CN110338771A - 基于光纤传感器的穿刺针头漏血检测方法和检测电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于光纤传感器的穿刺针头漏血检测方法和检测电路，方法为将光纤探测端固定在穿刺部位；光纤探测端的光源端设置单色光源照射，在检测端利用光电转换元件将探测到的光信号转换成检测电信号；将检测电信号的电压经同放大后与阈值电压进行比较并将比较结果传输给单片机电路，当检测电信号的电压小于阈值电压时，由单片机控制报警电路发出报警信号。检测电路包括反射式Y型光纤传感器、同相电压放大器、电压比较器连接、单片机和报警电路。本发明的方法和检测电路实现了对透析穿刺中微漏血的有效检测，检测精度高，操作使用方便且安全可靠。
Description
技术领域
本发明涉及传感器和医疗器械领域，具体的说是一种基于光纤传感器的穿刺针头漏血检测方法和检测电路。
背景技术
血液透析是肾功能衰竭患者肾脏替代治疗方式之一，属于血液净化技术。目前国内约有200万名患者需要做血液透析来维持生命，一般患者需每周血液透析2-3次，每次4-5小时。临床上患者的静脉与动脉内瘘仍是维持血液透析的理想血管通路。但动静脉内瘘构建后，透析部位的静脉压也随之升高，长期定点穿刺、透析中抗凝剂的使用等因素均可导致静脉血管弹性下降，引起内瘘穿刺针孔漏血，另外患者在长时间透析过程中因身体移动亦会引起穿刺针头脱落而漏血，透析时发生漏血是十分危险的事情，若不及时采取措施则可能危及患者的生命安全。
临床上使用过的漏血检测方法有如下几种：1）人工巡查法，这种方法增加了医护人员的工作负担和心理压力；2）压力检测法，透析过程中当进血针头和出血针头同时脱针时，透析机检测不到压力差变化，将无法触发透析机报警；3）阻抗检测法，利用血液引起电极的阻抗变化实现漏血检测，存在的问题是患者出汗时易造成误报警，电极接触皮肤给患者带来安全隐患，其可靠性和安全性较低；4）图像检测法，为了获取漏血信息，图像传感器系统需要覆盖在穿刺针头部位，不利于医护人员巡查。上述漏血检测方法均存在一定的弊端和不足，需要创新检测方法。
透析过程发生漏血是严重的医疗责任事故，因此，漏血检测方法应该满足以下要求：1）不能遮挡穿刺部位，漏血检测不能影响医护人员巡查，任何检测装备都不能完全代替人工巡查；2）漏血检测设备要操作简单，在减轻医护人员的心理压力的同时，不能带来额外的工作负担；3）漏血检测技术要安全可靠，避免给患者带来另外的安全隐患；4）漏血检测装备要舒适度高，不能给患者带来不适的痛苦。
针对上述要求，本案申请人研发了一种基于光纤传感器的穿刺针头漏血检测方法和检测电路，该方法和电路能够有效检测穿刺针孔的微量漏血，提高了检测装置的灵敏度，具有安全可靠的优点。采用该技术方法的检测装置设有漏血报警功能，能够有效克服误报、漏报问题，降低透析过程中的安全风险。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于光纤传感器的穿刺针头漏血检测方法和检测电路，该方法和电路能够有效检测穿刺针孔的微量漏血，检测灵敏度高、操作方便、使用安全可靠。
为解决上述技术问题，本发明的基于光纤传感器的穿刺针头漏血检测方法包括如下步骤：
利用两根光导纤维构成的Y型光纤传感器，其导入光源的光纤端为光源端，其引出光源的光纤端为检测端，其两条光纤捆扎在一起的一端为光纤探测端；将光纤探测端和穿刺针头通过创可贴固定在穿刺部位，光纤探测端的前端部设置在创可贴的纱布上；Y型光纤传感器采用反射式探测方式，在光源端设置单色光源照射，在检测端利用光电转换元件将探测到的光信号转换成检测电信号；将检测电信号的电压经同相电压放大后与预设的阈值电压进行比较，并将比较结果传输给单片机电路，当检测电信号的电压小于阈值电压时，由单片机控制报警电路发出报警信号。
