CN103622703A - 人体组织血氧饱和度绝对量检测装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种人体组织血氧饱和度绝对量检测装置，包括电源模块、采集控制模块、光源驱动模块、探测机构以及放大/滤波模块，其中：该电源模块与采集控制模块电性连接；该采集控制模块与该光源驱动模块电性导通并包括光源选择计数器、同步触发器、多路开关A/D转换器以及数据处理器；该光源驱动模块连接并驱动所述探测机构以及该探测机构经所述放大/滤波模块与该采集控制模块电性导通，藉由前述结构或其构造的结合，实现了该检测装置，从而达成了血氧饱和度的绝对值检测、无创测量以及实时、便携、造价低廉以及使用快速、测量准确的良好效果。
Description
技术领域
本发明涉及医学仪器，尤指一种人体组织血氧饱和度绝对量检测装置及其方法。
背景技术
测量人体局部组织血氧饱和度的浓度，并观察其随时间变化的规律，有助于了解疾病患者及手术过程中的患者人体局部组织血氧饱和度的绝对值浓度，为医生的诊断提供依据。
本发明基于修正的Lambert-Beer定律，针对具有高散射的人体组织，将使用无损、安全、稳定的近红外检测方法，来监测血氧饱和度变化。脑组织血氧饱和度绝对值的测量在临床麻醉手术，重症患者监护应用中为医生及时提供有效地临床依据，在新生儿、早产儿监护、脑外科及心血管外科等领域有着重要意义。
与本发明相关已公示或授权的专利中，大部分专利是利用光学方法对人体组织血氧饱和度的参数进行无创检测。与本发明紧密相关的使用近红外光谱检测人体组织氧的有ZL 200310113534.7专利，其提出的吸氧刺激下新生儿脑部局部组织氧饱和度的检测方法，是对新生儿的局部脑组织在吸氧刺激下的血氧饱和度变化的相对量测量，不能进行绝对量测量，就不能反映病人与正常人之间的差异，或者病变区域与正常区域的差异。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的主要目的在于提供一种人体组织血氧饱和度绝对量检测装置及其方法，该装置对现有的人体局部组织血氧饱和度测量装置优化改良，同时能够实现对人体无创伤且可实时地检测人体局部组织血氧饱和度绝对值。
为达成上述目的，本发明应该的技术方案是：一种人体组织血氧饱和度绝对量检测装置，包括电源模块、采集控制模块、光源驱动模块、探测机构以及放大/滤波模块，其中：该电源模块与采集控制模块电性连接；该采集控制模块与该光源驱动模块电性导通并包括光源选择计数器、同步触发器、多路开关A/D转换器以及数据处理器；该光源驱动模块连接并驱动所述探测机构以及该探测机构经所述放大/滤波模块与该采集控制模块电性导通。
在本实施例中优选，所述探测机构包括光源及若干光敏传感器。
在本实施例中优选，所述光源为若干个至少可发出三个波长近红外光的LED灯组成，其中单一LED灯配套2组光敏传感器并呈三角状布设。
在本实施例中优选，所述光源为若干个至少可发出三个波长近红外光的LED灯组成，其中单一LED灯配套4组光敏传感器并呈X状布设。
在本实施例中优选，所述光源选择计数器、同步触发器、多路开关A/D转换器以及数据处理器通过电路集成一体，其中该光源选择计数器和该同步触发器分别与所述光源驱动模块电性导通并向该光源驱动模块传递指令信号；所述多路开关A/D转换器与所述放大/滤波模块电性连接并接受该放大/滤波模块传递的信号。
在本实施例中优选，该检测装置进一步包括记忆/显示单元，该记忆/显示单元连通所述采集控制模块并包括储存模块和显示模块。
在本实施例中优选，所述采集控制模块进一步包括与电脑导通的连接端口。
为达成上述目的，本发明应该的技术方案是：一种适于人体组织血氧饱和度绝对量检测装置的方法，包括将该探测机构附着于人体被检测部位，所述光源照射到人体皮层上，由所述光敏传感器探测经过人体皮层反射回来的光强信号的变化，从而间接地反映出人体血氧饱和度的的状况，其特征在于，该方法包括的步骤是：所述探测机构是以柔性带状组件为载体，并以阵列形式布设光源及光敏传感器于该柔性带状组件上；由光驱动模块控制探测机构的光源并由光敏传感器同步采集局部血氧饱和度绝对量检测的光强信号，经放大/滤波模块输入到采集控制模块，通过采集控制模块的数据处理器运算，得出可识别的数据参数并导入至记忆/显示单元。
