CN110537926B - 用于检测血红蛋白浓度和血氧饱和度的针头、装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于检测血红蛋白浓度和血氧饱和度的针头、光波导穿刺装置和方法。该针头具体为带尾纤的穿刺针头，在穿刺针头内部封装有微型凹面镜和光波导组件，微型凹面镜的凹面与光波导组件相对，在微型凹面镜和光波导组件之间形成有一空腔，空腔上部设置有用于血液进入的开口；该穿刺装置包括穿刺模块、信号处理模块和显示模块；穿刺模块包括上述针头、固定连接器和与固定连接器固定连接的助推手柄；针头依次穿透固定连接器和助推手柄，并与固定连接器固定连接。该方法利用上述穿刺装置出射的光信号以及吸光系数等信息计算血红蛋白浓度和血氧饱和度。本发明可实时动态连续的测量患者的血红蛋白浓度和血氧饱和度，并提高了测量结果的准确度。

Description

用于检测血红蛋白浓度和血氧饱和度的针头、装置和方法

技术领域

本发明涉及医学光学监测技术领域，尤其涉及一种用于检测血红蛋白浓度和血氧饱和度的针头、光波导穿刺装置和方法。

背景技术

目前，在临床上监测患者的血氧饱和度分为有创检测和无创监测两种：有创检测是抽取患者的动脉血，用过血气分析法进行检测，该方法虽然测量的精确度较高，但无法做到实时监测；无创监测较为成熟的是指夹式，该方法可实现连续监测，但监测的血氧饱和度为全身动脉血氧饱和度，无法检测静脉血氧饱和度以及局部血氧饱和度。临床上测定血红蛋白浓度是比较常见的血液检测项目，通常是需抽取患者静脉血，通过血细胞分析仪(马建忠.血细胞分析仪五分类检测技术及原理[J].临床医学工程.2007(8).)进行检测，该方法无法实时监测，测定不实时连续，且反复的抽血会对患者造成一定的心理负担和身体痛苦。

因此，在手术期间，医生能够动态实时的监测患者的血氧饱和度和血红蛋白浓度并使其维持在较为正常的数值范围内，结合其他辅助监测指标，对患者实施正确合理的治疗，减少术后并发症是十分重要的。

传统有创侧血氧的设备主要采用氰化高铁血红蛋白(HICN)分光光度法与十二烷基月桂酰硫酸钠(SLS)血红蛋白测定法，不仅需要离体检测，还需要各种化学试剂进行预处理，较为繁琐。无创监测血氧主要是通过光电脉搏容积描记法(张浩.基于光电容积脉搏波的血氧饱和度算法研究[D].南京邮电大学.2018)，基于人体血液随脉搏波动导致对光的吸收变化实现相关计算的，无法实现静脉血氧参数的测量。

发明内容

针对现有技术中存在的无法动态实时监测患者的静、动脉血氧饱和度和血红蛋白浓度，本发明提出一种用于检测血红蛋白浓度和血氧饱和度的针头、光波导穿刺装置和方法，能够实时连续监测人体多部位静、动脉血氧饱和度以及血红蛋白浓度。

第一方面，本发明提供一种用于检测血红蛋白浓度和血氧饱和度的针头，所述针头为带尾纤的穿刺针头，在所述穿刺针头内部封装有微型凹面镜和光波导组件，所述微型凹面镜的凹面与所述光波导组件相对，在所述微型凹面镜和所述光波导组件之间形成有一空腔，所述空腔上部设置有用于血液进入的开口；所述光波导组件包括接收光波导和围绕所述接收光波导周围的发光光波导。

进一步地，所述光波导组件包括1根接收光波导和6根发光光波导，每根所述发光光波导均与所述接收光波导相切。

进一步地，所述接收光波导的收光端位于所述微型凹面镜的焦点处。

进一步地，所述微型凹面镜的凹面设置有银镀层。

进一步地，所述尾纤上包覆有光波导保护套。

第二方面，本发明提供一种用于检测血红蛋白浓度和血氧饱和度的光波导穿刺装置，该穿刺装置包括：穿刺模块、信号处理模块和显示模块；所述穿刺模块包括上述的针头、固定连接器和与所述固定连接器固定连接的助推手柄；所述针头依次穿透所述固定连接器和所述助推手柄，并与所述固定连接器固定连接；通过所述穿刺模块中的接收光波导向所述信号处理模块发送光束，所述信号处理模块将接收到的光束转换为电信号，并根据所述电信号计算血红蛋白浓度和血氧饱和度；所述显示模块显示所述血红蛋白浓度和血氧饱和度。

