CN110613462A - 一种不受个体差异影响的组织氧饱和度检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于组织中氧含量检测技术领域，公开一种不受个体差异影响的组织氧饱和度检测方法，包括：构建人体组织在光衰减线性区内对光的吸收模型；利用所述模型对朗伯比尔定律进行修正，并求自然对数；通过所述自然对数得出光衰减线性区的斜率方程，利用任意三波长得出组织氧饱和度；本发明还公开一种不受个体差异影响的组织氧饱和度检测装置，包括：模型构建模块，用于构建人体组织在光衰减线性区内对光的吸收模型；修正模块，用于利用所述模型对朗伯比尔定律进行修正，并求自然对数；组织氧饱和度得出模块，用于通过所述自然对数得出光衰减线性区的斜率方程，利用任意三波长得出组织氧饱和度。本发明可以消除不同个体差异从而求得组织血氧饱和度。

Description

一种不受个体差异影响的组织氧饱和度检测方法及装置

技术领域

本发明属于组织中氧含量检测技术领域，尤其涉及一种不受个体差异影响的组织氧饱和度检测方法及装置。

背景技术

随着电子技术的日新月异，信息通信设备在形态和功能应用上不断演化，智能设备逐渐发展起来，其中和医疗健康相关的产品也逐渐走进人们的生活，取得越来越广泛的关注。

组织氧饱和度(丁海曙等，组织血氧参数近红外无损检测技术及自主创新之路，《激光与光电子学进展》，第44卷9期，2007.9)是反映机体组织供氧是否正常的一个重要指标，在人体血液循环中，动脉系统将携带有氧气的红细胞运输到毛细血管等氧分压低的组织，红细胞与氧气解离，使组织中的氧气含量维持在一个稳定的状态，以保证组织的新陈代谢能够正常进行。

血液中的氧饱和度已经是较为成熟的监护手段，在临床和家庭保健场合有广泛的应用。组织氧饱和度能够反映局部组织微静脉、微动脉、毛细血管中血氧饱和度的加权平均，在脑血氧、肌血氧、胎儿血氧监护等场合是一个重要的生理参数。

在临床医学中,血氧饱和度是判断人体呼吸系统是否正常以及判断人体生物组织循环系统是否处于缺氧状态的一项重要参数，在对人体潜在病情诊断、健康监护、医疗康复等过程中发挥着不可替代的作用。

大多数情况下，人体组织发生循环障碍导致人体机能缺氧，将会对人体的神经系统和运动机能带来非常严重的损害且具有不可修复性，如脑部组织缺氧等。

当存在呼吸或者循环系统方面的疾病、特别是脑梗塞这类的脑血管疾病通常会致使患者生物组织产生氧气供给障碍等，而导致较高的死亡率或致残率，因此临床更需要对患者组织血氧含量进行实时连续监测。

然而在检测组织氧饱和度的过程中，基于朗伯比尔定律(Lambert-Beer law)的算法忽略外层组织带来的影响，但实际中外层组织的忽略会带来误差，基于光子运输理论的算法要求探测器的位置应放在光密度变化的公共线性区，但对于不同波长的近红外光，光密度变化的公共线性区随着个体的差异而变化。

发明内容

本发明针对现有组织氧饱和度计算中，忽略外层组织带来的影响带来误差；且对于不同波长的近红外光，光密度变化的公共线性区随着个体的差异而变化的问题，提出一种不受个体差异影响的组织氧饱和度检测方法及装置。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种不受个体差异影响的组织氧饱和度检测方法，包括：

构建人体组织在光衰减线性区内对光的吸收模型；

利用所述模型对朗伯比尔定律进行修正，并求自然对数；

通过所述自然对数得出光衰减线性区的斜率方程，利用任意三波长得出组织氧饱和度。

进一步地，所述人体组织在光衰减线性区内对光的吸收模型为：

G(L)＝LC₀＝DPFxC₀ (4)

其中，L表示光在光衰减线性区内所走的光程，C₀表示人体组织对光的吸收系数，DPF为差分路径因子、与光源波长无关，x为光源到探测器的距离。

进一步地，所述利用所述模型对朗伯比尔定律进行修正，并求自然对数包括：

利用人体组织在光衰减线性区内对光的吸收模型对朗伯比尔定律进行修正：

其中，为光源波长为λ通过人体组织后的光强，为光源波长为λ的初始光强，分别为光源波长为λ下的还原血红蛋白、氧合血红蛋白摩尔消光系数，C_Hb、C_HbO2分别为还原血红蛋白、氧合血红蛋白的浓度；

