CN104382604B - 无创脑部血氧参数测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无创脑部血氧参数测量方法，在人体前额安放两个发光波长分别为λ₁和λ₂的近红外光LED发光二极管，在两个LED发光二极管的同侧设置远近不同的两个光电接收管，在控制器的驱动下，分别于t₁和t₂时刻同时驱动两个LED发光二极管发光，每次发光后由光电接收管获取经过人体组织吸收散射后的光强值，分别对应λ₁和λ₂用距离发光LED较近的光电接收管值减去较远的光电接受管值，以消除包括背景噪声、皮肤、颅骨对测量造成的影响，然后用t₁时刻的差值减去t₂时刻的差值，即对不同时间点得到光强度值作差就可以得到浓度变化量，本方法测量的血氧参数更稳定、准确。

Description

无创脑部血氧参数测量方法

技术领域

本发明涉及医疗检测领域，特别涉及一种无创脑部血氧参数测量方法。

背景技术

血红蛋白是组织中氧的主要载体，它由氧合血红蛋白(HbO2)和脱氧血红蛋白(Hb)组成。人体的新陈代谢过程是生物氧化过程，而新陈代谢过程中所需要的氧，是通过呼吸系统进入人体血液，与血液红细胞中的脱氧血红蛋白(Hb)，结合成氧合血红蛋白(HbO2)，再输送到人体各部分组织细胞中去。

目前医学上已普遍采用近红外光谱(NIRS)检测法来检测氧合血红蛋白(HbO2)和脱氧血红蛋白(Hb)的变化量。近红外光对人体组织有良好的穿透性，研究表明在一定波段下HbO2和Hb是组织中主要的吸收体。因此通过检测探头中的光源将近红外光入射到人体组织表面，再通过光电检测器检测经被检组织的漫射后的出射光，计算出射光相对于入射光的衰减，就可得到组织氧合状况的有关信息。这种检测方法是无损、实时、连续的。但是，近红外光谱检测法中，对光信号的处理直接影响血氧参数检测的稳定性。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种无创脑部血氧参数测量方法，本方法测量的血氧参数更准确。

本发明的无创脑部血氧参数测量方法，基于人体组织对近红外光的吸收特性，实现脑部组织局部血氧参数的测量，包含如下步骤：

S1)在人体前额安放两个近红外光LED发光二极管，一个发光主波长λ₁为650～800nm，另一个发光主波长λ₂为800～1000nm；在两个LED发光二极管的同侧设置两个光电接收管，两个光电接收管与两个LED发光二极管连线的中点水平共线，其中一个光电接收管与LED发光二极管连线中点的距离D1为15mm～30mm，另一个光电接收管与LED发光二极管连线中点的距离D2为30mm～40mm；

优选的，所述λ₁为710nm，λ₂为920nm；所述D1为22mm，D2为35mm。

S2)在控制器的驱动下，驱动主波长λ₁的LED发光二极管发光，同时用两个光电接收管获取经过人体组织吸收散射后的光强值；

S3)在控制器的驱动下，驱动主波长λ₂的LED发光二极管发光，同时用两个光电接收管获取经过人体组织吸收散射后的光强值；

S4)重复步骤S2)和步骤S3)一次，得到另外一组经过人体组织吸收散射后的光强值；

S5)经过步骤S1)～S4)后，获得用于脑部组织血氧参数计算的数据,由以上获得的参数解算血氧参数过程如下：

S5.1)列出步骤S2)、S3)和S4)中对应的吸光度等式如下：

主波长为λ₁LED发光：

主波长λ₂LED发光：

OD_λ表示组织对波长λ光的吸光度，其中A_λ为吸收衰减，S_λ为散射衰减；t₁表示步骤S2)和S3)中两个LED第一次发光，t₂表示步骤S4)中两个LED第二次发光；near表示距离发光LED较近的光电接收管，far表示距离发光LED较远的光电接收管；

光密度和吸收衰减表示为：

${\mathrm{OD}}_{\mathrm{\λ}}=-\ln \frac{I_o}{I_i}$

A_λ＝ε_λcd_λ (式2)

