CN103735273A - 一种局部脑组织血氧饱和度绝对量检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种局部脑组织血氧饱和度绝对量检测装置及检测方法，本发明的装置包括能发射近红外光到待测局部脑组织表面、并探测从待测局部脑组织表面反射回来的光强的光学探头，以及控制所述光学探头发射、获取光学信号的控制器。本发明选用多波长光源，使用连续波，价格低、信号稳定、方法易实现，可快速普及，采用普通光敏探测器，既保障了较高的测量灵敏度，又大大提高了仪器的便携性；本发明可以无创、实时、快速、准确地检测生物组织的血氧饱和度绝对值，从而准确反映出病变区域与正常区域的差异，或者反映病人与正常人之间的差异。

Description

一种局部脑组织血氧饱和度绝对量检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及生物医学工程技术领域，具体是一种局部脑组织血氧饱和度绝对量检测装置及检测方法。

背景技术

测量脑组织血氧饱和度的浓度，并观察其随时间变化的规律，有助于了解脑疾病患者及手术过程中的患者局部脑组织血氧饱和度的绝对值浓度，为医生的诊断提供依据。

目前，研究人员一般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。在使用近红外光谱方法检测人体组织氧的技术发明专利中，中国发明专利200310113534.7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，因此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

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种局部脑组织血氧饱和度绝对量检测装置及检测方法，无创、实时地检测生物组织的血氧饱和度绝对值，从而正确反映生物体病变区域与正常区域的差异。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种局部脑组织血氧饱和度绝对量检测装置，包括能发射红外光到待测局部脑组织表面、并探测从待测局部脑组织表面反射回来的光强的光学探头，以及控制所述光学探头获取光学信号的控制器。

本发明的光学探头包括一个以上可发出至少两种波长近红外光的光源和设置在所述光源周围的一个以上探测通道，所述探测通道包括两个以上光敏探测器。

本发明的光学探头可以采用一个可发出至少三种波长近红外光的光源，所述光源中心点与所述光敏探测器中心点之间的距离为2.5cm～4.5cm；同一探测通道上相邻的两个光敏探测器的中心点之间的距离不超过1cm；同一探测通道上相邻的两个光敏探测器的中心点与光源中心点之间的两根连线的夹角α的取值范围为0<α<13.5⁰。

所述光敏通道可以采用两个光敏探测器，两个光敏探测器的中心点与光源中心点之间的两根连线的夹角α的取值范围为4.9⁰<α<9.5⁰。

所述光敏通道还可以采用三个光敏探测器，相邻两个光敏探测器的中心点与光源中心点之间的连线的两个夹角取值范围均为0～6⁰。

本发明的光学探头也可以采用两个以上至少可发出两种波长近红外光的光源，相邻两个光源中心点之间的距离不超过1cm。

本发明的光学探头可以是四个均匀分布在同一条直线上的光源和两组分布在所述光源所在直线上下两侧的探测通道，每组探测通道包括五个均匀分布的探测通道，相邻的两个光源之间共用该两个光源之间的两个探测通道。

本发明还提供了一种上述装置检测血氧饱和度绝对量的方法，该方法为：

1）光源照射到待测局部脑组织表面，利用下式计算光密度OD：

$\mathrm{OD}=\log \frac{I_o}{I}=\log \frac{U_o}{U}$

其中，I_o和I分别为初始光强和透射光强，U_o和U分别为初始电压和测得的出射电压信号。

2）以光学探头中光源和与该光源周围的光敏探测器之间的间距为横坐标，以上述光密度为纵坐标，绘制不同间距下光密度变化分布，计算光源发出的两种波长λ_i、λ_j近红外光的光密度随所述间距变化的斜率S（λ_i）、S（λ_j）；

3）利用上述斜率S（λ_i）、S（λ_j）计算不同波长下待测生物组织的光吸收系数之比μ：

$\mathrm{\&mu;}=\frac{S{\left({\mathrm{\&lambda;}}_i\right)}^2}{S{\left({\mathrm{\&lambda;}}_j\right)}^2};$

4）利用上述光吸收系数之比计算待测局部脑组织血氧饱和度绝对值

：

$C_{\mathrm{St}{O}_2}=\frac{\mathrm{\&mu;}}{1+\mathrm{\&mu;}}.$

上述步骤2）中，若间距个数为两个，则直接连接两个间距对应的光密度点画直线，得出该直线的斜率；若间距个数大于2，用最小二乘估计方法拟合光密度随间距的变化的拟合直线，进而得到该拟合直线的斜率。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明选用多波长光源，使用连续波，价格低、信号稳定、方法易实现，可快速普及，采用普通光敏探测器，既保障了较高的测量灵敏度，又大大提高了仪器的便携性；本发明可以无创、实时、快速、准确地检测局部脑组织的血氧饱和度绝对值，从而准确反映出病变区域与正常区域的差异，或者反映病人与正常人之间的差异，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。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图；

