CN104382567A - 近红外光谱人体血液动力学检测装置及运动干扰消除方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种近红外光谱人体血液动力学检测装置及运动干扰消除方法，装置包括近红外光谱探头、探测器和计算机，近红外光谱探头和探测器上分别加载有用于消除摩擦的运动干扰的光学垫圈；干扰消除方法包括以下步骤：S1：采用上述装置采集含有人体血液动力学信息的电信号；S2：将电信号输入带阻滤波器，去掉血液动力学信息电信号中的周期性运动干扰；S22：采用gating的方式进行滤波，滤除电信号中的非周期性运动干扰。本发明采用带阻滤波器来滤除血液动力学信息电信号中的周期性运动干扰，采用gating滤波来滤除血液动力学信息电信号中的非周期性运动干扰，能够有效消除运动干扰，提高测量的精确度。

Description

近红外光谱人体血液动力学检测装置及运动干扰消除方法
技术领域
本发明涉及近红外光谱人体血液动力学检测，具体涉及消除运动干扰的血液动力学检测，特别是一种近红外光谱人体血液动力学检测装置及运动干扰消除方法。
背景技术
在正常的健康状态下，人或动物身体系统持续保持生理平衡。甚至在由疾病、药物、外科手术、外伤等导致的外部影响时，身体系统自动调节以保持生理平衡。为达到这种平衡，遍布全身的神经感受器发挥作用进行监测和调整血液动力学参数，如血压、血流量、血氧饱和度等。
在血液动力学性能不佳和自我调剂受损的情况下，所述对象显示出低血压时经常进入休克状态。临床上，所述对象被给予监测或治疗，来确保在体内有足够的血液流到维持生命的器官，包括大脑、心脏和肾脏，从而维持足够的氧气输送，以满足这些器官的代谢需要。如果不能给予及时的治疗与监测，将导致病情恶化。
人体血液动力学检测在病情诊断和健康监护方面发挥着积极的作用，现在采用近红外光光谱透射或反射的方式，通过对近红外光谱的分析来达到对人体血液动力学的检测。但是在进行检测时，由于病人检测部位(例如手指、脚趾、脑部、胸部、肢体部位等)发生运动时，使检测部位组织与传感器之间发生相对位移，从而在人体血液动力学检测结果中引入了干扰。为了使测量结果更准确，现今通常采用自适应滤波、分段滤波等方法消除血液动力学检测过程中的运动干扰。但这些比较常规的方法主要依赖于软件上的信号处理，对于近红外光谱人体血液动力学检测技术所涉及的常见运动干扰——摩擦干扰、一定频率的运动干扰和突发性无频率的运动干扰，并不能有效、快速、简洁地消除。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种加载光学垫圈的近红外光谱人体血液动力学检测装置，该装置在进行人体血液动力学检测时，近红外光谱探头和探测器不与皮肤接触，能够消除光敏器接触压力的变化，减少运动干扰的引入。
本发明的另一个目的是提供一种近红外光谱人体血液动力学检测运动干扰消除方法，采用带阻滤波器来滤除血液动力学信息电信号中的周期性运动干扰，采用gating滤波来滤除血液动力学信息电信号中的非周期性运动干扰，能够有效消除运动干扰，提高测量的精确度。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：近红外光谱人体血液动力学检测装置，包括近红外光谱探头、探测器和计算机，计算机分别与红外光谱探头和探测器连接，所述的近红外光谱探头和探测器上分别加载有用于消除摩擦的运动干扰的光学垫圈，光学垫圈的中部打孔，将近红外光谱探头和探测器嵌于光学垫圈内，并将光学垫圈固定在近红外光谱探头和探测器上，该光学垫圈的厚度大于近红外光谱探头和探测器的尺寸。
进一步地，所述的光学垫圈采用能够粘贴在近红外光谱探头和探测器上的光密材料制成，包括海绵单面胶带、3M胶海绵条和EVA海棉条等。
本发明的一种近红外光谱人体血液动力学检测的运动干扰消除方法，采用上述的近红外光谱人体血液动力学检测装置采集含有人体血液动力学信息的电信号，对采集到的电信号进行处理，包括以下步骤：
S1：将采集到的电信号输入带阻滤波器，对周期性的运动干扰进行滤波，去掉血液动力学信息电信号中的周期性运动干扰；
S2：采用gating的方式进行滤波，滤除电信号中的非周期性运动干扰。