其中I_o为输出光强，I_i为输入光强，ε_λ为消光系数，c为介质浓度，d_λ为光穿过介质的路径长度，散射衰减可以认为近似相等；

S5.2)对步骤S5.1)中的(式1)进行作差变换，用距离发光LED较近的光电接收管值减去较远的光电接受管值，得到如下等式。

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{OD}}_{{\mathrm{\λ}}_2,t_1,near}-{\mathrm{OD}}_{{\mathrm{\λ}}_2,t_1,far}=A_{{\mathrm{\λ}}_2,t_1,near}-A_{{\mathrm{\λ}}_2,t_1,far}\\ {\mathrm{OD}}_{{\mathrm{\λ}}_2,t_2,near}-{\mathrm{OD}}_{{\mathrm{\λ}}_2,t_2,far}=A_{{\mathrm{\λ}}_2,t_2,near}-A_{{\mathrm{\λ}}_2,t_2,far}\end{array}\right.$

S5.3)对步骤S5.2)中得到的两组等式(式3)作差，得到如下等式：

$\begin{array}{c}{\mathrm{OD}}_{{\mathrm{\λ}}_2,t_1,near}-{\mathrm{OD}}_{{\mathrm{\λ}}_2,t_1,far}-{\mathrm{OD}}_{{\mathrm{\λ}}_2,t_2,near}+{\mathrm{OD}}_{{\mathrm{\λ}}_2,t_2,far}\\ =A_{{\mathrm{\λ}}_2,t_1,near}-A_{{\mathrm{\λ}}_2,t_1,far}-A_{{\mathrm{\λ}}_2,t_2,near}+A_{{\mathrm{\λ}}_2,t_2,far}\end{array}$

将步骤S5.1)中对应的OD_λ和A_λ(式2)带入(式4)得到如下结果：

$\begin{array}{c}\▿{\mathrm{OD}}_{{\mathrm{\λ}}_1}=\ln \left(\frac{I_{o,t2,near,{\mathrm{\λ}}_1}}{I_{o,t1,near,{\mathrm{\λ}}_1}}\×\frac{I_{o,t1,far,{\mathrm{\λ}}_1}}{I_{o,t2,far},{\mathrm{\λ}}_1}\right)\\ ={\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{\λ}}_1,{\mathrm{HbO}}_2}{\mathrm{\Δc}}_{{\mathrm{HbO}}_2}{\mathrm{\Δd}}_{{\mathrm{\λ}}_1}+{\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{\λ}}_1,DHb}{\mathrm{\Δc}}_{DHb}{\mathrm{\Δd}}_{{\mathrm{\λ}}_1}\end{array}$

上式中表示针对波长为λ的氧合血红蛋白HbO₂吸光系数，ε_λ，DHb表示波长为λ的脱氧血红蛋白(DHb)吸光系数；表示氧合血红蛋白浓度变化，Δc_DHb表示脱氧血红蛋白浓度变化；Δd_λ表示光路径长度差；将式5写成矩阵相乘的形式如下：

其中M为系数矩阵，表示为：

S5.4)计算系数矩阵M的逆矩阵M^-1，根据(式7)可以得到氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度变化量计算公式为：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔC}}_{{\mathrm{HbO}}_2}\\ {\mathrm{\ΔC}}_{DHb}\end{array}\right]=M^{-1}\left[\begin{array}{c}\▿{\mathrm{OD}}_{{\mathrm{\λ}}_1}\\ \▿{\mathrm{OD}}_{\mathrm{\λ}2}\end{array}\right]$

系数矩阵M与组织吸收和散射系数有关，同时还和光路径长度有关；当D1和D2分别是30mm和40mm，系数矩阵M的逆矩阵M^-1为：

$M^{-1}=\left[\begin{array}{cc}-0.0986& 0.1837\\ 0.1454& -0.0618\end{array}\right]$

进一步可以得到氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度变化量计算公式为：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δc}}_{{\mathrm{HbO}}_2}\\ {\mathrm{\Δc}}_{DHb}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}-0.0986& 0.1837\\ 0.1454& -0.0618\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\▿{\mathrm{OD}}_{{\mathrm{\λ}}_1}\\ \▿{\mathrm{OD}}_{{\mathrm{\λ}}_2}\end{array}\right].$

