CN104688198A - 基于脉搏色素谱分析的心输出无创检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于脉搏色素谱分析的心输出参数的无创检测系统及检测方法,是由指夹式光电脉搏波传感器、光源驱动电路、单波长信号分离电路、交流成分提取电路构成。本发明通过静脉注射吲哚氰绿(ICG)色素并通过指夹式光电脉搏波传感器在指端连续、同步采集805nm和940nm这两个特征波长的脉搏波信号，根据色素和血红蛋白在近红外波段的吸收光谱特性，通过对双波长的脉搏波信号进行交、直流成分分离，绘制随时间变化的ICG色素谱曲线，根据曲线建立ICG在血液循环系统中稀释与排泄的数学模型，最终实现对心输出参数无创检测的目的。心输出量的测量对于心血管疾病的诊断与治疗，急、危重症病人的手术风险评估，以及术中的病情监测，具有重要意义。

Description

基于脉搏色素谱分析的心输出无创检测系统及检测方法

技术领域

本发明涉及一种医疗检测设备，尤其是基于脉搏色素谱分析的心输出参数的无创检测系统及检测方法。

背景技术

按照临床定义，心输出(Cardiac output，CO)是指单侧心室在单位时间(min)内向循环系统所泵入的总血量，其单位为L/min。心输出是对心脏及其周围组织进行功能性评价的一项重要心血流动力学参数。此外，通过心输出指标还可以进一步推导出心脏血液循环的容积、流量、压力和阻力等其他参数。由此可见，心输出在急、危重心脏疾病和肝病的病情评估与手术监测中具有明确的应用意义。

当前，医学临床上心输出测量的“金标准”，是采用肺静脉穿刺插管的“热稀释法”。它的具体操作步骤是：首先由锁骨下静脉穿刺置入Swan-Ganz导管，进入右心房、右心室和肺动脉；向右心房快速而平稳地注入温度已知的指示剂，使之与血液混合后发生温度的变化；利用导管前方的热敏传感器，记录该混合液体的温度传导时间曲线；最后，根据Stewart-Hamilton热量守恒方程，计算得到心输出的数值。

热稀释法具有准确度高和重复性好的优点，但是作为一种有创伤测量方法，容易引起并发症而导致患者死亡。此外，在临床操作时必须将导管及时移除以避免感染，这使得测量时间受到限制。

CN2451037Y公开了一种“经左心插管心输出量测定导管”：将导管以逆血流方向插入左心室，使导管前端的热敏电阻位于主动脉处；注入生理盐水，使之与左心室的血液一起被泵入主动脉；由热敏电阻感知混合液体的温度变化量，再通过外接的测量仪器，计算出心输出量的数值。使用该导管虽然可以直接测出左心室的排血量，但其采用的是一种有创伤和非连续的检测方法，操作过程复杂、安全性差，易发生感染，同时也给患者和操作人员带来压力。

CN103315730A公开了一种“确定有效肺容量和心输出量的方法”：通过测定呼吸期内的吸入和呼出气流量，以及呼气CO2含量，确定肺泡二氧化碳分数与动脉血CO2含量；根据CO2动力学参数，建立并求解超定方程组，从而得到心输出量的数值。该方法虽然是一种无创和连续的检测手段，但其操作过程繁琐，解析计算复杂，而且测量结果容易受到肺内分流的影响，这些因素导致其在心输出测量上的准确度不高。

CN101176663A公开了一种“脉搏波心输出测量装置”：通过压力传感器检测脉搏波信号，对其进行放大、滤波和交、直流分量的分离处理；由交流分量估算出舒张期脉搏波按指数衰减的时间常数T和平均动脉压力MAP，进一步可解算出心输出的数值。该装置虽然实现了心输出参数的无创检测，但其测量精度有限。此外，如果脉搏波传感器的放置方式不当，也容易引起皮肤损伤。

根据以上分析可知，现有的心输出测量法大多为有创或微创的测量方法，其操作工序复杂，测量时间受限，医护人员不易控制，患者容易感染，且测量精度不高。在目前已公开的专利中，尚没有根据ICG色素与血红蛋白Hb的近红外光谱吸光特性，通过建立色素谱曲线和进行分析计算，实现心输出参数无创测量的技术方法及系统的相关描述。

发明内容

本发明的目的是针对现有心输出测量方法存在的有创伤、非连续，以及操作复杂、精度低的缺点，根据ICG色素和血红蛋白Hb在近红外区的吸收光谱特性，提供一种基于脉搏色素谱分析实现的心输出无创检测系统及检测方法。

