CN109596552A - 利用单距离光源-探测器对测量组织血氧饱和度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生物医学工程中的血氧测量技术领域，提出了一种利用单距离光源‑探测器对测量血氧饱和度的方法，包括以下步骤：S1、配置吸收系数已知的两种仿体模型；S2、通过单距离光源‑探测器测量两种仿体模型在波长λ1和波长λ2下的光强度；S3、通过单距离光源‑探测器测量样品在波长λ1和波长λ2下的光强度；S4、根据测量得到的光强值，计算两种波长下的样品的吸收系数；S5、根据两种波长下的吸收系数，计算得到样品的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度。本发明可以通过单距离光源‑探测器对测量光学信号来量化血氧饱和度，简化了测量仪器，准确度高，可以广泛应用于血氧测量技术领域。

Description

利用单距离光源-探测器对测量组织血氧饱和度的方法

技术领域

本发明涉及生物医学工程中的血氧测量技术领域，特别是涉及一种改良MBLL算法在单距离S-D对测量血氧饱和度中的应用方法。

背景技术

氧气对于维持生理活动的重要性不言而喻，血液中携带的氧气通过微脉管系统血流供给组织。许多疾病，如缺血性中风，癌症和外周动脉疾病，可以显着改变血氧饱和度状态。因此，监测氧合状态对于理解病理生理学以及疾病诊断和治疗是至关重要的。

然而，目前可用于评估体内组织的氧合状态的技术是有限的。氧分压(PO₂)是一种量化侵入模式中氧气压力的技术，这对健康人群是不利的。在过去的四十年中，近红外漫射光谱(NIRS)已被开发为一种非侵入性模式，可以低成本快速测量组织血氧。在近红外(NIR)范围内(即650-900nm)，血红蛋白以及水都具有低吸收率，使得光能穿透深层组织高达几厘米。除了组织吸收之外，穿过组织的光子在被探测器收集之前会遇到多次散射，其被称为“漫射光”。NIRS组织血氧计可以从收集的光信号中将组织吸收和散射分开，但这两种技术都需要对光进行复杂的操作，从而大大提高了仪器的成本。连续波(CW)组织血氧计需要从多个光源–探测器(S-D)对中收集光学数据。也就是说，目前提取组织血液氧合绝对值(例如，血氧饱和度)的方法需要测量来自多个光源和探测器(S-D)对之间的漫射光信号。但多个S-D对增加了仪器的成本以及光学探针的尺寸，使得难以在具有小尺寸或大曲率的组织(例如，小鼠脑部、人体乳房)上进行测量。

近些年报道的各种漫射光学研究，单个S-D对仅用于量化血红蛋白浓度变化。然而组织血氧饱和度(StO₂)等参数对于临床医学来说意义重大，其值只能由绝对血红蛋白浓度得出，而不是其浓度的相对变化。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种利用单距离光源-探测器对测量组织血氧饱和度的方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种利用单距离光源-探测器对测量组织血氧饱和度的方法，包括以下步骤：

S1、配置吸收系数分别为μ_a0(λ_i)和(1-α)μ_a0(λ_i)的两种仿体模型；

S2、通过单距离光源-探测器测量两种仿体模型在波长λ1和波长λ2下光强度I₁₀₁，I₁₀₂和I₂₀₁，I₂₀₂，其中，I₁₀₁，I₁₀₂分别表示在波长λ1和波长λ2下测量得到的第一种仿体模型的光强度，I₂₀₁，I₂₀₂分别表示在波长λ1和波长λ2时测量得到的第二种仿体模型的光强度；

S3、通过单距离光源-探测器测量样品在波长λ1和波长λ2下的光强度I₁₁和I₁₂；

S4、根据步骤S2和步骤S3测量得到的光强值，计算两种波长下的样品的吸收系数和计算公式为：

S5、根据两种波长下的吸收系数，计算得到样品的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度。

所述α的取值大于0小于1，所述样品的吸收系数位于所述两种仿体模型之间。

所述S5包括以下步骤：

首先计算得到氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度的绝对值，计算公式为：

式中， 为水的吸收系数，ε_Hb(λ₁)和ε_HbO(λ₁)分别表示波长λ₁下[Hb]和[HbO₂]的消光系数，ε_Hb(λ₂)和ε_HbO(λ₂)分别表示波长λ₂下[Hb]和[HbO₂]的消光系数；

然后计算总血红蛋白浓度THC和血氧饱和度StO₂，计算公式为：

THC＝[HbO₂]+[Hb]；

StO₂＝100％×[HbO₂]/THC。

所述单距离光源-探测器包括一个双波长LED光源和一个光学探测器。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明通过两次仿真模型对探测装置进行校准，可以通过单距离光源-探测器对的光学信号来量化血氧饱和度，其准确性和稳定性通过分步吸收系数变化下的仿体实验以及袖带加压下的生理实验得到充分验证，降低了仪器的成本和光学探针的尺寸，本发明提供的测量方法可应用于小尺寸和大曲率组织中血氧饱和度测量。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种利用单距离光源-探测器对测量组织血氧饱和度的方法的流程图；