本发明的有益效果：本发明的无创脑部血氧参数测量方法，在人体前额安放两个发光波长分别为λ₁和λ₂的近红外光LED发光二极管，在两个LED发光二极管的同侧设置远近不同的两个光电接收管，在控制器的驱动下，分别于t₁和t₂时刻同时驱动两个LED发光二极管发光，每次发光后由光电接收管获取经过人体组织吸收散射后的光强值，分别对应λ₁和λ₂用距离发光LED较近的光电接收管值减去较远的光电接受管值，以消除包括背景噪声、皮肤、颅骨对测量造成的影响，然后用t₁时刻的差值减去t₂时刻的差值，即对不同时间点得到光强度值作差就可以得到浓度变化量，本方法测量的血氧参数更准确。

具体实施方式

实施例1

本实施例的无创脑部血氧参数测量方法，基于人体组织对近红外光的吸收特性，实现脑部组织局部血氧参数的测量，包含如下步骤：

S1)在人体前额安放两个近红外光LED发光二极管，一个发光主波长λ₁为650nm，另一个发光主波长λ₂为800nm；在两个LED发光二极管的同侧设置两个光电接收管，两个光电接收管与两个LED发光二极管连线的中点水平共线，其中一个光电接收管与LED发光二极管连线中点的距离D1为15mmmm，另一个光电接收管与LED发光二极管连线中点的距离D2为30mmmm；

S2)在控制器的驱动下，驱动主波长λ₁的LED发光二极管发光，同时用两个光电接收管获取经过人体组织吸收散射后的光强值；

S3)在控制器的驱动下，驱动主波长λ₂的LED发光二极管发光，同时用两个光电接收管获取经过人体组织吸收散射后的光强值；

S4)重复步骤S2)和步骤S3)一次，得到另外一组经过人体组织吸收散射后的光强值；

S5)经过步骤S1)～S4)后，获得用于脑部组织血氧参数计算的数据,由以上获得的参数解算血氧参数过程如下：

S5.1)列出步骤S2)、S3)和S4)中对应的吸光度等式如下：

主波长为λ₁LED发光：

主波长λ₂LED发光：

OD_λ表示组织对波长λ光的吸光度，其中A_λ为吸收衰减，S_λ为散射衰减；t₁表示步骤S2)和S3)中两个LED第一次发光，t₂表示步骤S4)中两个LED第二次发光；near表示距离发光LED较近的光电接收管，far表示距离发光LED较远的光电接收管；

光密度和吸收衰减表示为：

${\mathrm{OD}}_{\mathrm{\λ}}=-\ln \frac{I_o}{I_i}$

A_λ＝ε_λcd_λ (式2)

其中I_o为输出光强，I_i为输入光强，ε_λ为消光系数，c为介质浓度，d_λ为光穿过介质的路径长度，散射衰减可以认为近似相等；

S5.2)对步骤S5.1)中的(式1)进行作差变换，用距离发光LED较近的光电接收管值减去较远的光电接受管值，得到如下等式。

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{OD}}_{{\mathrm{\λ}}_2,t_1,near}-{\mathrm{OD}}_{{\mathrm{\λ}}_2,t_1,far}=A_{{\mathrm{\λ}}_2,t_1,near}-A_{{\mathrm{\λ}}_2,t_1,far}\\ {\mathrm{OD}}_{{\mathrm{\λ}}_2,t_2,near}-{\mathrm{OD}}_{{\mathrm{\λ}}_2,t_2,far}=A_{{\mathrm{\λ}}_2,t_2,near}-A_{{\mathrm{\λ}}_2,t_2,far}\end{array}\right.$

用双光电接收管的目的是为了消除包括背景噪声、皮肤、颅骨对测量造成的影响，通过对距离LED发光二极管不同距离的两个光电接收管得到的光强度值进行作差便可消除以上影响。

S5.3)对步骤S5.2)中得到的两组等式(式3)作差：

$\begin{array}{c}{\mathrm{OD}}_{{\mathrm{\λ}}_2,t_1,near}-{\mathrm{OD}}_{{\mathrm{\λ}}_2,t_1,far}-{\mathrm{OD}}_{{\mathrm{\λ}}_2,t_2,near}+{\mathrm{OD}}_{{\mathrm{\λ}}_2,t_2,far}\\ =A_{{\mathrm{\λ}}_2,t_1,near}-A_{{\mathrm{\λ}}_2,t_1,far}-A_{{\mathrm{\λ}}_2,t_2,near}+A_{{\mathrm{\λ}}_2,t_2,far}\end{array}$