图2为血红蛋白吸收光谱；

图3本发明一种光学探头示意图（光源、光敏探测器在同一直线上）；

图4本发明一种光学探头示意图（光源与两个光敏探测器不在同一直线上）；

图5本发明一种光学探头示意图（光源与三个光敏探测器不在同一直线上）；

图6本发明一种光学探头示意图（同一直线上双探头双通道）；

图7本发明一种光学探头示意图（不同直线上双探头双通道）；

图8本发明一种光学探头示意图（同一直线上三探头双通道）；

图9本发明一种光学探头示意图（不同直线上三探头双通道）；

图10本发明一种光学探头示意图（同一直线上双探头三通道）；

图11本发明一种光学探头示意图（同一直线上双探头四通道）；

图12本发明一种光学探头示意图（不同直线上双探头四通道）；

图13本发明一种光学探头示意图（双探头六通道）；

图14本发明一种光学探头示意图（双光源同一直线上双探头四通道）；

图15本发明一种光学探头示意图（双光源不同直线上双探头四通道）；

图16本发明所用的探头结构示意图图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

在图3中1是光源os（至少可发出三个波长近红外光的LED）；2是与光源距离为ρ₁的光敏探测器p1；3是与光源距离为ρ₂的光敏探测器p2（像2、3这样的两个光敏探测器组成了一对光敏探测器通路）；4是第一层组织，并用T1表示；5是第二层组织，并用T2表示；6是第三层组织，并用T3表示。我们将本装置用于测量人体局部脑组织血氧饱和度绝对值。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。改变光源与光敏探测器的距离，可以测得不同组织层的信息。光敏探测器与光源位置、个数可互换。

在皮肤表面，就一对光敏探测器（至少为两个相邻的光敏探测器组成）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ρ₁的光敏探测器p1，与光源距离为ρ₂的光敏探测器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0<α≤13.5⁰，典型值为4.9⁰≤α≤9.5⁰；ρ₁与ρ₂的之间的距离小于1cm。在图5中，有三个光敏探测器，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0<α(或β)<6⁰，典型值为3⁰<α(或β)<6⁰，ρ₁、ρ₂、ρ₃的取值范围应满足是2.5cm≤ρ_i≤4.5cm，典型值为3.0cm≤ρ_i≤3.5cm。

本发明的探头还可以有多种形式，例如图6～图12。

图6～图9是双通道情况下的绝对值测量时光源和光敏探测器的不同排列方法。

图10所示为三通道的情况。

图11、图12为四通道的情况。

图13为六通道的情况。

图14、图15为在有两个光源的情况下，四通道的排列情况。

本实施例的探头设计如图16所示，由4个光源和20个光敏探测器组成。探头长度可根据患者额头的大小来调节，约为12～16cm，这样可以保证探测器对前额叶的血氧饱和度变化做出响应。具体实施步骤如下：

本发明的探头既可以是单通道检测的探头，又可以是多通道检测的探头。单通道检测的探头可以是包括至少可发出两种近红外段波长光的一颗集成LED和至少两个光敏探测器，且光敏探测器均在LED的一侧；又可以是一个光敏探测器和至少两颗至少可发出两种近红外段波长光的集成LED，且LED均在光敏探测器的一侧。光敏探测器中心点与LED中心点间距取值范围在2.5cm至4.5cm之间。相邻的光敏探测器，或相邻的集成LED，其中心间距取值小于等于1cm。相邻的两光敏探测器中心点与LED中心点连线的夹角小于等于13.5度；在单通道探头中，相邻的两LED中心点与光敏探测器中心点连线的夹角小于等于13.5度。多通道探头中，相邻的通道可共用光敏探测器或光源。

见图16，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个光敏探测器用于探测反射回来的光强。图中5′、6′、7～24为光敏探测器。光源中心间的距离为40mm左右，光源中心和与其相邻的光敏探测器中心间的距离为28mm左右，同一探测通道两相邻光敏探测器间的距离为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。

控制器上述光源依次发出波长为λ_i的光，i=1，2。在四个不同的方向上，每个方向上的两个光敏探测器依次在0.5ms内分别测量对应波长的散射光强度，再对数据进行滤波和放大，存储到与PC机连接的数据采集模块（见图1），存储完毕后再驱动光源的下一次发光。这样，每个光源发出两种波长不同的光，每次发光会得到8组光强值，依次轮回下来就将接收96组数据。

本发明的方法如下：

对单个或每个检测通道，以LED和光敏探测器间距为横坐标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。