将公式(4)带入公式(3)得：

对公式(5)求自然对数得：

进一步地，在所述通过所述自然对数得出光衰减线性区的斜率，利用任意三波长得出组织氧饱和度之前，还包括：

将不同光源波长上LED探头固定在不同受试者的任一部位，采集不同受试者随光源到探测器的距离x的变化探测到的光强，并将探测到的光强求自然对数，基于探测到的光强的自然对数值及光源到探测器的距离x得到光在人体传输时的光衰减线性区，将光衰减线性区的{光源到探测器的距离x，探测到的光强的自然对数值}各点用最小二乘法拟合，得到光衰减线性区的光衰减线性方程，从而得出不同受试者不同光源波长光衰减线性区的斜率。

进一步地，所述通过所述自然对数得出光衰减线性区的斜率，利用任意三波长得出组织氧饱和度包括：

结合公式(6)，得出光衰减线性区的斜率方程：

取任意三波长λ₁、λ₂、λ₃，根据λ₁、λ₂、λ₃光衰减线性区的斜率 及公式(7)得出C_Hb、C_HbO2及C₀；

根据C_Hb、C_HbO2得出组织氧饱和度。

一种不受个体差异影响的组织氧饱和度检测装置，包括：

模型构建模块，用于构建人体组织在光衰减线性区内对光的吸收模型；

修正模块，用于利用所述模型对朗伯比尔定律进行修正，并求自然对数；

组织氧饱和度得出模块，用于通过所述自然对数得出光衰减线性区的斜率方程，利用任意三波长得出组织氧饱和度。

进一步地，还包括：

光衰减线性区得出模块，用于将不同光源波长上LED探头固定在不同受试者的任一部位，采集不同受试者随光源到探测器的距离x的变化探测到的光强，并将探测到的光强求自然对数，基于探测到的光强的自然对数值及光源到探测器的距离x得到光在人体传输时的光衰减线性区，将光衰减线性区的{光源到探测器的距离x，探测到的光强的自然对数值}各点用最小二乘法拟合，得到光衰减线性区的光衰减线性方程，从而得出不同受试者不同光源波长光衰减线性区的斜率。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

本发明通过构建人体组织在光衰减线性区内对光的吸收模型；然后利用所述模型对朗伯比尔定律进行修正，并求自然对数；通过所述自然对数得出光衰减线性区的斜率方程，利用任意三波长得出组织氧饱和度。对于不同的受试者，只要找到光在他们组织中衰减的线性区，便可用任意三波长求出该个体的组织氧饱和度，不同受试者组织不同并不影响本发明，本发明利用光衰减线性区的斜率构建方程组来求解组织氧饱和度，在不同的个体组织中，本发明总能得出构建求解模型的斜率值，所以不受个体差异影响，传统的使用孤立探测器的方法，需要对个体差异较大的个体来定制不同的探头，本发明一个探头即可适应不同个体，也即本发明不受个体差异影响，可以消除不同个体差异从而求得组织血氧饱和度，且本发明没有忽略组织对光的影响，使得组织氧检测结果更加准确。

附图说明

图1为本发明实施例一种不受个体差异影响的组织氧饱和度检测方法的基本流程图；

图2为本发明实施例一种不受个体差异影响的组织氧饱和度检测方法的波长为660nm光源置于体表所测的光强值随x的变化曲线图；

图3为本发明实施例一种不受个体差异影响的组织氧饱和度检测方法的波长为850nm光源置于体表所测的光强值随x的变化曲线图；

图4为本发明实施例一种不受个体差异影响的组织氧饱和度检测方法的波长为940nm光源置于体表所测的光强值随x的变化曲线图；

图5为本发明实施例一种不受个体差异影响的组织氧饱和度检测方法的波长为660nm光源的线性区拟合图；

图6为本发明实施例一种不受个体差异影响的组织氧饱和度检测方法的波长为850nm光源的线性区拟合图；

图7为本发明实施例一种不受个体差异影响的组织氧饱和度检测方法的波长为940nm光源的线性区拟合图；

图8为本发明实施例一种不受个体差异影响的组织氧饱和度检测方法的对一受试者的组织氧饱和度检测结果图；

图9为本发明实施例一种不受个体差异影响的组织氧饱和度检测装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的解释说明：

如图1所示，一种不受个体差异影响的组织氧饱和度检测方法，包括：

步骤S101：构建人体组织在光衰减线性区内对光的吸收模型；

步骤S102：利用所述模型对朗伯比尔定律进行修正，并求自然对数；

步骤S103：通过所述自然对数得出光衰减线性区的斜率方程，利用任意三波长得出组织氧饱和度。

具体地，所述人体组织在光衰减线性区内对光的吸收模型为：

G(L)＝LC₀＝DPFxC₀ (4)

