CN108577860B - 人体组织血红蛋白浓度指数的近红外无创检测方法 - Google Patents

人体组织血红蛋白浓度指数的近红外无创检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了人体血红蛋白浓度指数的近红外无创检测方法，首先在待测人体组织表面的三个位置上各安放一个光电接收管，在三个光电接收管连线的延长线的一端同一位置，设置三个不同发光波长的发光二极管LS，然后，检测各光电接收管接收到的散射光强，并计算其光密度OD，并根据OD(k,λi)计算出波长λi时，光密度的相对变化量ΔOD(λi)，最后根据测得的ΔOD(λi)，计算出待测组织的血红蛋白浓度指数tHI。本发明采用三波长光源和三个检测器，有利于提高检测精度，并有利于消除外出覆盖组织的影响；光源采用发光二极管，使测得的组织血红蛋白浓度指数稳定可靠；测得的组织血红蛋白浓度指数与组织中的血红蛋白总浓度成正比，可反映待测组织中血红蛋白浓度变化的百分比。

Description

人体组织血红蛋白浓度指数的近红外无创检测方法
技术领域
本发明涉及一种生物医学工程技术领域，特别涉及一种人体血红蛋白浓度指数的近红外无创检测方法。
背景技术
血红蛋白浓度指单位体积血液内所含血红蛋白的量。血红蛋白又称血色素，为一种含色素的结合蛋白质，是红细胞主要成分，能与氧结合，运输氧和二氧化碳。血红蛋白的浓度和血红蛋白浓度变化是提示人体及人体器官的状态的重要依据。无创检测人体组织的血红蛋白浓度指数，可得到人体组织中血红蛋白浓度变化的百分比，有利于实时评估待测组织的血液充盈水平。
公开号US005632273A，CN1333011A，CN1331953A和CN1544947A的专利文件提出了基于修正的Lambert-Beer定律的检测方法，但该方法对近红外光在人体组织中的强散射特性考虑有限，且只能得到待测组织中血红蛋白浓度相对其测量初始值的变化幅度，而无法得到变化的百分比；当组织中血红蛋白浓度下降幅度相同时，其浓度初始值越低者缺血缺氧越严重，这无法由组织中血红蛋白浓度变化的幅度反映，但可由其变化的百分比反映。此外，公开号CN1911172的专利文件公开了检测人体组织中血红蛋白浓度绝对量的一种方法，但其只适用于外层覆盖组织较薄的检测场合，而在检测成年人大脑皮层、骨骼肌时，由于外层覆盖组织较厚，该方法的检测误差较大。
本发明基于近红外光在人体组织中的传播规律，可以实现无创、连续、实时的检测，性能稳定可靠。与现有技术相比，本发明所述人体组织血红蛋白浓度指数检测方法与具有以下优点：
1)本发明充分考虑了人体组织的强散射特性，可实时测得组织血红蛋白浓度变化的百分比；
2)本发明的测量方法使用三个近红外发光波长和三个光电检测器，可以提高检测的精度，特别是消除外层覆盖组织的影响。
发明内容
本发明提供一种人体血红蛋白浓度指数的近红外无创检测方法，解决了现有技术中存在的问题，提高了检测精度和检测效率。
本发明所述技术方案如下：
人体血红蛋白浓度指数的近红外无创检测方法，所述方法包括：
步骤(1)：在待测人体组织表面的三个位置上各安放一个光电接收管，分别为D1，D2，D3，并确保所述三个光电接收管的中心在同一直线上；
在所述三个光电接收管连线的延长线的一端同一位置，设置三个不同发光波长的发光二极管LS作为光源，并将所述三个不同发光波长的二极管管芯集成在同一个管壳中；
每个所述光电接收管与所述光源LS的中心距离均在20mm至50mm；
所述光电接收管D1到所述光源LS的距离记为r1，所述光电接收管D2到所述光源LS的距离记为r2，所述光电接收管D3到光源LS的距离记为r3，且r1<r2<r3；相邻两个所述光电接收管的中心距在5mm至10mm之间；
步骤(2)：检测各所述光电接收管接收到的散射光强，并计算其光密度OD，具体步骤如下：
步骤(2.1)：微控制器驱动所述光源LS依次分时发出波长为λi的光，i＝1，2，3，其中λ1＝750nm～770nm，λ2＝790nm～820nm，λ3＝835nm～855nm；用三个所述光电接收管D1，D2，D3在0.5ms内依次分别检测经过待测人体组织吸收和散射后，对应所述三个不同发光波长二极管的出射光强值；