进一步地，所述信号处理模块包括：用于发射三种波长的单色光的LED光源、双凸球面透镜、第一耦合器、第二耦合器、光电探测器和单片机。

第三方面，本发明提供一种用于检测血红蛋白浓度和血氧饱和度的方法，该方法包括：

步骤1：将三种波长的单色光依次作为入射光耦合至发光光波导，从所述发光光波导发出的每种单色光均穿透血液经微型凹面镜反射形成反射光，所述反射光再次穿透血液汇聚于接收光波导；

步骤2：接收光波导依次接收不同波长的反射光，将不同波长的反射光依次传送至信号处理模块；

步骤3：信号处理模块根据每种入射光的波长、每种波长的入射光的光强、每种波长的出射光的光强、不同波长入射光下脱氧血红蛋白的吸光系数和不同波长入射光下氧合血红蛋白的吸光系数，计算血红蛋白浓度和血氧饱和度。

进一步地，所述三种波长具体为：λ₁＝660nm，λ₂＝730nm，λ₃＝850nm。

进一步地，所述步骤3具体为：

步骤3.1：设定不同波长的入射光照射血液时，出射光的光强分别满足：

步骤3.2：按照式(11)和式(12)计算氧合血红蛋白浓度

和脱氧血红蛋白浓度C_Hb：

步骤3.3：按照式(13)和式(14)计算血红蛋白的浓度C_H和血氧饱和度

其中，λ₁、λ₂、λ₃分别表示三种入射光的波长，L₁≈L₂≈L₃＝L，L为光程，I_i表示三种入射光的光强，

分别表示波长为λ₁、λ₂、λ₃的出射光的光强，

分别表示波长为λ₁、λ₂、λ₃时的脱氧血红蛋白的吸光系数，

分别表示波长为λ₁、λ₂、λ₃时的氧合血红蛋白的吸光系数。

本发明的有益效果：

1.本发明提供的针头通过将微型凹面镜、发光光波导与接收光波导封装针头内部，利用发光光波导发出入射光，入射光穿过血液，再被微型凹面镜反射，反射光穿过血液，汇入接收光波导，从而利用血液中氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白对光的吸收性质来检测血液参数，同时又优化了算法，不仅实现了对血氧饱和度和血红蛋白浓度的检测，更重要的突破是实现了对人体氧合血红蛋白浓度和脱氧血红蛋白浓度两项重要血氧参数的测量，这使得医生对病患的状态做出更加及时准确的判断。

2.通过采取穿刺的方式，将收光的接收光波导封装于穿刺针头中置于人体血管内部，反射光经接收光波导传送至信号处理模块，利用信号处理模块对出射光强进行直接的探测，在反射光到达信号处理模块的过程中，由于是在光波导中传输，因此可避免人体组织、脂肪等对光吸收的影响；另外，6根发光光波导围绕接收光波导放置，并均与接收光波导相切，6根发光光波导互相外切，这一结构增强了入射光强，从而增大出射光强，消除了背景干扰因素的影响，测量结果更加准确。

3.采用穿刺的监测方式，配合不同规格的穿刺针头，可根据需求进行人体局部血氧蛋白浓度以及血氧饱和度的监测，因此本发明的应用场景比较广泛，可用于多部位监测。

4.因为本发明的监测过程是需要将针头刺入患者体内，如此患者的血液通过开口处动态的进入空心针腔，因此本发明可对患者的血红蛋白浓度以及血氧饱和度可进行连续实时监测，对于医生及时了解患者情况具有十分重要的参考意义。

附图说明

图1为本发明实施例提供的用于检测血红蛋白浓度的血氧饱和度的针头的结构示意图之一；

图2为本发明实施例提供的用于检测血红蛋白浓度的血氧饱和度的针头的结构示意图之二；

图3为图2中A处的放大图；

图4为本发明实施例提供的用于检测血红蛋白浓度的血氧饱和度的光波导穿刺装置的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的光在光波导组件和微型凹面镜之间的光路原理图；

图6为本发明实施例提供的用于检测血红蛋白浓度的血氧饱和度的方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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，本发明实施例提供一种用于检测血红蛋白浓度和血氧饱和度的针头，所述针头为带尾纤的穿刺针头1，在所述穿刺针头1内部封装有微型凹面镜2和光波导组件，所述微型凹面镜2的凹面与所述光波导组件相对，在所述微型凹面镜2和所述光波导组件之间形成有一空腔，所述空腔上部设置有用于血液进入的开口；所述光波导组件包括接收光波导4和围绕所述接收光波导周围的发光光波导3。所述发光光波导3用于引导入射光，所述接收光波导4用于引导反射光。