采用上述方法，在透析穿刺中，利用创可贴将穿刺针固定，创可贴的纱布直接覆盖在穿刺部位，如果有漏血发生，血液会首先将纱布染红，因此，将光纤探测端设置在创可贴的纱布上，创可贴的纱布为白色，在没有漏血时，反射光的强度最高，当纱布被染红时，反射光的强度减弱，因此，通过检测发射光的强度即可直观的判断是否有漏血发生。进一步的，利用光电转换元件将光强反映为电压值的高低，通过设置阈值电压，当检测电信号的电压小于预设的阈值电压时，说明光强减弱，纱布被染红，发生了漏血现象，此时，单片机控制报警电路发出报警信号，通知医务人员及时处理，避免事故发生。
其中，优选的，单色光源为蓝光光源，颜色传感器为蓝色光敏二极管。不同波长的光照射同一物体时反射的光信号不同，依据本案的检测原理，为了达到更高的检测灵敏度，优选的入射光的颜色应该是：在入射光源照射颜色深浅不同的红色纱布时，反射光强度变化幅度越大越好，反映到检测电信号的电压则是电压变化量越大越好。经过实验验证，蓝色光源的效果最好，因此，采用蓝色光源能保证更高的检测灵敏度。对应的，颜色传感器采用对蓝光敏感的蓝色光敏传感器。
对于单色光源颜色的确定方法，包括如下步骤：
3.1）将兔静脉全血用生理盐水配备浓度在为0%-100%范围内的多组血溶液，每组取等量血溶液滴加在厚度和面积大小相同的无纺布上制成血液实验样本，其中0%的浓度的样本只需要在无纺布上滴加等量的生理盐水；
3.2）在黑暗环境中，分别用红、绿、蓝三种颜色的光作为单色光源通过Y型光纤的导光纤维照射实验样本；
3.3）在检测端利用光电转换元件将探测到的光信号转换成检测电信号并经放大电路放大后输出信号电压；
3.4）绘制血溶液浓度与检测信号电压之间的输出特性曲线，判断信号电压的变化幅度，以变化幅度最大的单色光源作为最优光源。
由于在具体使用时，光纤探测端隐藏在创可贴纱布的下方，探头的角度和距离难以保持一致，需要归一化测量条件才能保证检测精度。因此，优选的，在光纤探测端上套设由无纺布或脱脂棉制成的引血帽。直接将漏血引到引血帽上，不仅能实现探头垂直照射探测位置的目的，还能扩大引血范围，提高检测精度。
为了实现上述方法，本发明的检测电路包括两路Y型光纤传感器、设置在Y型光纤传感器光源端的单色发光二极管、设置在Y型光纤传感器检测端的颜色传感器；颜色传感器的输出端与一同相电压放大器连接，同相电压放大器与一电压比较器连接，电压比较器的输出端与单片机的信号输入端连接，单片机的控制输出端连接有报警电路；Y型光纤传感器包括两根光导纤维，两根光导纤维的其中一端捆扎为一体形成光纤探测端，两根光导纤维的另一端分别引出光源端和检测端；光纤探测端通过创可贴固定在穿刺部位上方且光纤探测端的前端部设置在创可贴的纱布上。
所述光纤探测端上套设有由无纺布或脱脂棉制成的引血帽。设置引血帽，将漏血引到引血帽上，不仅能实现探头垂直照射探测位置的目的，还能扩大引血范围，提高检测精度。
所述电压比较器的其中一个输入端与同相电压放大器的输出端连接，电压比较器的另一个输入端通过滑动变阻器连接基准电压源，滑动变阻器构成分压电路。通过滑动变阻器调整分压大小，从而可灵活的调整进入电压比较器的阈值电压的大小。