步骤(2.2)：利用光密度的计算公式，计算出不同检测距离下，对应各个发光波长二极管的光密度，
Figure BDA0001666045540000031
其中k＝1，2，3，分别对应所述光电接收管D1，D2，D3，
λi表示二极管发光波长，i＝1，2，3，
I0(λi)为光源LS发出的第i个波长的光强，
I(k,λi)为第k个位置的光电接收管检测到的经过待测人体组织吸
收和散射后的，对应第i个发光波长二极管的出射光强。
步骤(3)：根据步骤(2)测得的OD(k,λi)，按如下表达式计算出波长λi时，光密度的相对变化量ΔOD(λi)，
Figure BDA0001666045540000032
其中
Figure BDA0001666045540000033
Figure BDA0001666045540000034
Figure BDA0001666045540000035
系数m1＝0.15～0.25，m2＝0.25～0.35，m3＝0.60～0.75；
步骤(4)：根据步骤(3)测得的ΔOD(λi)，i＝1，2，3，微控制器按如下经验表达式计算出待测组织的血红蛋白浓度指数tHI，
tHI＝a1·[ΔOD(λ1)]2+a2·[ΔOD(λ2)]2+a3·[ΔOD(λ3)]2+b1·ΔOD(λ1)+b2·ΔOD(λ2)+b3·ΔOD(λ3)+c，
系数a1＝0.30～0.40，a2＝0.70～1.00，a3＝0.60～0.80，
b1＝0.12～0.18，b2＝0.30～0.45，b3＝0.25～0.40，c＝0.075～0.096。
本发明提供的技术方案的具有如下有益效果：
与目前公开的相关技术相比，本发明的特点及优势在于：第一，与其他专利主要检测血红蛋白浓度的变化量不同，本发明检测的人体组织血红蛋白浓度指数与待测组织中的血红蛋白总浓度成正比，可反映待测组织中血红蛋白浓度变化的百分比；第二，本发明所述方法采用三个发光波长的光源和三个光电检测器，有利于提高检测精度，特别是消除外层覆盖组织的影响。
附图说明
图1为本发明的检测方法的示意图；
图2为本发明的检测方法的流程图；
图3为采用本发明的检测方法的实验样机在一次体外循环手术中记录的测量数据统计表。
具体实施方式
为了深入了解本发明，下面结合附图对本发明进行详细说明。
本发明的目的在于提供一种人体组织血红蛋白浓度指数的无创检测方法，有利于实时评估待测组织的血液充盈水平。
在围术期及重症监护室等多种场合下，患者可能发生各种组织灌注问题，例如：
1.由于脑组织水肿导致脑血管受压迫，从而发生脑血容积下降进而出现灌注不足。
2.颈动脉内膜剥脱术后，由于原本狭窄的颈动脉突然通畅，血流量突然增大，可能导致患者术后脑组织血管极度扩张从而出现过度灌注综合症，严重者可能导致出血性脑中风。
3.涉及血管吻合的皮瓣移植术后，如果发生动脉栓塞，移植组织中血容积将出现下降，组织呈缺血状态；如果发生静脉栓塞，移植组织中血容积将出现升高，组织呈淤血状态。
由此，目前临床急需一种能够无损连续监测组织中血红蛋白浓度变化的手段，特别是对于覆盖有外层组织(如皮肤脂肪颅骨等)的深层组织，但现在尚无可靠客观的检测方法。而本发明提出的人体组织血红蛋白浓度指数的无创检测方法能够很好地解决上述问题。
由图1可见，本发明的测量采用三个发光波长的光源和三个光电检测器：其中1为与近红外光源LS距离为r1的光电接收管D1；2为与近红外光源LS距离为r2的光电接收管D2，3为与近红外光源LS距离为r3的光电接收管D3。4为近红外光源LS，5为最外层覆盖组织并用T1表示，6为次外层覆盖组织并用T2表示，7为待测组织并用T3表示。
例如：在检测脑组织血红蛋白浓度指数的模型中，T1既为头皮，T2既为颅骨和脑脊液，T3既为待测脑组织(灰质和白质)；在检测骨骼肌血红蛋白浓度指数的模型中，T1既为皮肤，T2既为脂肪组织，T3既为骨骼肌。
如图1和图2所示，以检测骨骼肌血红蛋白浓度指数的检测为例，采用本发明的血红蛋白浓度指数的近红外无创检测方法主要包含有以下几个步骤：