即对不同时间点得到光强度值作差可以得到浓度变化量，

将步骤S5.1)中对应的OD_λ和A_λ(式2)带入(式4)得到如下结果：

$\begin{array}{c}\▿{\mathrm{OD}}_{{\mathrm{\λ}}_1}=\ln \left(\frac{I_{o,t2,near,{\mathrm{\λ}}_1}}{I_{o,t1,near,{\mathrm{\λ}}_1}}\×\frac{I_{o,t1,far,{\mathrm{\λ}}_1}}{I_{o,t2,far},{\mathrm{\λ}}_1}\right)\\ ={\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{\λ}}_1,{\mathrm{HbO}}_2}{\mathrm{\Δc}}_{{\mathrm{HbO}}_2}{\mathrm{\Δd}}_{{\mathrm{\λ}}_1}+{\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{\λ}}_1,DHb}{\mathrm{\Δc}}_{DHb}{\mathrm{\Δd}}_{{\mathrm{\λ}}_1}\end{array}$

上式中表示针对波长为λ的氧合血红蛋白HbO₂吸光系数，ε_λ，DHb表示波长为λ的脱氧血红蛋白(DHb)吸光系数；表示氧合血红蛋白浓度变化，ΔC_DHb表示脱氧血红蛋白浓度变化；Δd_λ表示光路径长度差；将式5写成矩阵相乘的形式如下：

其中M为系数矩阵，表示为：

S5.4)计算系数矩阵M的逆矩阵M^-1，根据(式7)可以计算出氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度变化量计算公式为：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔC}}_{{\mathrm{HbO}}_2}\\ {\mathrm{\ΔC}}_{DHb}\end{array}\right]=M^{-1}\left[\begin{array}{c}\▿{\mathrm{OD}}_{{\mathrm{\λ}}_1}\\ \▿{\mathrm{OD}}_{\mathrm{\λ}2}\end{array}\right]$

实施例2

与实施例1不同的是，λ₁为800nm，λ₂为1000nm；D1为29mm，D2为40mm。

实施例3

与实施例1不同的是λ1为710nm，λ₂为920nm；D1为22mm，D2为35mm。

对照例

采用市场上A品牌的脑血氧监测仪就行脑血氧测量。

稳定性对比实验

分别对甲、乙两人在相同时间分别采用本实施例1-3中的一种方法及对照例中的血氧仪进行脑血氧测量。

表1

表2

表3

由表1-3可以看出，采用实施例1-3测得脑血氧值相比对照例测得脑血氧值，数据更加稳定。

为了防止个体差异而造成脑血氧值不稳定，对乙采用实施例3、对甲采用对照例进行监测，结果见表4。

表4

由4可以看出，当对乙采用实施例3进行脑血氧检测时，其数值稳定性明显提升，而对甲采用对照例进行脑血氧检测时，数值稳定性大大下降，由此更加客观的说明本发明的方法进行脑血氧测量时检测结果的稳定性更好。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种无创脑部血氧参数测量方法，基于人体组织对近红外光的吸收特性，实现脑部组织局部血氧参数的测量，其特征在于，包含如下步骤：

S1)在人体前额安放两个近红外光LED发光二极管，一个发光主波长λ₁为650～800nm，另一个发光主波长λ₂为800～1000nm；在两个LED发光二极管的同侧设置两个光电接收管，两个光电接收管与两个LED发光二极管连线的中点水平共线，其中一个光电接收管与LED发光二极管连线中点的距离D1为15mm～30mm，另一个光电接收管与LED发光二极管连线中点的距离D2为30mm～40mm；

S2)在控制器的驱动下，驱动主波长λ₁的LED发光二极管发光，同时用两个光电接收管获取经过人体组织吸收散射后的光强值；

S3)在控制器的驱动下，驱动主波长λ₂的LED发光二极管发光，同时用两个光电接收管获取经过人体组织吸收散射后的光强值；

S4)重复步骤S2)和步骤S3)一次，得到另外一组经过人体组织吸收散射后的光强值；

S5)经过步骤S1)～S4)后，获得用于脑部组织血氧参数计算的数据,由以上获得的参数解算血氧参数过程如下：

S5.1)列出步骤S2)、S3)和S4)中对应的吸光度等式如下：

主波长λ₁LED发光：

主波长λ₂LED发光：

OD_λ表示组织对波长λ光的吸光度，其中A_λ为吸收衰减，S_λ为散射衰减；t₁表示步骤S2)和S3)中两个LED第一次发光，t₂表示步骤S4)中两个LED第二次发光；near表示距离发光LED较近的光电接收管，far表示距离发光LED较远的光电接收管；