将作为稀释和排泄试验指示剂的吲哚氰绿(Indocyannie green,简写为ICG)色素通过静脉注入人体，同时在805nm和940nm这两个特征吸光波长点上，从手指末端连续采集脉搏波信号。人体动脉血液中的主要吸光物质是以氧合血红蛋白O2Hb与还原血红蛋白RHb形式存在的血红蛋白Hb，以及注入的ICG色素。根据这些吸光物质在近红外区的光谱特性曲线，依据朗伯—比尔定律，对采集到的双波长脉搏波信号进行交、直流成分分析，绘制随时间变化的ICG色素谱曲线，以此建立ICG色素与血液循环系统中稀释与排泄的数学模型，进一步可推导出心输出参数的数值。该无创检测方法对于临床心血管疾病的诊断与治疗，以及急、危重心脏病与肝病的手术风险评估等，具有重要应用价值。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于脉搏色素谱分析的心输出无创检测系统，是由计算机经微控制器和光源驱动电路与指夹式光电脉搏波传感器连接，指夹式光电脉搏波传感器传感器经单波长信号分离电路分别连接微控制器和交流成分提取电路，交流成分提取电路与微控制器链接构成。

交流成分提取电路是由四阶有源高通滤波器经二阶有源低通滤波器、程控放大器、电压抬升电路、A/D转换电路和低通滤波器与四阶有源高通滤波器连接，A/D转换电路经微控制器与程控放大器连接构成。

指夹式光电脉搏波传感器是由外层保护套内装有集成化双波长发光二极管的发射器和接收光电管构成。

指夹式光电脉搏波传感器的测量光源选择805nm和940nm波长的入射 光，在805nm波长处ICG具有最大的吸光系数，O₂Hb与RHb的吸光系数相同；在940nm处ICG的吸光系数为零，且O₂Hb和RHb的吸收曲线都比较平缓且相接近。

一种基于脉搏色素谱分析的心输出无创检测系统的检测方法，包括以下步骤：

A、被检测者尽量保持静卧的姿势，将指夹式光电脉搏波传感器夹在右手食指部位；

B、待被检测者呼吸均匀后将5mg/ml的ICG注射液经左臂肘静脉注入；

C、计算机发送数据采集指令，微控制器通过光源驱动电路，驱动指夹式光电脉搏波传感器的发光二极管光源向人体的手指末端皮肤分时发出805nm和940nm两种波长的测量光信号，对侧的光电管接收对应的透射光信号，并将光信号转换为电信号；

B、单波长信号分离电路对复合的双波长脉搏波信号进行分离处理，获得单波长信号；

E、交流成分提取电路从单波长脉搏波信号中提取出其中的交流成分数据并上传至微控制器；

F、微控制器通过A/D转换器，采集脉搏波信号的交、直流分量数据；

G、计算机接收微控制器发送的采样数据，对交直流成分进行分析，绘制随时间变化的ICG色素谱曲线，建立ICG色素在血液循环系统中稀释与排泄循环的数学模型，根据模型得出心输出的数值。

计算机根据朗伯—比尔定律及ICG和血红蛋白Hb在两个波长点的吸光系数绘制动脉血中随时间变化的色素浓度曲线，并针对由于色素残留所导致的色素谱曲线的再循环上翘问题，将衰减曲线的末端向下拟合，使之与时间轴形成封闭的图形，以此描述ICG色素完整的排泄过程。

计算机对ICG色素谱曲线进行双线性变换法积分，将浓度曲线按时间平均分成n个区间，对每个区间进行梯形积分以表示其与时间轴围成区域的面积，当n无限大时，所有区间的积分和就是色素谱曲线与时间轴围成封闭图形的总面积S，根据色素注入的起始含量A与S的比值求得心输出量CO的值。

有益效果：本发明针对当前临床心输出检测技术存在的有创伤、操作复杂和患者易被感染等问题，提供了基于脉搏色素谱分析原理实现的心输出无创检测方法及其实现系统。是根据心血管疾病的诊断与治疗，以及急、危重心脏病与肝病的手术风险评估等临床需要，依据氧合血红蛋白O2Hb、还原血红蛋白RHb和ICG色素在近红外区的光谱特性，通过对双波长的脉搏波信号进行交、直流成分分离，绘制随时间变化的ICG色素谱曲线，建立ICG色素在血液循环系统 中稀释与排泄的数学模型，最终实现心输出参数的无创测量。该方法具有无创、可连续测量的优点，且测量结果受外界影响因素较小，精度较高，对于心血管疾病的诊断与治疗，急、危重症病人的手术风险评估，以及术中的病情监测。该方法对于心血管疾病的诊断与治疗，急、危重症病人的手术风险评估，以及术中的病情监测，具有重要作用。