其中，L表示光在光衰减线性区内所走的光程，C₀表示人体组织对光的吸收系数，DPF为差分路径因子、与光源波长无关，x为光源到探测器的距离。

具体地，步骤S102包括：

朗伯比尔定律表明：

其中，ε^λ表示光源波长为λ下的摩尔消光系数，它与波长有关，C表示光所穿过的物质的浓度。

在人体组织中对光的吸收主要有，还原血红蛋白(Hb)和氧合血红蛋白(HbO₂)，此外还有组织(G)对光的吸收，当光源距离探测器越远时，光所经过的组织越多，光所经过的光程越多，组织对光的吸收越多，故G是光在人体皮肤内所走的光程的函数G(L)。

故在人体组织中，朗伯比尔定律需修正为：

其中，分别为光源波长为λ下的还原血红蛋白、氧合血红蛋白摩尔消光系数，C_Hb、C_HbO2分别为还原血红蛋白、氧合血红蛋白的浓度；

L＝DPF*x，DPF为差分路径因子，故公式(2)可修正为：

将公式(4)带入(3)得：

对(5)式取自然对数得：

具体地，在步骤S103之前，还包括：

将不同光源波长上LED探头固定在不同受试者的任一部位，采集不同受试者随光源到探测器的距离x的变化探测到的光强，并将探测到的光强求自然对数，基于探测到的光强的自然对数值及光源到探测器的距离x得到光在人体传输时的光衰减线性区，将光衰减线性区的{光源到探测器的距离x，探测到的光强的自然对数值}各点用最小二乘法拟合，得到光衰减线性区的光衰减线性方程，从而得出不同受试者不同光源波长光衰减线性区的斜率。

本实施例中，为了找到光在组织中传输时，组织均匀的范围，进行如下实验，波长分别为660,850,940nm的三波上LED探头固定在四位受试者(受试者1、受试者2、受试者3及受试者4)手臂的任一部位，用单片机将采集到的数据传到上位机，最后的数据采集图如图2-4所示。以图2为例，随着x的增加，探头探测到光强的对数值下降，存在着线性下降趋势的区间，用最小二乘法对受试者1对应的有着线性下降趋势的点进行拟合，得到图5；同理用最小二乘法对对图3、图4中受试者1对应的有着线性下降趋势的点进行拟合，得到图6、图7。图5-7表明，探测到的光强的自然对数值在下降过程中存在线性区，这样带来的好处是，对于不同的受试者，只要找到光在他们组织中衰减的线性区，便可求用三波长求出该个体的组织氧饱和度，不同受试者组织不同并不影响该算法，也即该算法可以消除不同个体差异从而求得组织血氧饱和度。得到了数据(图2-4)后，得出了光(光强的自然对数值)衰减线性区，利用线性区的斜率构建方程组来求解组织氧饱和度，在不同的个体组织中，本发明总能得出构建求解模型的斜率值，所以不受个体差异影响，传统的使用孤立探测器的方法，需要对个体差异较大的个体来定制不同的探头，本发明一个探头即可适应不同个体，也即不受个体差异影响。

具体地，步骤S103包括：

结合公式(6)，得出光衰减线性区的斜率方程：

该方程中有3个未知数(DPF后期抵消，不做考虑)，因此需要三个波长的光就可以求得氧合血红蛋白浓度C_HbO2，还原血红蛋白的浓度C_Hb以及人体组织对光的吸收系数C₀；

取任意三波长λ₁、λ₂、λ₃，DPF与波长无关，根据λ₁、λ₂、λ₃光衰减线性区的斜率及公式(7)列如下方程组:

公式(8)用矩阵做如下表示：

K＝AC

其中，

根据克拉默法则，求得：

其中，

根据C_Hb、C_HbO2得出组织氧饱和度Spo₂：

具体地，表1为采用本发明方法对同一受试者的手臂进行多次组织氧饱和度检测，对应检测结果图如图8所示，结果表明，本发明求得的组织氧饱和度精度较高，所测组织氧饱和度的结果波动不超过0.83％。

表1：对一个受试者的组织氧饱和度检测

本发明通过构建人体组织在光衰减线性区内对光的吸收模型；然后利用所述模型对朗伯比尔定律进行修正，并求自然对数；通过所述自然对数得出光衰减线性区的斜率方程，利用任意三波长得出组织氧饱和度。对于不同的受试者，只要找到光在他们组织中衰减的线性区，便可用任意三波长求出该个体的组织氧饱和度，不同受试者组织不同并不影响本发明，本发明利用光衰减线性区的斜率构建方程组来求解组织氧饱和度，在不同的个体组织中，本发明总能得出构建求解模型的斜率值，所以不受个体差异影响，传统的使用孤立探测器的方法，需要对个体差异较大的个体来定制不同的探头，本发明一个探头即可适应不同个体，也即本发明不受个体差异影响，可以消除不同个体差异从而求得组织血氧饱和度，且本发明没有忽略组织对光的影响，使得组织氧检测结果更加准确。