在本实施例中优选，所述探测机构包括单个或每个检测通道，其中：单个或每个检测通道以光源和光敏传感器间距为横坐标X轴，以光密度为纵坐标Y轴，绘制不同间距下光密度变化分布，计算各个波长下所计算的光密度随间距变化的斜率和截距。
在本实施例中优选，所述柔性带状组件布设有4个光源及其与之配套的10组光敏传感器，其中：带状长度依患者额头的大小调节长度。
本发明与现有技术相比，其有益的效果是：
一是本发明测量的是人体局部组织血氧饱和度的绝对值含量，而不是相对变化量；
二是本发明选用多波长LED作为光源，使用连续波，价格低、信号稳定、方法易实现，可快速普及；
三是本发明可以给临床医生提供病人脑氧含量的一个基线，让医生对病人的身体情况做出更准确的判断；便于医生对病人与正常人血氧饱和度参量差异进行量化比较，对不同病人的病情差异进行量化判定；
四是本发明采用无创测量，在对被试者不造成痛苦/任何不适的情况下，实现了实时、便携、成本低廉、快速、准确的测量。
附图说明
图1是本发明实施例之方框结构示意图。
图2是图1中探测机构的光源与光敏传感器布局示意图。
图3是被检测部位的血红蛋白吸收光谱示意图。
图4是光源、光敏传感器在同一直线上的光谱术示意图。
图5是光源与两个光敏传感器不在同一直线上的光谱术示意图。
图6是光源与三个光敏传感器不在同一直线上的光谱术示意图。
图7是同一直线上双探测光双通道的光谱术示意图。
图8是不同直线上双探测光双通道的光谱术示意图。
图9是同一直线上三探测光双通道成像示意图。
图10是不同直线上三探测光双通道成像示意图。
图11是同一直线上双探测光三通道本像方法示意图。
图12是同一直线上双探测光四通道成像示意图。
图13是不同直线上双探测光四通道成像示意图。
图14是双探测光源六通道成像示意图。
图15是双光源同一直线上双探测光四通道成像示意图。
图16是双光源不同直线上双探测光四通道成像示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
请参阅图1并结合参阅图2所示，本发明提供一种人体组织血氧饱和度绝对量检测装置，该装置包括电源模块10、采集控制模块20、光源驱动模块30、探测机构40以及放大/滤波模块50，其中：该电源模块10与采集控制模块20电性连接；该采集控制模块20与该光源驱动模块30电性导通，并包括光源选择计数器21、同步触发器22、多路开关A/D转换器23以及数据处理器24；该光源驱动模块30连接并驱动所述探测机构40，以及该探测机构40经所述放大/滤波模块50与该采集控制模块20电性导通。
在本发明实施例中，所述探测机构40包括光源41及若干光敏传感器42，所述光源41为若干个至少可发出三个波长近红外光的LED灯组成，其中：单一LED灯配套2组光敏传感器42并呈三角状布设，或配套4组光敏传感器42并呈X状布设。
在本发明实施例中，所述光源选择计数器21、同步触发器22、多路开关A/D转换器23以及数据处理器24通过电路集成一体，其中该光源选择计数器21和该同步触发器22分别与所述光源驱动模块30电性导通并向该光源驱动模块30传递指令信号；所述多路开关A/D转换器23与所述放大/滤波模块50电性连接，接受该放大/滤波模块50传递的信号。
在本发明实施例中，进一步包括记忆/显示单元60，该记忆/显示单元60连通所述采集控制模块20并包括储存模块61和显示模块62。
在本发明实施例中，所述采集控制模块20还包括与电脑70导通的连接端口（未图示）。
请再参阅图1、图2并结合参阅图3至15所示，本发明提供一种适于该人体组织血氧饱和度绝对量检测装置的方法，包括将该探测机构40附着于人体额头部位，其中的近红外光光源41照射到大脑皮层上，由设有的光敏传感器42探测经过大脑皮层而获得反射回来的不同程度的光强信号，其光强信号发生的变化间接地反映了脑血氧饱和度的的状况（如图3所示），该光强信号并经放大/滤波模块50放大和滤波后，经由采集控制模块20输入到计算机（电脑70），藉此获得血氧饱和度绝对量检测的准确数据，供医务人员对患者病况进行参考并作出相应的处置措施，具体实现的方法是：