对于不同距离下的光源-光敏探测器，我们可以得到不同的光信号电压值。对于不同的光信号电压值，可以计算得到不同的光密度OD：

$\mathrm{OD}=\log \frac{I_o}{I}=\log \frac{U_o}{U}$

其中，I_o和I分别为初始光强和透射光强，U_o和U分别为初始电压和测得的出射电压信号。

在图16中，一个探测通道用到两个光敏探测器，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-光敏探测器通路是由三个或者更多光敏探测器组成的话，我们就需要用最小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。对应不同的波长，就会有不同的斜率。对于λ₁、λ₂这两波长的光源可以得到两个斜率S（λ₁）、S（λ₂）。

在多波长的情况下对不同斜率求比值，有如式（1）的关系：

$\frac{S\left({\mathrm{\&lambda;}}_1\right)}{S\left({\mathrm{\&lambda;}}_2\right)}=\frac{D\left({\mathrm{\&lambda;}}_1\right)}{D\left({\mathrm{\&lambda;}}_2\right)}=\frac{\sqrt{3{\mathrm{\&mu;}}_a\left({\mathrm{\&lambda;}}_1\right){\mathrm{\&mu;}}_t^{\&prime;}\left({\mathrm{\&lambda;}}_1\right)}}{\sqrt{3{\mathrm{\&mu;}}_a\left({\mathrm{\&lambda;}}_2\right){\mathrm{\&mu;}}_t^{\&prime;}\left({\mathrm{\&lambda;}}_2\right)}}\&ap;\sqrt{\frac{{\mathrm{\&mu;}}_a\left({\mathrm{\&lambda;}}_1\right)}{{\mathrm{\&mu;}}_a\left({\mathrm{\&lambda;}}_2\right)}}---\left(1\right)$

其中，μ_a(λ_i)、μ_s'(λ_i)表示不同波长下的生物组织表面的光吸收系数和散射系数；μ_t'（λ_i）=μ_a(λ_i)+μ_s'(λ_i)，i=1、2。当不同波长间的差距小于150nm时，可以认为μ_s'是近似的。由此得到了上述公式。

对单个或每个检测通道，使用上述不同波长下的斜率S（λ_i）、S（λ_j）计算不同波长下局部脑组织的吸收系数之比

$\frac{{\mathrm{\&mu;}}_a\left({\mathrm{\&lambda;}}_1\right)}{{\mathrm{\&mu;}}_a\left({\mathrm{\&lambda;}}_2\right)}=\frac{3{\mathrm{\&mu;}}_a\left({\mathrm{\&lambda;}}_1\right){\mathrm{\&mu;}}_t^{\&prime;}\left({\mathrm{\&lambda;}}_1\right)}{3{\mathrm{\&mu;}}_a\left({\mathrm{\&lambda;}}_2\right){\mathrm{\&mu;}}_t^{\&prime;}\left({\mathrm{\&lambda;}}_2\right)}=\frac{D{\left({\mathrm{\&lambda;}}_1\right)}^2}{D{\left({\mathrm{\&lambda;}}_2\right)}^2}=\frac{S{\left({\mathrm{\&lambda;}}_1\right)}^2}{S{\left({\mathrm{\&lambda;}}_2\right)}^2}$

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（STO₂）的绝对量浓度

：

$\frac{{\mathrm{\&mu;}}_a\left({\mathrm{\&lambda;}}_1\right)}{{\mathrm{\&mu;}}_a\left({\mathrm{\&lambda;}}_2\right)}=\frac{{{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{HbO}}}_2\left({\mathrm{\&lambda;}}_1\right){C_{\mathrm{HbO}}}_2+{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{Hb}}\left({\mathrm{\&lambda;}}_1\right)C_{\mathrm{Hb}}}{{{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{HbO}}}_2\left({\mathrm{\&lambda;}}_2\right){C_{\mathrm{HbO}}}_2+{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{Hb}}\left({\mathrm{\&lambda;}}_2\right)C_{\mathrm{Hb}}}$

$\frac{{C_{\mathrm{HbO}}}_2}{C_{\mathrm{Hb}}}=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{Hb}}\left({\mathrm{\&lambda;}}_2\right)\frac{{\mathrm{\&mu;}}_a\left({\mathrm{\&lambda;}}_1\right)}{{\mathrm{\&mu;}}_a\left({\mathrm{\&lambda;}}_2\right)}-{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{Hb}}\left({\mathrm{\&lambda;}}_1\right)}{{{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{HbO}}}_2\left({\mathrm{\&lambda;}}_1\right)-{{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{HbO}}}_2\left({\mathrm{\&lambda;}}_2\right)\frac{{\mathrm{\&mu;}}_a\left({\mathrm{\&lambda;}}_1\right)}{{\mathrm{\&mu;}}_a\left({\mathrm{\&lambda;}}_2\right)}}$