步骤(1)：将三个光电接收管分别安放于待测人体组织表面，即皮肤表面，并保持设定间距的三个位置上各安放一个光电接收管，分别为D1、D2、D3，并确保三者的中心在同一直线上。在上述三个光电接收管连线的延长线的一端同一位置，设置三个不同发光波长的发光二极管LS作为光源，并将三个不同发光波长对应的管芯集成在同一个管壳中；每个光电接收管与光源LS的中心距离均在20mm～50mm，其中D1到光源LS的距离记为r1；D2到光源LS的距离记为r2；D3到光源LS的距离记为r3，且r1<r2<r3。另外，相邻两个光电接收管的中心距设置在5mm～10mm之间；每个发光二极管光源均发出红光或近红外光。
步骤(2)：按以下步骤检测各光电接收管接收到的散射光强，并依此计算其光密度OD，具体步骤如下：
步骤(2.1)：微控制器驱动光源LS依次分时发出波长为λi的光，i＝1，2，3，其中λ1＝750nm～770nm，λ2＝790nm～820nm，λ3＝835nm～855nm；用三个光电接收管D1，D2，D3依次在0.5ms内分别检测经过待测人体组织吸收和散射后的，对应各个发光波长的出射光强值；
步骤(2.2)：利用光密度的计算公式，由微控制器算出不同检测距离下，对应各个发光波长的光密度
Figure BDA0001666045540000061
其中k＝1，2，3分别对应光电接收管D1，D2，D3，
λi表示光源LS依次分时发光波长，i＝1，2，3，
I0(λi)为光源LS发出的第i个波长的光强，
I(k,λi)为第k个位置的光电接收管检测到的经过待测人体组织吸收和散射后的，对应第i个发光波长的出射光强。
步骤(3)：根据步骤(2)测得的OD(k,λi)，微控制器按如下表达式计算出波长λi时，光密度的相对变化量ΔOD(λi)，
Figure BDA0001666045540000071
其中：
Figure BDA0001666045540000072
Figure BDA0001666045540000073
Figure BDA0001666045540000074
系数m1＝0.15～0.25，m2＝0.25～0.35，m3＝0.60～0.75；其具体取值与外层覆盖组织厚度有关；对新生儿脑组织，典型取值为m1＝0.25，m2＝0.35，m3＝0.60；对成年人脑组织，典型取值为m1＝0.15，m2＝0.25，m3＝0.75；
步骤(4)：根据步骤(3)测得的ΔOD(λi)，i＝1，2，3，微控制器按如下经验表达式计算出待测组织的血红蛋白浓度指数tHI，
tHI＝a1·[ΔOD(λ1)]2+a2·[ΔOD(λ2)]2+a3·[ΔOD(λ3)]2+b1·ΔOD(λ1)+b2·ΔOD(λ2)+b3·ΔOD(λ3)+c；
系数a1＝0.30～0.40，a2＝0.70～1.00，a3＝0.60～0.80，
b1＝0.12～0.18，b2＝0.30～0.45，b3＝0.25～0.40，c＝0.075～0.096；
具体取值取决于所采用的具体波长及光源与远处检测器的距离。
采用本发明的人体组织血红蛋白浓度指数的无创检测方法，有利于实时评估待测组织的血液充盈水平。
从生理意义上，tHI正比于组织中的血红蛋白总浓度，
即：tHI＝k*BV*HCT
其中，k为组织约化散射系数，对于不同受试者或不同部位的人体组织，k可能存在差异，但对于同一组织，k是一个未知的恒量。
BV即Blood Volumn，表示单位体积组织中的血容积，反映了组织中微血管的开放、扩张、收缩、闭合。
HCT即红细胞压积比，表示单位体积血液中的血红蛋白含量，反映血液的稀释或浓缩。tHI在临床使用时，只看其变化趋势和变化比例，不会在不同患者间比较tHI的数值高低。在临床上，某些生理现象或临床操作可以导致tHI的变化，例如：人体运动后骨骼肌充血时，骨骼肌组织的tHI会升高；体外循环手术中体外循环机转机时，由于血液稀释的作用，脑组织tHI会降低；再如，患者输血时，脑组织tHI会随着HCT增加而增加。
图3是我们用实验样机在一次体外循环手术中记录的测量数据。
在图中左侧圆圈标注的时段内，tHI由于血液稀释出现了明显降低(从2.1降至1.6)，在右侧圆圈标注的时段内，tHI由于改良超滤出现了明显升高(从1.7升至2.8)。