附图说明

图1是基于脉搏色素谱分析的心输出无创检测系统结构框图；

图2是指夹式光电脉搏波传感器结构示意图；

图3是(a)单波长信号分离电路图；(b)交流成分提取电路图；

图4是(a)光电脉搏波信号；(b)信号局部放大；

图5是脉搏波信号交流分量；

图6是吲哚氰绿(ICG)色素的分子结构及其与血浆蛋白结合的转运方式；

图7是氧合血红蛋白O2Hb、还原血红蛋白RHb和ICG色素的吸收光谱特性曲线；

图8是ICG色素谱的稀释与排泄循环曲线；

图9是O₂Hb和ICG的吸光系数标称值

表1是氧合血红蛋白O2Hb、还原血红蛋白RHb和ICG色素在测量波长点的吸光系数标称值。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步的详细说明。

一种基于脉搏色素谱分析的心输出无创检测系统，是由计算机经微控制器和光源驱动电路与指夹式光电脉搏波传感器连接，指夹式光电脉搏波传感器传感器经单波长信号分离电路分别连接微控制器和交流成分提取电路，交流成分提取电路与微控制器链接构成。

交流成分提取电路是由四阶有源高通滤波器经二阶有源低通滤波器、程控放大器、电压抬升电路、A/D转换电路和低通滤波器与四阶有源高通滤波器连接，A/D转换电路经微控制器与程控放大器连接构成。

指夹式光电脉搏波传感器是由外层保护套内装有集成化双波长发光二极管的发射器和接收光电管构成。

指夹式光电脉搏波传感器的测量光源选择805nm和940nm波长的入射光，在805nm波长处ICG具有最大的吸光系数，O₂Hb与RHb的吸光系数相同；在940nm处ICG的吸光系数为零，且O₂Hb和RHb的吸收曲线都比较平缓且相接近。

一种基于脉搏色素谱分析的心输出无创检测系统的检测方法，包括以下步骤：

A、被检测者尽量保持静卧的姿势，将指夹式光电脉搏波传感器夹在右手食指部位；

B、待被检测者呼吸均匀后将5mg/ml的ICG注射液经左臂肘静脉注入；

C、计算机发送数据采集指令，微控制器通过光源驱动电路，驱动指夹式光电脉搏波传感器的发光二极管光源向人体的手指末端皮肤分时发出805nm和940nm两种波长的测量光信号，对侧的光电管接收对应的透射光信号，并将光信号转换为电信号；

B、单波长信号分离电路对复合的双波长脉搏波信号进行分离处理，获得单波长信号；

E、交流成分提取电路从单波长脉搏波信号中提取出其中的交流成分数据并上传至微控制器；

F、微控制器通过A/D转换器，采集脉搏波信号的交、直流分量数据；

G、计算机接收微控制器发送的采样数据，对交直流成分进行分析，绘制随时间变化的ICG色素谱曲线，建立ICG色素在血液循环系统中稀释与排泄循环的数学模型，根据模型得出心输出的数值。

计算机根据朗伯—比尔定律及ICG和血红蛋白Hb在两个波长点的吸光系数绘制动脉血中随时间变化的色素浓度曲线，并针对由于色素残留所导致的色素谱曲线的再循环上翘问题，将衰减曲线的末端向下拟合，使之与时间轴形成封闭的图形，以此描述ICG色素完整的排泄过程。

计算机对ICG色素谱曲线进行双线性变换法积分，将浓度曲线按时间平均分成n个区间，对每个区间进行梯形积分以表示其与时间轴围成区域的面积，当n无限大时，所有区间的积分和就是色素谱曲线与时间轴围成封闭图形的总面积S，根据色素注入的起始含量A与S的比值求得心输出量CO的值。

基于脉搏色素谱分析的心输出无创检测方法及其实现系统，是由指夹式光电脉搏波传感器，光源驱动电路、单波长信号分离电路、交流成分提取电路，以及微控制器与计算机组成的上、下位机系统，它的总体结构如图1所示。其中，指夹式光电脉搏波传感器的外层采用软质保护套，内嵌集成化的双波长发光二极管和接收光电管。在脉搏波传感器工作时，从人体的手指末端采集到脉搏波信号。图2是指夹式光电脉搏波传感器的结构示意图。由于传感器输出的脉搏波信号是包含交、直流成分的双波长复合信号，需要对其进行单波长分离和交流成分提取的处理。