实施例二

如图9所示，一种不受个体差异影响的组织氧饱和度检测装置，包括：

模型构建模块201，用于构建人体组织在光衰减线性区内对光的吸收模型；

修正模块202，用于利用所述模型对朗伯比尔定律进行修正，并求自然对数；

组织氧饱和度得出模块203，用于通过所述自然对数得出光衰减线性区的斜率方程，利用任意三波长得出组织氧饱和度。

具体地，还包括：

光衰减线性区得出模块，用于将不同光源波长上LED探头固定在不同受试者的任一部位，采集不同受试者随光源到探测器的距离x的变化探测到的光强，并将探测到的光强求自然对数，基于探测到的光强的自然对数值及光源到探测器的距离x得到光在人体传输时的光衰减线性区，将光衰减线性区的{光源到探测器的距离x，探测到的光强的自然对数值}各点用最小二乘法拟合，得到光衰减线性区的光衰减线性方程，从而得出不同受试者不同光源波长光衰减线性区的斜率。

以上所示仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种不受个体差异影响的组织氧饱和度检测方法，其特征在于，包括：

构建人体组织在光衰减线性区内对光的吸收模型；

利用所述模型对朗伯比尔定律进行修正，并求自然对数；

通过所述自然对数得出光衰减线性区的斜率方程，利用任意三波长得出组织氧饱和度。

2.根据权利要求1所述的一种不受个体差异影响的组织氧饱和度检测方法，其特征在于，所述人体组织在光衰减线性区内对光的吸收模型为：

G(L)＝LC₀＝DPFxC₀ (4)

其中，L表示光在光衰减线性区内所走的光程，C₀表示人体组织对光的吸收系数，DPF为差分路径因子、与光源波长无关，x为光源到探测器的距离。

3.根据权利要求2所述的一种不受个体差异影响的组织氧饱和度检测方法，其特征在于，所述利用所述模型对朗伯比尔定律进行修正，并求自然对数包括：

利用人体组织在光衰减线性区内对光的吸收模型对朗伯比尔定律进行修正：

其中，为光源波长为λ通过人体组织后的光强，为光源波长为λ的初始光强，分别为光源波长为λ下的还原血红蛋白、氧合血红蛋白摩尔消光系数，C_Hb、C_HbO2分别为还原血红蛋白、氧合血红蛋白的浓度；

将公式(4)带入公式(3)得：

对公式(5)求自然对数得：

4.根据权利要求3所述的一种不受个体差异影响的组织氧饱和度检测方法，其特征在于，在所述通过所述自然对数得出光衰减线性区的斜率，利用任意三波长得出组织氧饱和度之前，还包括：

将不同光源波长上LED探头固定在不同受试者的任一部位，采集不同受试者随光源到探测器的距离x的变化探测到的光强，并将探测到的光强求自然对数，基于探测到的光强的自然对数值及光源到探测器的距离x得到光在人体传输时的光衰减线性区，将光衰减线性区的{光源到探测器的距离x，探测到的光强的自然对数值}各点用最小二乘法拟合，得到光衰减线性区的光衰减线性方程，从而得出不同受试者不同光源波长光衰减线性区的斜率。

5.根据权利要求4所述的一种不受个体差异影响的组织氧饱和度检测方法，其特征在于，所述通过所述自然对数得出光衰减线性区的斜率，利用任意三波长得出组织氧饱和度包括：

结合公式(6)，得出光衰减线性区的斜率方程：

取任意三波长λ₁、λ₂、λ₃，根据λ₁、λ₂、λ₃光衰减线性区的斜率 及公式(7)得出C_Hb、C_HbO2及C₀；

根据C_Hb、C_HbO2得出组织氧饱和度。

6.基于权利要求1-5任一项所述方法的一种不受个体差异影响的组织氧饱和度检测装置，其特征在于，包括：

模型构建模块，用于构建人体组织在光衰减线性区内对光的吸收模型；

修正模块，用于利用所述模型对朗伯比尔定律进行修正，并求自然对数；

组织氧饱和度得出模块，用于通过所述自然对数得出光衰减线性区的斜率方程，利用任意三波长得出组织氧饱和度。

7.根据权利要求6所述的一种不受个体差异影响的组织氧饱和度检测装置，其特征在于，还包括：

光衰减线性区得出模块，用于将不同光源波长上LED探头固定在不同受试者的任一部位，采集不同受试者随光源到探测器的距离x的变化探测到的光强，并将探测到的光强求自然对数，基于探测到的光强的自然对数值及光源到探测器的距离x得到光在人体传输时的光衰减线性区，将光衰减线性区的{光源到探测器的距离x，探测到的光强的自然对数值}各点用最小二乘法拟合，得到光衰减线性区的光衰减线性方程，从而得出不同受试者不同光源波长光衰减线性区的斜率。