光密度和吸收衰减表示为：

${\mathrm{OD}}_{\mathrm{\λ}}=-\ln \frac{I_o}{I_i}$

A_λ＝ε_λcd_λ (式2)

其中I_o为输出光强，I_i为输入光强，ε_λ为消光系数，c为介质浓度，d_λ为光穿过介质的路径长度，散射衰减可以认为近似相等；

S5.2)对步骤S5.1)中的(式1)进行作差变换，用距离发光LED较近的光电接收管值减去较远的光电接受管值，得到如下等式。

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{OD}}_{{\mathrm{\λ}}_2,t_1,\mathrm{near}}-{\mathrm{OD}}_{{\mathrm{\λ}}_2,t_1,\mathrm{far}}=A_{{\mathrm{\λ}}_2,t_1,\mathrm{near}}-A_{{\mathrm{\λ}}_2,t_1,\mathrm{far}}\\ {\mathrm{OD}}_{{\mathrm{\λ}}_2,t_2,\mathrm{near}}-{\mathrm{OD}}_{{\mathrm{\λ}}_2,t_2,\mathrm{far}}=A_{{\mathrm{\λ}}_2,t_2,\mathrm{near}}-A_{{\mathrm{\λ}}_2,t_2,\mathrm{far}}\end{array}\right.$

S5.3)对步骤S5.2)中得到的两组等式(式3)作差，得到如下等式：

$\begin{array}{c}{\mathrm{OD}}_{{\mathrm{\λ}}_2,t_1,near}-{\mathrm{OD}}_{{\mathrm{\λ}}_2,t_1,far}-{\mathrm{OD}}_{{\mathrm{\λ}}_2,t_2,near}+{\mathrm{OD}}_{{\mathrm{\λ}}_2,t_2,far}\\ =A_{{\mathrm{\λ}}_2,t_1,near}-A_{{\mathrm{\λ}}_2,t_1,far}-A_{{\mathrm{\λ}}_2,t_2,near}+A_{{\mathrm{\λ}}_2,t_2,far}\end{array}$

将步骤S5.1)中对应的OD_λ和A_λ(式2)带入(式4)得到如下结果：

$\begin{array}{c}\▿{\mathrm{OD}}_{{\mathrm{\λ}}_1}=\ln (\frac{I_{o,t2,near,{\mathrm{\λ}}_1}}{I_{o,t1,near,{\mathrm{\λ}}_1}}\×\frac{I_{o,t1,far,{\mathrm{\λ}}_1}}{I_{o,t2,far,{\mathrm{\λ}}_1}})\\ ={\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{\λ}}_1,{\mathrm{HbO}}_2}{\mathrm{\Δc}}_{{\mathrm{HbO}}_2}{\mathrm{\Δd}}_{{\mathrm{\λ}}_1}+{\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{\λ}}_1,DHb}{\mathrm{\Δc}}_{DHb}{\mathrm{\Δd}}_{{\mathrm{\λ}}_1}\end{array}$

上式中表示针对波长为λ的氧合血红蛋白HbO₂吸光系数，ε_λ，DHb表示波长为λ的脱氧血红蛋白(DHb)吸光系数；表示氧合血红蛋白浓度变化，Δc_DHb表示脱氧血红蛋白浓度变化；Δd_λ表示光路径长度差；将式5写成矩阵相乘的形式如下：

其中M为系数矩阵，表示为：

S5.4)计算系数矩阵M的逆矩阵M^-1，根据(式7)可以得到氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度变化量计算公式为：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{C}_{{\mathrm{HbO}}_2}\\ {\mathrm{\ΔC}}_{DHb}\end{array}\right]=M^{-1}\left[\begin{array}{c}\▿O{D}_{{\mathrm{\λ}}_1}\\ \▿{\mathrm{OD}}_{\mathrm{\λ}2}\end{array}\right]$

2.根据权利要求1所述的无创脑部血氧参数测量方法，其特征在于：所述λ₁为710nm，λ2为920nm；所述D1为22mm，D2为35mm。