如图2所示，系适于血氧饱和度绝对量血氧检测的探测机构40，该探测机构40是以柔性带状组件为载体，并以阵列形式布设有4个光源41和10组（即20个）光敏传感器42，其带状长度为12~16cm，也可依患者额头的大小来调节长度，这样可以保证该探测机构40对前额叶的血氧饱和度变化做出准确响应。然而，该探测机构40既可以是单通道探测机构40，又可以是多通道探测机构40。单通道探测机构40适于绝对量血氧检测,既可以是包括至少可发出两种近红外段波长光的一个集成LED与至少两组光敏传感器42，且光敏传感器42均在LED的一侧并相邻紧挨；又可以是一组光敏传感器42和至少两个至少可发出两种近红外段波长光的集成LED，且LED均在光敏传感器42的一侧并相邻紧挨。光敏传感器42与LED的多个间距取值范围在2.5 cm至4.5 cm之间。相邻的光敏传感器42，或相邻的集成LED，器件中心间距取值小于等于1 cm。相邻的两光敏传感器42相对于LED的夹角小于等于13.5度；或相邻的两LED相对于光敏传感器42的夹角小于等于13.5度。多通道检测适于绝对量血氧探测机构40，所包含的各个通道为单通道。所包含的通道检测空间各不相同，但相邻的通道可共用光敏传感器42或光源。在图3中：一是光源41至少可发出三个波长近红外光的LED；二是与光源os距离为 
的光敏传感器p1；三是与光源距离为
的光敏传感器p2（像2、3这样的两个光敏传感器组成了一对光敏传感器通路），光源和光敏传感器可以互换位置；四是第一层组织，用T1表示；五是第二层组织，用T2表示；六是第三层组织，用T3表示。在这里，T1为皮肤，T2为颅骨和脑脊液，T3为脑组织（白质和灰质）。b1，b2为光子的运动轨迹。改变光源与光敏传感器的距离，可以测得不同组织层的信号。光敏传感器与光源位置可互换。在皮肤表面，就一对光敏传感器（至少为两个相邻的光敏传感器组成）而言，可以有不同的排列方式，如图4和图5所示。
在图4中，光源os，与光源距离为
的光敏传感器p1，与光源距离为的光敏传感器p2不在同一条直线上，新增的α是以os为中心，p1与p2所成的夹角。在这里，α的取值范围应满足
，典型值为
；与
的之间的距离小于1cm。
在图5中，有三个光敏传感器，α是以os为中心，p1与p2所成的夹角；β是以os为中心，p2与p3所成的夹角.在这里，α、β取值范围应满足
，典型值为
，
、
、
的取值范围应满足是
，典型值为
。
在实现局部脑组织血氧饱和度绝对量检测时，光驱动模块控制探测机构40的光源41，并由光敏传感器42同步采集局部血氧饱和度绝对量检测的光强信号，经放大/滤波模块50输入到采集控制模块20，通过采集控制模块20的数据处理器24运算，得出符合医务人员可识别的数据参数导入至记忆/显示单元60存储或显示，其中：该探测机构40包括单个或每个检测通道，其对单个或每个检测通道，是以光源41和光敏传感器42间距为横坐标X轴，以光密度为纵坐标Y轴，绘制不同间距下光密度变化分布，计算各个波长下所计算的光密度随间距变化的斜率和截距。通过光敏传感器42，我们可以得到不同的光信号电压值U，对于不同距离下的光源41及光敏传感器42，我们可以得到不同的U值，对于不同U值可以计算得到不同的光密度
，如公式
，其中，
和
分别为初始光强和透射光强，和
分别为初始电压和测得的出射电压信号。
实现中，以ρ为X轴，
为Y轴作图。在这里，一条光敏传感器通路用到的是两个光敏传感器，所以只需对这两对数据作图，这样我们就可以直接得到一条直线。当一条光源与光敏传感器通路是由三个或者更多光敏传感器组成的话，就需要用最小2乘估计适应的方法画出这条直线。基于画出的直线，可以得到斜率S和截距In。对应不同的波长，就会有不同的斜率
和截距
。对于
、
这两波长的光源可以得到两个斜率
、
，以及相应的截距
、
。在多波长的情况下对不同斜率求比值，如公式的关系，其中
，、
表示不同波长下的吸收系数
散射系数；
