]。也有報(bào)道說(shuō)患者血清膽固醇顯著增加容易發(fā)生動(dòng)脈粥樣硬化癥，使得冠脈發(fā)生狹窄，最終導(dǎo)致血供不足、缺血、心肌損傷壞死[17]。隨著人們對(duì)血液中高膽固醇濃度與冠心病風(fēng)險(xiǎn)間關(guān)系認(rèn)識(shí)的不斷增加，對(duì)于膽固醇的關(guān)注也在持續(xù)增加，并引發(fā)了人們對(duì)于人體內(nèi)膽固醇濃度檢測(cè)的興趣。與此同時(shí)，世界范圍內(nèi)空前地把焦點(diǎn)聚在了臨床實(shí)驗(yàn)室上，人們迫切需要膽固醇濃度的可靠檢測(cè)方法[18]。動(dòng)態(tài)光譜的無(wú)創(chuàng)血液成分檢測(cè)是利用近紅外和可見(jiàn)光照射指端得到透過(guò)人體脈動(dòng)血液的光強(qiáng)信息。透射光的強(qiáng)度變化理論上僅僅來(lái)自于動(dòng)脈的充盈和收縮，而血液成分對(duì)不同波長(zhǎng)光的吸光度差異會(huì)反映在不同波長(zhǎng)下的光電對(duì)數(shù)脈搏波的幅值上，可以消除皮膚組織、皮下組織等一切具有恒定吸收特點(diǎn)的人體成分對(duì)于動(dòng)脈血液吸光度的影響。通過(guò)檢測(cè)透射對(duì)數(shù)光電脈搏波的峰峰值，即可得到含有n種血液成分濃度信息的方程組，建立相關(guān)模型便可得到相應(yīng)的血液成分濃度。

本次實(shí)驗(yàn)中的動(dòng)態(tài)光譜法結(jié)合了主成分分析法和ANN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非線性建模法。主成分分析法大大排除了實(shí)驗(yàn)中的冗余信息，最大限度地減少了無(wú)用數(shù)據(jù)量，提高了建模效率并對(duì)良好預(yù)測(cè)結(jié)果的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。ANN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非線性建模法則合理地預(yù)測(cè)了兩種方法的相對(duì)誤差，確定了動(dòng)態(tài)光譜法的可行性。

通過(guò)動(dòng)態(tài)光譜法和血液生化分析法對(duì)96名健康體檢者進(jìn)行了血液中膽固醇含量的對(duì)比分析，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)指出，預(yù)測(cè)值與真實(shí)值最大相對(duì)誤差為25.33%，最小相對(duì)誤差為0.39%，平均相對(duì)誤差為13.49%，而預(yù)測(cè)樣本集中預(yù)測(cè)值與檢驗(yàn)值相關(guān)系數(shù)高達(dá)95.65%，校正模型的相關(guān)系數(shù)也達(dá)到了98.8%?？梢钥闯?，某些樣本的預(yù)測(cè)值與檢測(cè)值相對(duì)誤差較大，達(dá)到了20.81%～25.33%，但這是由其本身真實(shí)值較小導(dǎo)致的，兩者的絕對(duì)誤差較小，不會(huì)影響醫(yī)生對(duì)膽固醇含量的診斷，所以可認(rèn)為該建模方法取得了較好的預(yù)測(cè)效果，待測(cè)者體內(nèi)膽固醇含量的預(yù)測(cè)值與真實(shí)值之間相對(duì)誤差較小。故采用動(dòng)態(tài)光譜法對(duì)膽固醇含量進(jìn)行測(cè)量是一種精確性很高的無(wú)創(chuàng)檢測(cè)分析方法。但本實(shí)驗(yàn)還缺乏足夠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，無(wú)法搭建室內(nèi)質(zhì)量評(píng)價(jià)體系，對(duì)樣品無(wú)法實(shí)行質(zhì)量控制，這也是該方法在日后推廣過(guò)程中需要進(jìn)一步探索的問(wèn)題。

膽固醇檢測(cè)方法的發(fā)展歷史是人類(lèi)不斷探索自然世界奮斗史的一小段縮影，體現(xiàn)了人類(lèi)不滿足于現(xiàn)有方法，對(duì)簡(jiǎn)便、安全、準(zhǔn)確的新方法的持之以恒的追求[18]。光譜法在血液和組織成分分析上得到廣泛的應(yīng)用，具有無(wú)創(chuàng)、快速、準(zhǔn)確等特點(diǎn)[19-20]。采用動(dòng)態(tài)光譜法對(duì)膽固醇含量進(jìn)行無(wú)創(chuàng)檢測(cè)，為人體膽固醇含量的檢測(cè)提供了新的快捷簡(jiǎn)便分析方法，開(kāi)創(chuàng)了動(dòng)態(tài)光譜法在人體血液膽固醇含量的檢測(cè)新篇章。

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