具体地，微型凹面镜2与穿刺针头1的侧壁固定，其固定连接处与穿刺针头1的针尖距离为l₁，穿刺针头1与微型凹面镜2之间为实心；所述光波导组件包括1根接收光波导4和6根发光光波导3，6根发光光波导3与1根接收光波导4平齐放置，每根所述发光光波导3均与所述接收光波导4相切。所述接收光波导4的收光端位于所述微型凹面镜2的焦点F处。接收光波导4的收光端与微型凹面镜2的顶点处的距离为l₂(即l₂＝f，f为焦距)，距离穿刺针头1的针尖l₃处为光波导组件的封装固定端面，该封装固定端面至穿刺针头1的尾端均为实心，该封装固定端面与微型凹面镜2之间为空心结构，形成空心针腔(即空腔)，然后在该空腔上部开设有一开口(例如，沿穿刺针头1的1/3直径处的垂直面去掉部分针头侧壁)，该开口的长度可设置为4mm，以便血管中的血液进入该空心针腔，便于后续的血红蛋白浓度和血氧饱和度的检测。可选的，在穿刺针头1的前端3mm做斜切面处理，以便于穿刺，该斜切面应与上述开口同侧。所述微型凹面镜2的凹面设置有银镀层。该银镀层附着于凹面可避免微型凹面镜2对入射光的吸收，增强入射光的反射。

此外，为了对穿刺针头1的尾纤进行保护，穿刺针头1尾端的尾纤上包覆有光波导保护套7(图1中未显示，可参考图2)。

如图1至图3所示，作为一种可实施方式，穿刺针头1长度(不包含尾纤)l＝3cm，内径r＝0.6mm，外径D＝0.9mm；微型凹面镜2口径为d＝0.6mm，焦距f＝4.01mm，曲率半径R＝8.02mm，弓高h＝0.01mm；发光光波导3与接收光波导4的包层直径为D₁＝125μm，纤芯直径为d₁＝62.5μm，l₁＝6mm，l₃＝10mm。其中，穿刺针头1嵌入固定连接器5的长度为5mm。

如图4所示，本发明还提供一种用于检测血红蛋白浓度和血氧饱和度的光波导穿刺装置，包括：穿刺模块、信号处理模块和显示模块；所述穿刺模块包括上述实施例所述的针头、固定连接器5和与所述固定连接器5固定连接的助推手柄6；所述针头依次穿透所述固定连接器5和所述助推手柄6，并与所述固定连接器5固定连接；通过所述穿刺模块中的接收光波导4向所述信号处理模块发送光束，所述信号处理模块将接收到的光束转换为电信号，并根据所述电信号计算血红蛋白浓度和血氧饱和度；所述显示模块显示所述血红蛋白浓度和血氧饱和度。

具体地，所述信号处理模块包括：用于发射三种波长的单色光的LED光源、双凸球面透镜、第一耦合器、第二耦合器、光电探测器和单片机。

作为一种可实施方式，可采用内部设置有三种波长的单色光的LED光源和双凸球面透镜的尾纤激光器；第一耦合器采用3×1耦合器，第二耦合器采用1×2耦合器，光电探测器则采用2个XPDV2150R型号的光电探测器，单片机采用C8051f120型号单片机。经上述两种耦合器耦合后的光束被分为两部分，分别耦合至两个光电探测器上，两个光电探测器均与单片机连接，单片机接收两个光电探测器输出的电信号，根据该电信号进行数据处理。

如图4和图5所示，信号处理模块将所需的三种波长的单色光依次作为入射光耦合入6根发光光波导3，6根发光光波导3发出的光形成一束平行光，经过血液后到达微型凹面镜2，被微型凹面镜2反射形成反射光，该反射光经过血液汇聚于微型凹面镜2的焦点F处(即接收光波导4的收光端)，接收光波导4将接收到的光送到信号处理模块进行处理，信号处理模块进行数据处理后，将得到的氧合血红蛋白浓度

脱氧血红蛋白浓度C_Hb、血红蛋白浓度C_H以及血氧饱和度

均显示在显示模块(例如，TFT177显示屏)上。

在使用时，将穿刺针头1的尾纤通过FC/APC端口连接对应的同轴连接器端口，同轴连接器与信号处理模块相连。手持助推手柄3将穿刺针头1插入患者待测部位。打开信号处理模块开关，开始进行血红蛋白浓度和血氧饱和度的实时、连续探测。探测完成后，将穿刺针头1拔出，完成血红蛋白浓度和血氧饱和度的探测。