进一步地，带阻滤波器的滤除中心频率与周期性运动干扰中心频率一致，周期性运动干扰中心频率即周期性运动干扰的频率范围的中心值，如心跳其频率范围为1Hz～2Hz，则心跳干扰的中心频率为1.5Hz。带阻滤波器的带宽大于周期性运动干扰的旁瓣频率间隔，旁瓣频率间隔即运动干扰的中心频率与其频率最大或最小值的间隔大小，如心跳的频率范围为1Hz～2Hz，中心频率为1.5Hz，则其旁瓣频率为0.5Hz。带阻滤波器的带宽大于周期性运动干扰的旁瓣频率间隔是为了取得更好的过滤效果，一般选取稍大于即可。带阻滤波器为零相移滤波器。
进一步地，所述的步骤S2具体实现方法为：对含有人体血液动力学信息的电信号进行遍历，将出现在遍历范围内的典型奇异信号(一些突然出现的脉冲信号)与血液动力学监测期间记录的标识事件时段进行比对，标识事件时间段即事件开始到事件结束的这段事件，如病人开始做动作到动作结束称为一个标识事件时段。若奇异信号出现在所有标识事件时段的前后一定时间之外，则视为干扰信号，直接摘除。上述的一定时间的典型范围应为0至标识事件时段，最佳值应在(1/3～1/2)*标识时间段，即在1/3*标识时间段与1/2*标识时间段之间，其中，“*”为相乘的意思，摘除干扰的信号拼接起来，这样即滤除掉那些非周期性运动所带来的干扰。
本发明的有益效果是：
1、用光学垫圈将近红外光谱探头和探测器嵌在其中，并使探头和探测器的高度没有高出光学垫圈表面，在测量时探头和探测器不与皮肤接触，能够消除光敏器接触压力的变化，同时加大了探头和皮肤，以及探测器与皮肤之间的摩擦力，有效减少在测量过程中由于人体运动导致探头和探测器与皮肤之间的相对运动，通过对器材的优化，减少运动干扰的引入；
2、采用带阻滤波器来滤除血液动力学信息电信号中的周期性运动干扰，采用gating滤波来滤除血液动力学信息电信号中的非周期性运动干扰，能够有效消除运动干扰，提高测量的精确度。
附图说明
图1为本发明的探头和探测器经处理后的示意图；
图2为本发明的包含周期性运动干扰波形图；
图3为本发明的处理周期性运动干扰的带通滤波的波形图；
图4为本发明的消除了周期性干扰后的波形图；
图5为本发明的包含非周期性干扰波形图；
图6为本发明的通过gating滤波后的波形图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的技术方案，但本发明所保护的内容不局限于以下所述。
本发明的基本思路是：首先，通过对探头进行处理，采用加载光学垫圈的探头改进消除摩擦的运动干扰，此光学垫圈使得探头的光源和探测器在测量时不与皮肤接触，在测量时探头将不能与皮肤产生接触，这样将消除光敏器接触压力的变化，同时加大了与皮肤之间的摩擦力，有效减少在测量过程中由于人体运动导致探头与皮肤之间的相对运动，这样通过对器材的优化，减少运动干扰的引入。其次，采用信号处理“gating”方法消除一般的周期性和非周期性运动干扰，采用带阻滤波器，对周期性的运动干扰进行滤波，从而去掉血液动力学信息电信号中的周期性运动干扰，同时采用gating的方式进行滤波，滤除血液动力学信息电信号中的非周期性运动干扰。
近红外光谱人体血液动力学检测探头，包括近红外光谱探头、探测器和计算机，计算机分别与红外光谱探头和探测器连接，所述的近红外光谱探头和探测器上分别加载有用于消除摩擦的运动干扰的光学垫圈，光学垫圈的中部打孔，将近红外光谱探头和探测器嵌于光学垫圈内，并将光学垫圈固定在近红外光谱探头和探测器上，该光学垫圈的厚度大于近红外光谱探头和探测器的尺寸。如图1所示，探头和探测器的高度没有高出光学垫圈表面，在测量时将不与皮肤产生接触，这样将消除光敏器接触压力的变化，同时加大了与皮肤之间的摩擦力，有效减少在测量过程中由于人体运动导致探头与皮肤之间的相对运动，这样通过对器材的优化，减少运动干扰的引入。
进一步地，所述的光学垫圈采用能够粘贴在近红外光谱探头和探测器上的光密材料制成，包括海绵单面胶带、3M胶海绵条和EVA海棉条等。
本发明的一种近红外光谱人体血液动力学检测的运动干扰消除方法，采用上述的近红外光谱人体血液动力学检测装置采集含有人体血液动力学信息的电信号，对采集到的电信号进行处理，包括以下步骤：