图2为通过本发明实施例的测量方法与SRS算法(绝对氧合测量的标准方法)实验效果对比图。

图3为本发明实施例实用的单距离光源-探测器的简明示意图；

图4为基于PV-MBLL算法和常规SRS算法在袖带加压下的血氧饱和度(StO₂)的测量对比图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种利用单距离光源-探测器对测量组织血氧饱和度的方法，包括以下步骤：

S1、配置吸收系数分别为μ_a0(λ_i)和(1-α)μ_a0(λ_i)的两种仿体模型。

其中，α表示两种仿体模型之间吸收系数的变化率，如表1所示，假设第一种仿体模型的吸收系数为0.20cm^-1，第二种仿体模型的吸收系数为0.02cm^-1，则表明变化率α的值为0.9。

表1仿体模型的参数值

S2、通过单距离光源-探测器测量两种仿体模型的光强度I₁₀₁，I₁₀₂和I₂₀₁，I₂₀₂，其中，I₁₀₁，I₁₀₂分别表示在波长λ1和波长λ2下测量得到的第一种仿体模型的光强度，I₂₀₁，I₂₀₂分别表示在波长λ1和波长λ2时测量得到的第二种仿体模型的光强度。

S3、通过单距离光源-探测器测量得到在波长λ1和波长λ2下的光强度I₁₁和I₁₂。

S4、根据步骤S2和步骤S3测量得到的光强值，计算两种波长下的样品的吸收系数和计算公式为：

其中，式(1)和式(2)的推导过程如下:

对于波长λi(i＝1,2，...，n)的给定S-D对，光源随着血红蛋白浓度([HbO₂]或[Hb])和光子(L_i)的平均路径长度(MPL)呈指数衰减的过程可由MBLL算法给出：

其中，μ_a(λ_i)表示波长λi下的组织吸收系数，ε_HbO(λ_i)和ε_Hb(λ_i)分别表示波长λ_i下光吸收物[HbO₂]和[Hb]的消光系数；I_0i是波长λ_i处光源的光强度，I_ki表示在波长λ_i下对样品进行第k次实验测量到的光强度，L_i表示光子的平均路径长度。

对于绝对氧合测量[HbO₂]和[Hb]，上式(3)中光源的光强I_0i应该是已知量。为此，我们配置了两种仿体模型，在模型中已知模型在两个特定波长下的吸收系数，假设第一个模型中的吸收系数为μ_a0(λ_i)，通过单距离光源-探测器测量该仿体在波长λ_i下的光强，作为首次吸收系数校准，即有：

ln(I_0i/I_10i)＝μ_a0(λ_i)·L_i； (4)

假设第二个模型中的吸收系数为(1-α)μ_a0(λ_i)，在MBLL原理下，假设平均路径长度(Li)保持不变，α的值大于0小于1；通过单距离光源-探测器测量该仿体在波长λ_i下的光强，进行第二次吸收系数校准，则有：

ln(I_0i/I_20i)＝(1-α)μ_a0(λ_i)·L_i； (5)

联立式(4)和式(5)，则有：

ln(I_0i)＝(lnI_20i-(1-α)lnI_10i)/α； (6)

L_i＝(lnI_20i-lnI_10i)/αμ_a0； (7)

然后将式(6)和式(7)代入式(1)可以得到：

令：

则有：

其中，式(9)被命名为PV-MBLL算法，表示水的吸收系数，因此，只要通过单距离光源-探测器对两种仿体和样品分别进行测量实验，即可以通过式(9)和式(10)计算得到样品在该波长下的吸收系数，将其代入氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度的绝对值的计算公式中，即可以得到样品中的总血红蛋白浓度THC和血氧饱和度StO₂。

S5、根据两种波长下的吸收系数，计算得到样品的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度。

其计算过程具体包括两步：

(1)计算含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度，计算公式为：

式中，ε_Hb(λ₁)和ε_HbO(λ₁)分别表示波长λ₁下[Hb]和[HbO₂]的消光系数，ε_Hb(λ₂)和ε_HbO(λ₂)分别表示波长λ₂下[Hb]和[HbO₂]的消光系数。其中，由于式(11)和式(12)中，需要两个波长下的消光系数，因此，本发明所使用的探测仪器——单距离光源-探测器可以为包括一个双波长LED和一个光学探测器的血氧计。其中，该双波长LED发出的光波长分别为750nm和830nm，探测器用于探测LED发出的两种光经样品或仿体后的光强。