具体方法是：首先在单波长信号分离电路中，利用与光源驱动信号同步的方波信号，控制数控模拟开关，将复合脉搏波信号分离为两路单波长的信号，其次在交流成分提取电路中，对分离后的单波长脉搏波信号进行处理，以便将微弱的 交流成分提取出来。图3是单波长信号分离电路和交流成分提取电路的原理图。图4和图5则分别给出了脉搏波及其交流成分的信号波形。系统中的微控制器除了完成对各功能模块的控制以外，也通过内置的A/D转换器采集脉搏波数据，并将数据发送至上位计算机。上位计算机完成脉搏波数据接收、吸光度计算、ICG色素谱曲线绘制，以及心输出的数值计算等。

基于脉搏色素谱分析的心输出无创检测方法及其实现系统是通过静脉注射ICG色素,实时分析其稀释和排泄的代谢情况，从而计算心输出参数的一种无创测量手段。ICG作为一种三羰花氰类染料(分子式为C43H47N2NaO6S2)，经静脉注入血液后能迅速而完全的与血红蛋白Hb结合，随动脉血流遍全身。由于只被肝细胞清除，无肠肝循环，ICG在跨肝窦侧膜转运时呈主动转运方式，并最终排泄至胆汁中，导致ICG在血浆中的浓度呈指数规律下降。由以上分析可知，ICG色素可用作临床人体心血流动力学参数测量的一种理想指示剂。图6是ICG色素的分子结构及其与血红蛋白结合的转运方式示意图。

ICG色素进入人体后，随着血液循环而在全身分布。依据朗伯—比尔定律，指夹式光电脉搏波传感器发射的805nm和940nm这两种波长的测量光信号，同时受到血红蛋白Hb和ICG色素的吸收作用。根据图7所示的氧合血红蛋白O2Hb、还原血红蛋白RHb和ICG色素在近红外区的吸收光谱曲线，在手指末端接收到的透射光信号，对于影响其吸光度测量值准确性的因素分析如下：在805nm波长，ICG具有最大的吸光系数，而O2Hb和RHb的吸光系数则相同；在940nm波长，ICG的吸光系数为零，而O2Hb和RHb的光谱曲线变化平缓且相互靠近，一旦发生光源波长偏离或血氧波动的情况，其对吸光度的影响最小。综上考虑，为降低血氧波动对测量精度的影响，提高ICG色素谱的测量精度，选择805nm和940nm作为色素谱测量的特征波长。表1给出了氧合血红蛋白O2Hb、还原血红蛋白RHb和ICG色素在特征测量波长的吸光系数标称值。

基于脉搏色素谱分析的心输出无创检测方法及其实现系统是根据公式(1)完成人体内ICG色素浓度计算的

$C_I=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_H^{940}\·{\mathrm{\Φ}}_{805/940}-{\mathrm{\ϵ}}_H^{805}}{{\mathrm{\ϵ}}_I^{805}}\·C_H---\left(1\right)$

其中C_I、C_H和分别表示血液中ICG与Hb的浓度以及二者在805nm处的吸光系数，表示Hb在940nm处的吸光系数，称为脉动量比，分式的上下分别表示805nm透射光的交直流成分之比以及940nm透射光的交直流成分之比。

图8是稀释与排泄试验的ICG色素谱曲线。为了完整的表示ICG色素的排泄过程，针对由于色素残留所导致的色素谱曲线的再循环上翘问题，将衰减曲线的末端向下拟合，使之与时间轴形成封闭的图形。通过双线性变换法积分计算该封闭图形的面积，即可推算出心输出量的数值。

脉搏色素谱分析心输出量原理

将总质量为A(单位：mg)的ICG色素经静脉注入人体后，其在血液中的浓度为C(单位：mg/L)。如果流过动脉血管横截面的血流速度为V(单位：L/min)，全部色素微粒由该横截面流过的时间为T(单位：min)，则有

A＝V×C×T   (2)

即单位时间内通过该截面的血液体积W(单位：L)为

$W=V\×\min =\frac{A}{C\×T}\×\min ---\left(3\right)$

按前面的定义，心输出CO(单位：L/min)为在单位时间内通过截面的总血量，即

CO＝A/(C·T)   (4)