如图6所示，本发明实施例还提供一种用于检测血红蛋白浓度和血氧饱和度的方法，包括以下步骤：

S601：将三种波长的单色光依次作为入射光耦合至发光光波导，从所述发光光波导发出的每种单色光均穿透血液经微型凹面镜反射形成反射光，所述反射光再次穿透血液汇聚于接收光波导；

具体地，根据血液中各物质的吸光系数与光波长的关系曲线发现，在波长为660nm、730nm、850nm时，背景干扰小，氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白为主要吸光物质，吸光系数较大，其他物质吸光系数较小，对光的吸收很少，可以忽略。因此，在本发明实施例中选取波长分别为λ₁＝660nm，λ₂＝730nm，λ₃＝850nm入射光强均为I_i的三个波长的单色光做为入射光，依次照射空心针腔中的人体血液。其中，6根发光光波导3同时发出相同波长的单色光，经微型凹面镜2反射后再次穿过血液，汇聚在微型凹面镜2的焦点F处进入接收光波导4。

S602：接收光波导依次接收不同波长的反射光，将不同波长的反射光依次传送至信号处理模块；

S603：信号处理模块根据每种入射光的波长、每种波长的入射光的光强、每种波长的出射光的光强、不同波长入射光下脱氧血红蛋白的吸光系数和不同波长入射光下氧合血红蛋白的吸光系数，计算血红蛋白浓度和血氧饱和度。

具体地，由于人体血液中的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白对红光和近红外光的吸收情况不同，根据Lambert-Beer定律，当用一波长为λ，光强为I_i的单色光(红光或近红外光)垂直照射人体血液时满足式(1):

然后，对式(1)取对数可得：

其中，I_i是入射光的光强(简称入射光强)，I_o为出射光的光强(简称出射光强)，ε_Hb为脱氧血红蛋白的吸光系数，

为氧合血红蛋白的吸光系数，C_Hb为血液中脱氧血红蛋白的浓度，

为血液中氧合血红蛋白的浓度，L为光程。

因此，在本发明实施例中，步骤S603具体包括：

S6031：设定不同波长的入射光照射血液时，出射光的光强分别满足：

其中，

为波长λ₁＝660nm的入射光照射血液时检测到的出射光强，

为波长λ₂＝730nm的入射光照射血液时检测到的出射光强，

为波长λ₃＝850nm的入射光照射血液时检测到的出射光强。

和

分别是波长λ₁＝660nm的入射光照射血液时脱氧血红蛋白的吸光系数和氧合血红蛋白的吸光系数，

和

分别是波长λ₂＝730nm的入射光照射血液时脱氧血红蛋白的吸光系数和氧合血红蛋白的吸光系数，

和

分别是波长λ₃＝850nm的入射光照射血液时脱氧血红蛋白的吸光系数和氧合血红蛋白的吸光系数。

然后，对式(3)、式(4)和式(5)分别取对数可得：

不同波长的入射光经过血液后到达微型凹面镜2被其反射，再经过血液汇聚在微型凹面镜2的焦点进入接收光波导4，在此过程中每个波长的入射光所走的光程均一定，由于6根发光光波导3与接收光波导4紧密接触，6根发光光波导3和接收光波导4与微型凹面镜2的距离很短，认为L₁≈L₂≈L₃＝L。然后，根据式(6)和式(7)得：

根据式(7)和式(8)得：

然后，联立式(9)和式(10)，可得式(11)和式(12)。

S6032：按照式(11)和式(12)计算氧合血红蛋白浓度

和脱氧血红蛋白浓度C_Hb：

血红蛋白中的主要成分是氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白，血氧饱和度是指与氧结合的血红蛋白达到饱和程度的百分比值。

S6033：按照式(13)和式(14)计算血红蛋白的浓度C_H和血氧饱和度

其中，λ₁、λ₂、λ₃分别表示三种入射光的波长，I_i表示三种入射光的光强，

分别表示波长为λ₁、λ₂、λ₃的出射光的光强，

分别表示波长为λ₁、λ₂、λ₃时的脱氧血红蛋白的吸光系数，

分别表示波长为λ₁、λ₂、λ₃时的氧合血红蛋白的吸光系数。

最后应说明的是：以上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精神和范围。

Claims (8)

1.用于检测血红蛋白浓度和血氧饱和度的光波导穿刺装置，其特征在于，包括：穿刺模块、信号处理模块和显示模块；所述穿刺模块包括针头、固定连接器和与所述固定连接器固定连接的助推手柄；所述针头依次穿透所述固定连接器和所述助推手柄，并与所述固定连接器固定连接；