所述报警电路包括喇叭，喇叭的电源回路上串连三极管开关，三极管开关的控制端与单片机电连接；喇叭的电源回路上还连接有功能开启按键和复位按键。在报警电路中，设置两个用户可操作的按键，当按下功能开启按键时，漏血检测报警系统开始运行，实时检测穿刺针头部位的漏血状态，一旦出现漏血将立即触发报警系统，提醒医护工作人员及时处理。当处理完毕后按下复位按键，消除报警并回到正常检测工作状态。
所述单色发光二极管为蓝色发光二极管，颜色传感器为蓝色光敏二极管。不同波长的光照射同一物体时反射的光信号不同，依据本案的检测原理，优选的入射光的颜色应该是：在入射光源照射颜色深浅不同的红色纱布时，反射光强度变化幅度越大越好，反应到检测电信号的电压则是电压变化量越大越好。经过实验验证，蓝色光源的效果最好，因此，采用蓝色光源能保证更高的检测灵敏度。
综上所述，本发明的方法和检测电路实现了对透析穿刺中微漏血的有效检测，检测精度高，操作使用方便且安全可靠。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
图1为本发明检测电路中信号采集和放大的电路原理图；
图2为本发明检测电路中信号处理电路和报警电路的电路原理图；
图3为本发明采用红色、绿色、蓝色三种颜色入射光的检测电信号电压的输出特性曲线；
图4为本发明采用蓝色入射光的检测电信号电压的输出特性曲线；
图5为本发明中光纤探测端的具体放置方式的结构示意图。
具体实施方式
参照附图，本发明的基于光纤传感器的穿刺针头漏血检测方法，包括如下步骤：利用两根光导纤维构成的Y型光纤传感器，其导入光源的光纤端为光源端，其引出光源的光纤端为检测端，其两条光纤捆扎在一起的一端为光纤探测端1；将光纤探测端1和穿刺针头通过创可贴2固定在穿刺部位，光纤探测端1的端部设置在创可贴的纱布20上；Y型光纤传感器采用反射式探测方式，利用两根光导纤维分别引出光源端和检测端，在光源端设置单色光源照射，在检测端利用光电转换元件将探测到的光信号转换成检测电信号；将检测电信号的电压经同相电压放大后与预设的阈值电压进行比较并将比较结果传输给单片机电路，当检测电信号的电压小于阈值电压时，由单片机控制报警电路发出报警信号。
在透析穿刺中，利用创可贴2将穿刺针固定，创可贴2的纱布直接覆盖在穿刺部位，如果有漏血发生，血液会首先将纱布20染红，因此，将光纤探测端1设置在创可贴1的纱布20上，创可贴1的纱布为白色，在没有漏血时，反射光的强度最高，当纱布被染红时，反射光的强度减弱，因此，通过检测发射光的强度即可直观的判断是否有漏血发生。进一步的，利用光电转换元件将光强反映为电压值的高低，通过设置阈值电压，当检测电信号的电压小于预设的阈值电压时，说明光强减弱，纱布被染红，发生了漏血现象，此时，单片机控制报警电路发出报警信号，通知医务人员及时处理，避免事故发生。
其中，优选的单色光源为蓝光光源，光电转换元件为蓝光颜色传感器；预设的阈值电压的大小根据放大器设置的放大倍数和光电转换元件的灵敏度选取。不同波长的光照射同一物体时反射的光信号不同，依据本案的检测原理，为了达到更高的检测灵敏度，优选的入射光的颜色应该是：在入射光源照射颜色深浅不同的红色纱布时，反射光强度变化幅度越大越好，反应到检测电信号的电压则是电压变化量越大越好。经过实验验证，蓝色光源的效果最好，因此，采用蓝色光源能保证更高的检测灵敏度。对应的，光电转换元件为蓝光颜色传感器。
单色光源颜色的确定方法包括如下步骤：3.1）将兔静脉全血用生理盐水配备浓度在为0%-100%范围内的多组血溶液，每组取等量血溶液滴加在厚度和面积大小相同的无纺布上制成血液实验样本，其中0%的浓度的样本只需要在无纺布上滴加等量的生理盐水；3.2）在黑暗环境中，分别用红、绿、蓝三种颜色的光作为单色光源通过Y型光纤的导光纤维照射实验样本；3.3）在检测端利用光电转换元件将探测到的光信号转换成检测电信号并经放大电路放大后输出信号电压；3.4）绘制血溶液浓度与检测信号电压之间的输出特性曲线，判断信号电压的变化幅度，以变化幅度最大的单色光源作为最优光源。