然而，实际测量时色素注入到人体后，色素成分不可能按照上述理想方式到达检测部位。受试部位的色素浓度C是随时间变化的，所以3式可变为

$\mathrm{CO}=A/(\stackrel{\‾}{C}\·T)---\left(5\right)$

其中为色素平均浓度。将色素浓度曲线C(t)按时间平均分成n等份，第i个区间用[t_i-1,t_i]表示，间隔为T/n。每个区间中C(t)取右边界值，即

C(ξ_i)＝C(i·T/n)   (6)

当n→∞时，则平均浓度为

$\stackrel{\‾}{C}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}C\left({\mathrm{\ξ}}_i\right)=\frac{1}{T}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}C\left({\mathrm{\ξ}}_i\right)\·\frac{T}{n}---\left(7\right)$

所以公式4可改写为

$\mathrm{CO}=\frac{A}{S}---\left(8\right)$

式中，S表示曲线C(t)在时间T上的积分，即C(t)与时间轴围成闭合图形的面积。

由此可见，计算出色素浓度曲线与时间轴围成图形的面积S及色素注入的起始含量A就可以求出心输出量CO的值。

Claims (7)

1.一种基于脉搏色素谱分析的心输出无创检测系统，其特征在于，检测系统是由计算机经微控制器和光源驱动电路与指夹式光电脉搏波传感器连接，指夹式光电脉搏波传感器传感器经单波长信号分离电路分别连接微控制器和交流成分提取电路，交流成分提取电路与微控制器链接构成。

2.按照权利要求1所述的基于脉搏色素谱分析的心输出无创检测系统，其特征在于，交流成分提取电路是由四阶有源高通滤波器经二阶有源低通滤波器、程控放大器、电压抬升电路、A/D转换电路低通滤波器与四阶有源高通滤波器连接，A/D转换电路经微控制器与程控放大器连接构成。

3.按照权利要求1所述的基于脉搏色素谱分析的心输出无创检测系统，其特征在于，指夹式光电脉搏波传感器是由外层保护套内装有集成化双波长发光二极管的发射器和接收光电管构成。

4.按照权利要求1所述的基于脉搏色素谱分析的心输出无创检测系统，其特征在于，指夹式光电脉搏波传感器的测量光源选择805nm和940nm波长的入射光，在805nm波长处ICG具有最大的吸光系数，O₂Hb与RHb的吸光系数相同；在940nm处ICG的吸光系数为零，且O₂Hb和RHb的吸收曲线都比较平缓且相接近。

5.一种基于脉搏色素谱分析的心输出无创检测系统的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、被检测者尽量保持静卧的姿势，将指夹式光电脉搏波传感器夹在右手食指部位；

B、待被检测者呼吸均匀后将5mg/ml的ICG注射液经左臂肘静脉注入；

C、计算机发送数据采集指令，微控制器通过光源驱动电路，驱动指夹式光电脉搏波传感器的发光二极管光源向人体的手指末端皮肤分时发出805nm和940nm两种波长的测量光信号，对侧的光电管接收对应的透射光信号，并将光信号转换为电信号；

D、单波长信号分离电路对复合的双波长脉搏波信号进行分离处理，获得单波长信号；

E、交流成分提取电路从单波长脉搏波信号中提取出其中的交流成分数据并上传至微控制器；

F、微控制器通过A/D转换器，采集脉搏波信号的交、直流分量数据；

G、计算机接收微控制器发送的采样数据，对交直流成分进行分析，绘制随时间变化的ICG色素谱曲线，建立ICG色素在血液循环系统中稀释与排泄循环的数学模型，根据模型得出心输出的数值。

6.按照权利要求5所述的基于脉搏色素谱分析的心输出无创检测系统的检测方法，其特征在于，计算机根据朗伯—比尔定律及ICG和血红蛋白Hb在两个波长点的吸光系数绘制动脉血中随时间变化的色素浓度曲线，并针对由于色素残留所导致的色素谱曲线的再循环上翘问题，将衰减曲线的末端向下拟合，使之与时间轴形成封闭的图形，以此描述ICG色素完整的排泄过程。

7.按照权利要求5所述的基于脉搏色素谱分析的心输出无创检测系统的检测方法，其特征在于，计算机对ICG色素谱曲线进行双线性变换法积分，将浓度曲线按时间平均分成n个区间，对每个区间进行梯形积分以表示其与时间轴围成区域的面积，当n无限大时，所有区间的积分和就是色素谱曲线与时间轴围成封闭图形的总面积S，根据色素注入的起始含量A与S的比值求得心输出量CO的值。