，i=1、2。当不同波长间的差距小于150nm时，可以认为
是近似的，由此得到了上述公式。
对单个或每个检测通道，使用上述公式所得的不同波长下的斜率
、
计算不同波长下局部脑组织的吸收系数之比
。
。
然而，使用至少两组不同波长下的局部脑组织的吸收系数之比值，计算血氧饱和度（
）的绝对量浓度：
具体地讲，图15将4个多波长发光二级管并排放在一条直线上，每个多波长近红外集成LED周围围绕着8个光敏传感器42用于探测反射回来的光强。图中1~4为光源os，5~24为光敏传感器42p。光源中心间的距离为40mm左右，光源中心与光敏传感器42中心间的距离为28mm左右，两相邻光敏传感器42间的距离为2mm左右。探头的总长度在16cm左右，选择的光源为735nm/805nm/850nm的多波长近红外集成LED。
综上所述，仅为本发明之较佳实施例，不以此限定本发明的保护范围，凡依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆为本发明专利涵盖的范围之内。
Claims (10)
1.一种人体组织血氧饱和度绝对量检测装置，包括电源模块、采集控制模块、光源驱动模块、探测机构以及放大/滤波模块，其特征在于：该电源模块与采集控制模块电性连接；该采集控制模块与该光源驱动模块电性导通并包括光源选择计数器、同步触发器、多路开关A/D转换器以及数据处理器；该光源驱动模块连接并驱动所述探测机构以及该探测机构经所述放大/滤波模块与该采集控制模块电性导通。
2.如权利要求1所述人体组织血氧饱和度绝对量检测装置，其特征在于：所述探测机构包括光源及若干光敏传感器。
3.如权利要求2所述人体组织血氧饱和度绝对量检测装置，其特征在于：所述光源为若干个至少可发出三个波长近红外光的LED灯组成，其中单一LED灯配套2组光敏传感器并呈三角状布设。
4.如权利要求2所述人体组织血氧饱和度绝对量检测装置，其特征在于：所述光源为若干个至少可发出三个波长近红外光的LED灯组成，其中单一LED灯配套4组光敏传感器并呈X状布设。
5.如权利要求1所述人体组织血氧饱和度绝对量检测装置，其特征在于：所述光源选择计数器、同步触发器、多路开关A/D转换器以及数据处理器通过电路集成一体，其中该光源选择计数器和该同步触发器分别与所述光源驱动模块电性导通并向该光源驱动模块传递指令信号；所述多路开关A/D转换器与所述放大/滤波模块电性连接并接受该放大/滤波模块传递的信号。
6.如权利要求1所述人体组织血氧饱和度绝对量检测装置，其特征在于：该检测装置进一步包括记忆/显示单元，该记忆/显示单元连通所述采集控制模块并包括储存模块和显示模块。
7.如权利要求1所述人体组织血氧饱和度绝对量检测装置，其特征在于：所述采集控制模块还包括与电脑导通的连接端口。
8.一种适于如权利要求1所述人体组织血氧饱和度绝对量检测装置的方法，包括将该探测机构附着于人体被检测部位，所述光源照射到人体皮层上，由所述光敏传感器探测经过人体皮层反射回来的光强信号的变化，从而间接地反映出人体血氧饱和度的的状况，其特征在于，该方法包括的步骤是：所述探测机构是以柔性带状组件为载体，并以阵列形式布设光源及光敏传感器于该柔性带状组件上；由光驱动模块控制探测机构的光源并由光敏传感器同步采集局部血氧饱和度绝对量检测的光强信号，经放大/滤波模块输入到采集控制模块，通过采集控制模块的数据处理器运算，得出可识别的数据参数并导入至记忆/显示单元。
9.如权利要求8所述的适于人体组织血氧饱和度绝对量检测装置的方法，其特征在于：所述探测机构包括单个或每个检测通道，其中：单个或每个检测通道以光源和光敏传感器间距为横坐标X轴，以光密度为纵坐标Y轴，绘制不同间距下光密度变化分布，计算各个波长下所计算的光密度随间距变化的斜率和截距。
10.如权利要求8所述的适于人体组织血氧饱和度绝对量检测装置的方法，其特征在于：所述柔性带状组件布设有4个光源及其与之配套的10组光敏传感器，其中：带状长度依患者额头的大小调节长度。
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