(2)计算血红蛋白浓度总量THC和血氧饱和度StO₂，计算公式为：

THC＝[HbO₂]+[Hb]； (13)

StO₂＝100％×[HbO₂]/THC； (14)

为了验证本发明的测量方法的准确性，建立了多组具有已知吸收和散射系数的液态仿体模型。每组仿体模型由一定比例的蒸馏水，墨水(用于产生吸收系数)和30％脂肪乳剂(用于产生散射系数)组成。我们将吸收系数μ_a(λ_i)的测量按照是否在μ_a0(λ_i)～(1-α)μ_a0(λ_i)之间分为两类，即范围内和范围外。对于吸收系数μ_a(λ_i)在μ_a0(λ_i)～(1-α)μ_a0(λ_i)的范围外的情况，需要重新选择仿体的浓度范围，并进行上述测量即可。

具体地，首先将墨水稀释至10％溶液，其吸收系数通过光谱仪测定。测定30％脂肪乳剂的散射系数(830nm)。仿体模型中最初的吸收系数μa(830nm)和约化散射系数μ‘s(830nm)的值分别设定为0.02cm^-1、8.0cm^-1。基于墨水的吸收系数和脂肪乳剂的散射系数，以及μa、μ‘s的目标值和液体体积，可以计算得到配置相应量的印度油墨和脂肪乳剂。应说明的是，仿体中约化散射系数μ‘_s的值并不会影响测量结果。其中光学探针被塑料薄膜覆盖并放置在液体模型的表面上，控制其以0.32Hz的采样率连续收集光学数据5分钟。然后，逐步加入适当量的墨水，使μa(830nm)在0.02-0.20cm^-1范围内。在μa变化的每个步骤中，通过单距离光源—探测器来收集光学数据(I_10i,I_20i,和I_1i)5分钟。其中，使用的单距离光源—探测器实际上为具有双探测器中的NIRS血氧计其中一个探测器。将这些数据输入到式(9)中，获得μ_a ^liquid(λ_i)的测量值，将其与SRS算法(绝对氧合测量的标准方法)的测量结果的准确度进行比较，结果如图2所示，从图2中可以看出，本发明的测量方法具有更好的准确度。

如图3所示，为本发明实施例使用的单距离光源—探测器的简明示意图，其中S表示双波长光源，D表示探测器。如图4所示，为基于本发明提供的PV-MBLL算法和常规SRS算法在袖带加压下的血氧饱和度(StO₂)的测量对比图。图中2.5cm和3.5cm的数据分别为利用NIRS血氧计的两个探测器分别测量得到的血氧饱和度(StO₂)，从图4中可以看出，本发明计算得到的血氧饱和度(StO₂)与SRS算法得到值具有相同的趋势，也就是说，本发明提供的测量方法具有实际应用价值。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种利用单距离光源-探测器对测量组织血氧饱和度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、配置吸收系数分别为μ_a0(λ_i)和(1-α)μ_a0(λ_i)的两种仿体模型；

S2、通过单距离光源-探测器测量两种仿体模型在波长λ1和波长λ2下光强度I₁₀₁，I₁₀₂和I₂₀₁，I₂₀₂，其中，I₁₀₁，I₁₀₂分别表示在波长λ1和波长λ2下测量得到的第一种仿体模型的光强度，I₂₀₁，I₂₀₂分别表示在波长λ1和波长λ2时测量得到的第二种仿体模型的光强度；

S3、通过单距离光源-探测器测量样品在波长λ1和波长λ2下的光强度I₁₁和I₁₂；

S4、根据步骤S2和步骤S3测量得到的光强值，计算两种波长下的样品的吸收系数和计算公式为：

S5、根据两种波长下的吸收系数，计算得到样品的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度。

2.根据权利要求1所述的一种利用单距离光源-探测器对测量组织血氧饱和度的方法，其特征在于，所述α的取值大于0小于1，所述样品的吸收系数位于所述两种仿体模型之间。

3.根据权利要求1所述的一种利用单距离光源-探测器对测量组织血氧饱和度的方法，其特征在于，所述S5包括以下步骤：

首先计算得到氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度的绝对值，计算公式为：

式中， 为水的吸收系数，ε_Hb(λ₁)和ε_HbO(λ₁)分别表示波长λ₁下[Hb]和[HbO₂]的消光系数，ε_Hb(λ₂)和ε_HbO(λ₂)分别表示波长λ₂下[Hb]和[HbO₂]的消光系数；

然后计算总血红蛋白浓度THC和血氧饱和度StO₂，计算公式为：

THC＝[HbO₂]+[Hb]；

StO₂＝100％×[HbO₂]/THC。

4.根据权利要求1所述的一种利用单距离光源-探测器对测量组织血氧饱和度的方法，其特征在于，所述单距离光源-探测器包括一个双波长LED光源和一个光学探测器。