所述针头为带尾纤的穿刺针头，在所述穿刺针头内部封装有微型凹面镜和光波导组件，所述微型凹面镜的凹面与所述光波导组件相对，在所述微型凹面镜和所述光波导组件之间形成有一空腔，所述空腔上部设置有用于血液进入的开口；所述光波导组件包括接收光波导和围绕所述接收光波导周围的发光光波导；

通过所述穿刺模块中的接收光波导向所述信号处理模块发送光束，所述信号处理模块将接收到的光束转换为电信号，并根据所述电信号计算血红蛋白浓度和血氧饱和度；所述显示模块显示所述血红蛋白浓度和血氧饱和度；

其中，将三种波长的单色光依次作为入射光耦合至发光光波导，从所述发光光波导发出的每种单色光均穿透血液经微型凹面镜反射形成反射光，所述反射光再次穿透血液汇聚于接收光波导；接收光波导依次接收不同波长的反射光，将不同波长的反射光依次传送至信号处理模块；信号处理模块根据每种入射光的波长、每种波长的入射光的光强、每种波长的出射光的光强、不同波长入射光下脱氧血红蛋白的吸光系数和不同波长入射光下氧合血红蛋白的吸光系数，计算血红蛋白浓度和血氧饱和度；所述计算血红蛋白浓度和血氧饱和度的步骤具体为：

设定不同波长的入射光照射血液时，出射光的光强分别满足：

按照式(11)和式(12)计算氧合血红蛋白浓度

和脱氧血红蛋白浓度C_Hb：

按照式(13)和式(14)计算血红蛋白的浓度C_H和血氧饱和度

其中，λ₁、λ₂、λ₃分别表示三种入射光的波长，L₁≈L₂≈L₃＝L，L为光程，I_i表示三种入射光的光强，

分别表示波长为λ₁、λ₂、λ₃的出射光的光强，

分别表示波长为λ₁、λ₂、λ₃时的脱氧血红蛋白的吸光系数，

分别表示波长为λ₁、λ₂、λ₃时的氧合血红蛋白的吸光系数。

2.根据权利要求1所述的光波导穿刺装置，其特征在于，所述光波导组件包括1根接收光波导和6根发光光波导，每根所述发光光波导均与所述接收光波导相切。

3.根据权利要求1所述的光波导穿刺装置，其特征在于，所述接收光波导的收光端位于所述微型凹面镜的焦点处。

4.根据权利要求1所述的光波导穿刺装置，其特征在于，所述微型凹面镜的凹面设置有银镀层。

5.根据权利要求1所述的光波导穿刺装置，其特征在于，所述尾纤上包覆有光波导保护套。

6.根据权利要求1所述的光波导穿刺装置，其特征在于，所述信号处理模块包括：用于发射三种波长的单色光的LED光源、双凸球面透镜、第一耦合器、第二耦合器、光电探测器和单片机。

7.用于检测血红蛋白浓度和血氧饱和度的方法，其特征在于，包括：

步骤1：将三种波长的单色光依次作为入射光耦合至发光光波导，从所述发光光波导发出的每种单色光均穿透血液经微型凹面镜反射形成反射光，所述反射光再次穿透血液汇聚于接收光波导；

步骤2：接收光波导依次接收不同波长的反射光，将不同波长的反射光依次传送至信号处理模块；

步骤3：信号处理模块根据每种入射光的波长、每种波长的入射光的光强、每种波长的出射光的光强、不同波长入射光下脱氧血红蛋白的吸光系数和不同波长入射光下氧合血红蛋白的吸光系数，计算血红蛋白浓度和血氧饱和度；所述步骤具体为：

步骤3.1：设定不同波长的入射光照射血液时，出射光的光强分别满足：

步骤3.2：按照式(11)和式(12)计算氧合血红蛋白浓度

和脱氧血红蛋白浓度C_Hb：

步骤3.3：按照式(13)和式(14)计算血红蛋白的浓度C_H和血氧饱和度

其中，λ₁、λ₂、λ₃分别表示三种入射光的波长，L₁≈L₂≈L₃＝L，L为光程，I_i表示三种入射光的光强，

分别表示波长为λ₁、λ₂、λ₃的出射光的光强，

分别表示波长为λ₁、λ₂、λ₃时的脱氧血红蛋白的吸光系数，

分别表示波长为λ₁、λ₂、λ₃时的氧合血红蛋白的吸光系数。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述三种波长具体为：λ₁＝660nm，λ₂＝730nm，λ₃＝850nm。

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