下面对单色光源的颜色确定以及优选的阈值电压范围确定的过程进行详细介绍。
选用常见的红、绿、蓝三种颜色的光照射检测样本进行模拟漏血实验，用来优选灵敏度更高的光纤传感器。为了模拟透析过程中穿刺针头漏血量的多少，将兔静脉全血用0.9%的生理盐水配备12组浓度为0%-100%的血溶液，每组取等量血溶液滴加在厚度和面积大小相同的无纺布上制成血液实验样本，其中0%的浓度的样本只需要在无纺布上滴加等量的生理盐水。
实验中分别采用红、绿、蓝光的光纤传感器对浓度C为0%-100%的兔血进行检测，由于透析针头与光纤探测端是包埋在创可贴下方，为了模拟检测环境，避免环境光对检测造成干扰，模拟实验在黑暗条件下进行。设红、绿、蓝光的光纤传感器的输出电压分别为Ur、Ug、Ub，实验数据见表1。
图3是根据表1的实验数据绘制的三种颜色的光纤传感器输出特性曲线，图中，U为光纤传感器的输出电压，C为血液样本浓度，Ur为红光光纤传感器的输出特性曲线，Ug为绿光光纤传感器的输出特性曲线，Ub为蓝光光纤传感器的输出特性曲线。对比分析Ur、Ug、Ub特性曲线可见，红光光纤传感器对样本浓度的变化最不敏感，灵敏度最小；绿光光纤传感器在检测样本微量变化时较敏感，灵敏度较高；蓝光光纤传感器其电压变化量远大于绿光传感器，表明蓝光光纤传感器的灵敏度最高，故优选蓝光光纤传感器作为漏血检测的光纤传感器。
动物血样实验证明，蓝光的光纤传感器对微量漏血的灵敏度最高，需要采集志愿者血液对该传感器进行血样实验，进一步验证其检测灵敏度并确定检测系统的报警阈值范围。实验条件和方法与动物血样实验相同。采用浓度为0%-100%的12组志愿者血样进行实验。试验中采用放大器的放大倍数为10倍，单色发光二极管红、绿、蓝三色光的波长分别为620nm、550nm、470nm，颜色传感器的型号为CLRS15-22C/L213/TR。
以蓝光为光源的光纤传感器对12组不同浓度的血液样本进行检测，其输出的电压Ub，实验数据见表2。由表2可知，蓝光的光纤传感器对不同浓度血样变化对应输出的电压值整体上呈现明显的递减趋势，进一步证实了动物血样实验的结论。
图4是蓝光光纤传感器随血样浓度变化的输出特性曲线。图中，U为光纤传感器的输出电压，C为血液样本浓度。曲线表明，蓝光光纤传感器对血样浓度的微量变化灵敏度高，适于设计漏血检测的报警装置；蓝光光纤传感器在0%-40%的血样浓度范围内电压输出变化量较大，40%-100%的血样浓度范围内电压输出变化量较小，为提高报警速度，故优选20%-40%浓度范围对应的输出电压值作为报警阈值设定范围，该范围内阈值电压为120-160mV。
参照附图，本发明的检测电路包括包括两路Y型光纤传感器SY1、SY2，设置在Y型光纤传感器光源端的单色发光二极管L1、L2，设置在Y型光纤传感器检测端的颜色传感器D1、D2；颜色传感器D1、D2的输出端与一同相电压放大器U1A、U1B连接，同相电压放大器U1A、U1B与一电压比较器U1C、U1D连接，电压比较器U1C、U1D的输出端与单片机U2的信号输入端连接，单片机U2的控制输出端连接有报警电路；Y型光纤传感器SY1、SY2包括两根光导纤维，两根光导纤维的其中一端捆扎为一体形成光纤探测端1，两根光导纤维的另一端分别引出光源端和检测端；光纤探测端1通过创可贴2固定在穿刺部位上方且光纤探测端1的前端部设置在创可贴的纱布20上。