S1：将采集到的电信号输入带阻滤波器，对周期性的运动干扰进行滤波，去掉血液动力学信息电信号中的周期性运动干扰；图2为包含周期性运动干扰的波形图，图中的峰值和谷值即为周期性运动干扰，图3为带阻滤波器的波形图，图4为包含周期性运动干扰的波形经过带阻滤波器处理之后得到消除周期性运动干扰的信号；
S2：采用gating的方式进行滤波，滤除血液动力学信息电信号中的非周期性运动干扰。
通过上述步骤S2和S3的处理，最终得到消除运动干扰的光学血液动力学参数。
进一步地，带阻滤波器的滤除中心频率与周期性运动干扰中心频率一致，周期性运动干扰中心频率即周期性运动干扰的频率范围的中心值，如心跳其频率范围为1Hz～2Hz，则心跳干扰的中心频率为1.5Hz。带阻滤波器的带宽大于周期性运动干扰的旁瓣频率间隔，旁瓣频率间隔即运动干扰的中心频率与其频率最大或最小值的间隔大小，如心跳的频率范围为1Hz～2Hz，中心频率为1.5Hz，则其旁瓣频率为0.5Hz。带阻滤波器的带宽大于周期性运动干扰的旁瓣频率间隔是为了取得更好的过滤效果，一般选取稍大于即可。带阻滤波器为零相移滤波器。
进一步地，所述的步骤S2具体实现方法为：对含有人体血液动力学信息的电信号进行遍历，将出现在遍历范围内的典型奇异信号(一些突然出现的脉冲信号)与血液动力学监测期间记录的标识事件时段进行比对，标识事件时间段即事件开始到事件结束的这段事件，如病人开始做动作到动作结束称为一个标识事件时段。若奇异信号出现在所有标识事件时段的前后一定时间之外，则视为干扰信号，直接摘除。上述的一定时间的典型范围应为0至标识事件时段，最佳值应在(1/3～1/2)*标识时间段，即在1/3*标识时间段与1/2*标识时间段之间，其中，“*”为相乘的意思，摘除干扰的信号拼接起来，这样即滤除掉那些非周期性运动所带来的干扰。图5为含有非周期性运动干扰的波形图，图中，峰值为非周期性运动干扰，图6为消除该非周期性运动干扰后的信号波形图。
本发明可以消除多种运动产生的干扰，图2、图5分别显示了含有周期性与非周期性干扰的波形图，图4与图6显示了采用本发明消除了干扰后的血液动力学信号波形图，通过对比可见本发明所提出的方法对周期性干扰和非周期性干扰均有较好的抗干扰效果。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.近红外光谱人体血液动力学检测装置，包括近红外光谱探头、探测器和计算机，计算机分别与红外光谱探头和探测器连接，其特征在于：所述的近红外光谱探头和探测器上分别加载有用于消除摩擦的运动干扰的光学垫圈，光学垫圈的中部打孔，将近红外光谱探头和探测器嵌于光学垫圈内，并将光学垫圈固定在近红外光谱探头和探测器上，该光学垫圈的厚度大于近红外光谱探头和探测器的尺寸。
2.根据权利要求1所述的人体血液动力学检测探头，其特征在于：所述的光学垫圈采用能够粘贴在近红外光谱探头和探测器上的光密材料制成。
3.一种近红外光谱人体血液动力学检测的运动干扰消除方法，采用权利要求1～3任意一项所述的近红外光谱人体血液动力学检测装置采集含有人体血液动力学信息的电信号，对采集到的电信号进行处理，其特征在于：包括以下步骤：
S1：将采集到的电信号输入带阻滤波器，对周期性的运动干扰进行滤波，去掉血液动力学信息电信号中的周期性运动干扰；
S2：采用gating的方式进行滤波，滤除电信号中的非周期性运动干扰。
4.根据权利要求3所述的运动干扰消除方法，其特征在于：所述的带阻滤波器的滤除中心频率与周期性运动干扰中心频率一致，带阻滤波器的带宽大于周期性运动干扰的旁瓣频率间隔。
5.根据权利要求3所述的近红外光谱人体血液动力学检测的运动干扰消除方法，其特征在于：所述的带阻滤波器为零相移滤波器。
6.根据权利要求3所述的近红外光谱人体血液动力学检测的运动干扰消除方法，其特征在于：所述的步骤S2具体实现方法为：对含有人体血液动力学信息的电信号进行遍历，将出现在遍历范围内的典型奇异信号与血液动力学监测期间记录的标识事件时间段进行比对，若奇异信号出现在所有标识事件时段的前后一定时间之外，则视为干扰信号，直接摘除。
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