${C_{\mathrm{StO}}}_2=\frac{\frac{{\mathrm{\&mu;}}_a\left({\mathrm{\&lambda;}}_1\right)}{{\mathrm{\&mu;}}_a\left({\mathrm{\&lambda;}}_2\right)}}{1+\frac{{\mathrm{\&mu;}}_a\left({\mathrm{\&lambda;}}_1\right)}{{\mathrm{\&mu;}}_a\left({\mathrm{\&lambda;}}_2\right)}}$

其中，

为波长为λ_i的光在脑组织中传播时HbO₂（含氧血红蛋白）对光的消光系数；ε_Hb(λ_i)为波长为λ_i的光在脑组织中传播时Hb（脱氧血红蛋白）对光的摩尔吸光系数；

、CHb分别为含氧血红蛋白绝对量浓度、脱氧血红蛋白绝对量浓度,

、C_Hb的比值即血氧饱和度（STO₂）的绝对量浓度

。

Claims (9)

1.一种局部脑组织血氧饱和度绝对量检测装置，其特征在于，包括能发射近红外光到待测局部脑组织表面、并探测从待测局部脑组织表面反射回来的光强的光学探头，以及控制所述光学探头发射、获取光学信号的控制器。

2.根据权利要求1所述的局部脑组织血氧饱和度绝对量检测装置，其特征在于，所述光学探头包括一个以上可发出至少两种波长近红外光的光源和设置在所述光源周围的一个以上探测通道，所述探测通道包括两个以上光敏探测器。

3.根据权利要求2所述的局部脑组织血氧饱和度绝对量检测装置，其特征在于，所述光学探头包括一个可发出至少两种波长近红外光的光源，所述光源中心点与所述光敏探测器中心点之间的距离为2.5cm～4.5cm；同一探测通道上相邻的两个光敏探测器的中心点之间的距离不超过1cm；同一探测通道上相邻的两个光敏探测器的中心点与光源中心点之间的两根连线的夹角α的取值范围为0<α<13.5⁰。

4.根据权利要求3所述的局部脑组织血氧饱和度绝对量检测装置，其特征在于，所述光敏通道包括两个光敏探测器；所述夹角α的取值范围为4.9⁰<α<9.5⁰。

5.根据权利要求4所述的局部脑组织血氧饱和度绝对量检测装置，其特征在于，所述光敏通道包括三个光敏探测器，相邻两个光敏探测器的中心点与光源中心点之间的连线的两个夹角取值范围均为0～6⁰。

6.根据权利要求2所述的局部脑组织血氧饱和度绝对量检测装置，其特征在于，所述光学探头包括两个以上至少可发出两种波长近红外光的光源，相邻两个光源中心点之间的距离不超过1cm。

7.根据权利要求2所述的局部脑组织血氧饱和度绝对量检测装置，其特征在于，所述光学探头包括四个均匀分布在同一条直线上的光源和两组分布在所述光源所在直线上下两侧的探测通道，每组探测通道包括五个均匀分布的探测通道，相邻的两个光源之间共用该两个光源之间的两个探测通道。

8.一种利用权利要求2～7之一所述的装置检测局部脑组织血氧饱和度绝对量的方法，其特征在于，该方法为：

1）光源照射到待测局部脑组织表面，利用下式计算光密度OD：

$\mathrm{OD}=\log \frac{I_o}{I}=\log \frac{U_o}{U}$

其中，I_o和I分别为初始光强和透射光强，U_o和U分别为初始电压和测得的出射电压信号。

2）以光学探头中光源和与该光源周围的光敏探测器之间的间距为横坐标，以上述光密度为纵坐标，绘制不同间距下光密度变化分布，计算光源发出的两种波长λ_i、λ_j近红外光的光密度随所述间距变化的斜率S（λ_i）、S（λ_j）；

3）利用上述斜率S（λ_i）、S（λ_j）计算不同波长下待测局部脑组织的光吸收系数之比μ：

$\mathrm{\&mu;}=\frac{S{\left({\mathrm{\&lambda;}}_i\right)}^2}{S{\left({\mathrm{\&lambda;}}_j\right)}^2};$

4）利用上述光吸收系数之比计算待测局部脑组织血氧饱和度绝对量浓度

：

$C_{\mathrm{St}{O}_2}=\frac{\mathrm{\&mu;}}{1+\mathrm{\&mu;}}.$

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤2）中，若所述间距个数为两个，则直接连接两个间距对应的光密度点画直线，求出该直线的斜率；若间距个数大于2，用最小二乘估计方法拟合光密度随间距的变化的拟合直线，进而得到该拟合直线的斜率。

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