其中，电压比较器U1C、U1D的其中一个输入端与同相电压放大器的输出端连接，电压比较器U1C、U1D的另一个输入端通过滑动变阻器W1、W2连接基准电压源Vref，滑动变阻器W1、W2构成分压电路。
报警电路包括喇叭SPK，喇叭SPK的电源回路上串连三极管开关T1，三极管开关T1的控制端与单片机U2电连接；喇叭SPK的电源回路上还连接有功能开启按键K1和复位按键K2。
由于在实际的透析穿刺中，需要同时监测进血针孔和出血针孔的漏血状态，因此，附图中的信号采集和处理电路均设置相同的两套，两套电路共用一个单片机电路和报警电路。下面对具体电路结构进行详细介绍。
图1为信号采集和放大的电路原理图，由Y型光纤和电压放大器两部分构成。透析时穿刺静脉形成血液的循环通路，需要同时监测出血针孔和进血针孔的漏血状态，所以应设置两组光纤传感器对透析针头进行实时检测。本设计中，单色发光二极管L1、L2分别发出红、绿、蓝三种颜色的光作为光源，通过Y型光纤SY1、SY2的光源端射入，探头端垂直照射测试样本中心，光源从探头端照射到检测点上，当有血液渗出时，光纤的检测端将导出不同强度的光信号，由颜色传感器D1、D2接收并转换为电信号,其中，颜色传感器为对特定波长敏感的光敏二极管。U1A和U1B构成两组同相电压放大电路，其放大倍数约为十倍，用来放大光纤传感器输出的电信号，实现漏血检测的信号采集。
图2为信号处理电路和报警电路的电路原理图，主要由两个电压比较器、单片机系统和报警电路三部分构成。两组光纤传感器输出的电压信号U1、U2与其对应的电压比较器U1C和UID设定的阈值进行比较，当任意一组输入的电压信号小于阈值电压时比较器输出漏血信号，该信号由STC15F104E单片机U2系统进行确认后输出报警信号，驱动报警电路发出声光报警。漏血报警系统设有两个用户可操作的按键，当按下K1键时，漏血检测报警系统开始运行，实时检测穿刺针头部位的漏血状态，一旦出现漏血将立即触发报警系统，提醒医护工作人员及时处理，处理完毕后按下K2键，系统消除报警并回到正常检测工作状态。
其中，本案涉及的阈值电压设置和比较均通过电路结构实现，电压比较器输出给单片机的信号为简单的高电平和低电平信号，单片机控制报警电路也是通过高电平和低电平信号进行的开、关控制，本领域技术人员在本案提供的电路结构的基础上通过对单片机进行简单设置即可实现本案的功能，不需要复杂的计算机程序，本案检测电路的核心在于电路结构，不在于计算机程序。
另外，如图5所示，光纤探测端1上套设有由无纺布或脱脂棉制成的引血帽3。由于在具体使用时，光纤探测端隐藏在创可贴纱布20的下方，探头的角度和距离难以保持一致，需要归一化测量条件才能保证检测精度。因此，优选的，在光纤探测端上套设由无纺布或脱脂棉制成的引血帽3，直接将漏血引到引血帽3上，不仅能实现探测端垂直照射探测位置的目的，还能扩大引血范围，提高检测精度。
综上所述，本发明不限于上述具体实施方式。本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案的前提下，可做若干更改或修饰，上述更改或修饰均落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于光纤传感器的穿刺针头漏血检测方法，其特征是包括如下步骤：
利用两根光导纤维构成的Y型光纤传感器，其导入光源的光纤端为光源端，其引出光源的光纤端为检测端，其两条光纤捆扎在一起的一端为光纤探测端（1）；
将光纤探测端和穿刺针头通过创可贴（2）固定在穿刺部位，光纤探测端（1）的前端部设置在创可贴的纱布（20）上；