结合上述实施例可以看出，本发明采用三波长光源和三个检测器，有利于提高检测精度，并有利于消除外出覆盖组织的影响；光源采用发光二极管，系统性能稳定，使测得的组织血红蛋白浓度指数稳定可靠；另外，测得的组织血红蛋白浓度指数与组织中的血红蛋白总浓度成正比，可反映待测组织中血红蛋白浓度变化的百分比。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种人体血红蛋白浓度指数的近红外无创检测方法，其特征在于，所述方法包括：步骤(1)：在待测人体组织表面的三个位置上各安放一个光电接收管，分别为D1，D2，D3，并确保三个光电接收管的中心在同一直线上；
在所述三个光电接收管连线的延长线的一端同一位置，设置三个不同发光波长的发光二极管LS作为光源，并将所述三个不同发光波长的二极管管芯集成在同一个管壳中；
每个所述光电接收管与所述光源的中心距离均在20mm至50mm；
所述光电接收管D1到所述光源的距离记为r1，所述光电接收管D2到所述光源的距离记为r2，所述光电接收管D3到光源的距离记为r3，且r1<r2<r3；相邻两个所述光电接收管的中心距在5mm至10mm之间；
步骤(2)：检测各所述光电接收管接收到的散射光强，并计算其光密度OD；步骤(3)：根据步骤(2)测得的OD(k,λi)，计算出波长λi时，光密度的相对变化量ΔOD(λi)；
步骤(4)：根据步骤(3)测得的ΔOD(λi)，i＝1，2，3，按经验表达式计算出待测组织的血红蛋白浓度指数tHI；
在步骤(3)中，按如下表达式计算出波长λi时，光密度的相对变化量ΔOD(λi)：
Figure FDA0003195497610000011
其中
Figure FDA0003195497610000012
Figure FDA0003195497610000013
Figure FDA0003195497610000014
其中，系数m1＝0.15～0.25，m2＝0.25～0.35，m3＝0.60～0.75；
Figure FDA0003195497610000021
其中，k＝1，2，3，分别对应所述光电接收管D1，D2，D3，λi表示二极管发光波长，i＝1，2，3，I0(λi)为光源LS发出的第i个波长的光强，I(k,λi)为第k个位置的光电接收管检测到的经过待测人体组织吸收和散射后的，对应第i个发光波长二极管的出射光强；
在步骤(4)中，按如下经验表达式计算出待测组织的血红蛋白浓度指数tHI：tHI＝a1·[ΔOD(λ1)]2+a2·[ΔOD(λ2)]2+a3·[ΔOD(λ3)]2+b1·ΔOD(λ1)+b2·ΔOD(λ2)+b3·ΔOD(λ3)+c，系数a1＝0.30～0.40，a2＝0.70～1.00，a3＝0.60～0.80，b1＝0.12～0.18，b2＝0.30～0.45，b3＝0.25～0.40，c＝0.075～0.096。
2.如权利要求1所述的人体血红蛋白浓度指数的近红外无创检测方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述检测各所述光电接收管接收到的散射光强，并计算其光密度OD，具体包括：
步骤(2.1)：通过微控制器驱动所述光源LS依次分时发出波长为λi的光，i＝1，2，3，其中λ1＝750nm～770nm，λ2＝790nm～820nm，λ3＝835nm～855nm；用三个所述光电接收管D1，D2，D3在0.5ms内依次分别检测经过待测人体组织吸收和散射后，对应所述三个不同发光波长二极管的出射光强值；
步骤(2.2)：利用光密度的计算公式，计算出不同检测距离下，对应各个发光波长二极管的光密度，
Figure FDA0003195497610000022
其中，k＝1，2，3，分别对应所述光电接收管D1，D2，D3，λi表示二极管发光波长，i＝1，2，3，I0(λi)为光源LS发出的第i个波长的光强，I(k,λi)为第k个位置的光电接收管检测到的经过待测人体组织吸收和散射后的，对应第i个发光波长二极管的出射光强。
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