Y型光纤传感器采用反射式探测方式，在光源端设置单色光源照射，在检测端利用光电转换元件将探测到的光信号转换成检测电信号；
将检测电信号的电压经同相电压放大后与预设的阈值电压进行比较，并将比较结果传输给单片机电路，当检测电信号的电压小于阈值电压时，由单片机控制报警电路发出报警信号。
2.如权利要求1所述的基于光纤传感器的穿刺针头漏血检测方法，其特征是单色光源为蓝光光源，光电转换元件为蓝光颜色传感器；预设的阈值电压的大小根据放大器设置的放大倍数和光电转换元件的灵敏度选取。
3.如权利要求2所述的基于光纤传感器的穿刺针头漏血检测方法，其特征是单色光源颜色的确定方法包括如下步骤：
3.1）将动物静脉全血用生理盐水配备浓度在为0%-100%范围内的多组血溶液，每组取等量血溶液滴加在厚度和面积大小相同的无纺布上制成血液实验样本，其中0%的浓度的样本只需要在无纺布上滴加等量的生理盐水；
3.2）在黑暗环境中，分别用红、绿、蓝三种颜色的光作为单色光源通过Y型光纤的导光纤维照射实验样本；
3.3）在检测端利用光电转换元件将探测到的光信号转换成检测电信号并经放大电路放大后输出信号电压；
3.4）绘制血溶液浓度与检测信号电压之间的输出特性曲线，判断信号电压的变化幅度，以变化幅度最大的单色光源作为最优光源。
4.如权利要求3所述的基于光纤传感器的穿刺针头漏血检测方法，其特征是阈值电压取值范围设定在血溶液浓度为20%-40%范围对应的输出电压值的范围。
5.如权利要求1所述的基于光纤传感器的穿刺针头漏血检测方法，其特征在光纤探测端（1）上套设由无纺布或脱脂棉制成的引血帽（3）。
6.一种实现权利要求1所述方法的穿刺针头漏血检测电路，其特征是包括两路Y型光纤传感器（SY1、SY2）、设置在Y型光纤传感器光源端的单色发光二极管（L1、L2）、设置在Y型光纤传感器检测端的颜色传感器（D1、D2）；颜色传感器（D1、D2）的输出端与一同相电压放大器（U1A、U1B）连接，同相电压放大器（U1A、U1B）与一电压比较器（U1C、U1D）连接，电压比较器（U1C、U1D）的输出端与单片机（U2）的信号输入端连接，单片机（U2）的控制输出端连接有报警电路；Y型光纤传感器（SY1、SY2）包括两根光导纤维，两根光导纤维的其中一端捆扎为一体形成光纤探测端（1），两根光导纤维的另一端分别引出光源端和检测端；光纤探测端（1）通过创可贴（2）固定在穿刺部位上方且光纤探测端（1）的前端部设置在创可贴的纱布（20）上。
7.如权利要求6所述的穿刺针头漏血检测电路，其特征是所述光纤探测端上套设有由无纺布或脱脂棉制成的引血帽（3）。
8.如权利要求6所述的穿刺针头漏血检测电路，其特征是所述电压比较器（U1C、U1D）的其中一个输入端与同相电压放大器的输出端连接，电压比较器（U1C、U1D）的另一个输入端通过滑动变阻器（W1、W2）连接基准电压源（Vref），滑动变阻器（W1、W2）构成分压电路。
9.如权利要求6所述的穿刺针头漏血检测电路，其特征是所述报警电路包括喇叭（SPK），喇叭（SPK）的电源回路上串连三极管开关（T1），三极管开关（T1）的控制端与单片机（U2）电连接；喇叭（SPK）的电源回路上还连接有功能开启按键（K1）和复位按键（K2）。
10.如权利要求6所述的穿刺针头漏血检测电路，其特征是所述单色发光二极管（L1、L2）为蓝色发光二极管，颜色传感器（D1、D2）为蓝色光敏二极管。
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