CN110786843A - 一种颅内压的无创光学测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种颅内压的无创光学测量方法，属于生物医学技术领域。利用近红外扩散相关谱仪，通过脑血流心跳搏动指数实现颅内压的测量，颅内压(ICP)与脑血流心跳搏动指数PI关系为：ICP＝K×PI+b，其中，K和b表示修正系数。本发明基于快速近红外扩散相关谱仪能够测量心跳导致的脑血流量(CBFI)变化，通过脑血流量变化(CBFI)可以得到脑血流心跳搏动指数(PI)，而且颅内压的改变会导致脑血流心跳搏动指数(PI)发生变化的原理，通过脑血流心跳搏动指数(PI)反演颅内压(ICP)以及颅内压的变化。
Description
技术领域
本发明属于生物医学技术领域，具体为一种颅内压的无创光学测量方法。
背景技术
颅内压的监测对于神经重症监护病人的管理非常重要。根据颅内压的高低及变化波形，对判断颅内伤情，脑水肿情况和指导脱水药物的应用，估计预后等都有重要参考价值。《中国颅脑创伤颅内压监测专家共识》强烈推荐急性重型颅脑创伤患者(GCS3-8分)行颅内压监测。目前颅内压的临床标准监测采用侵入式监测方法，但是侵入式方法存在感染、脑组织损伤、脑出血等巨大风险，当颅内压监测的预期收益小于颅内压监测带来风险时，侵入式颅内压监测则无法使用，因此颅内压监测目前只局限在神经重症病房监测特定的危重脑疾病患者。
无创颅内压监测不会给脑疾病患者带来额外的风险，使颅内压监测不再局限于神经重症监护室，普及更多的脑疾病患者。
近红外光是600nm-1000nm的光谱段，这段光谱在生物组织中有非常强的穿透性，称为生物组织的光学窗口。目前，基于这段光谱发展起来的近红外扩散相关光谱技术(Diffuse Correlation Spectroscopy,DCS)能够测量深层生物组织的血流量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种颅内压的无创光学测量方法，有安全、无创和便携的特点。本发明目的通过以下技术方案来实现：
一种颅内压的无创光学测量方法，利用脑血流心跳搏动指数实现颅内压的测量，颅内压ICP与脑血流心跳搏动指数PI关系为：
ICP＝K×PI+b (1)
上式中，K和b表示修正系数。
进一步，所述脑血流心跳搏动指数PI与脑血流量的关系为：
上式中，CBFImax为心跳周期内脑血流量最大值，CBFImin为心跳周期内脑血流量最小值，CBFImean为心跳周期内脑血流量平均值。
进一步，所述CBFImax，CBFImin，CBFImean通过近红外扩散相关谱仪测量得到，近红外扩散相关谱仪包括：
一个激光器，通过发射光纤与发射探头相连，
光电探测器，通过接收光纤连接到接收探头上，
光电探测器的输出通过电缆连接到相关器上，相关器和计算机相连，
发射探头和接收探头和人体头部相连，
激光器通过发射光纤和发射探头把激光照射在人体头部，接收探头和接收光纤接收来自人体头部的散射光，光电探测器把光信号转化为电信号，相关器计算光强和光强自相关，最后通过计算获得人体头部脑血流量。
进一步，所述相关器计算光强和光强自相关的速度大于5Hz，完成心跳导致脑血流量搏动变化的完整测量。
进一步，近红外扩散相关谱仪测量的脑血流量受到噪声干扰，傅里叶变换能够有效消除噪声，采用傅里叶变换获得脑血流心跳搏动指数PI：
上式中，CBFI为随时间变化的脑血流量，CBFImean为对应时间段的脑血流量平均值，Fourier(...)|Caridacrate表示计算在心跳频率处的傅里叶变换。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明基于快速近红外扩散相关谱仪能够测量心跳导致的脑血流量(CBFI)变化，通过脑血流量变化(CBFI)可以得到脑血流心跳搏动指数(PI)，而且颅内压的改变会导致脑血流心跳搏动指数(PI)发生变化的原理，通过脑血流心跳搏动指数(PI)反演颅内压(ICP)以及颅内压的变化，得出颅内压和脑血流心跳搏动指数(PI)的关系。其中脑血流心跳搏动指数的计算方法为脑血流量最大值与脑血流量最小值的差值与脑血流量平均值的比值，或者脑血流量在心跳频率的傅里叶变换幅值与脑血流量平均值的比值。
附图说明
图1为近红外扩散相关谱仪的结构示意图；
图2为利用近红外扩散相关谱仪测量的心跳导致血流量搏动变化图；
图3为血流量随探头压力变化趋势；
图4为血流量心跳搏动指数随探头压力变化趋势；
附图标记：1-激光器，2-发射光纤，3-发射探头，4-接收探头，5-接收光纤，6-光电探测器，7，9-电缆，8-相关器，10-计算机，11-人体头部。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明颅内压的无创光学测量装置是基于近红外扩散相关谱技术，提出的一种近红外扩散相关谱仪，结构如图1所示，包括：
一个激光器1，通过发射光纤2与发射探头3相连，
光电探测器6，通过接收光纤5连接到接收探头4上，
光电探测器6的输出通过电缆7连接到相关器8上，相关器8和计算机10相连，发射探头3和接收探头4和人体头部11相连，
激光器1通过发射光纤2和发射探头3把激光照射在人体头部11，接收探头4和接收光纤5接收来自人体头部11的散射光，光电探测器6把光信号转化为电信号，相关器8计算光强和光强自相关，最后通过计算获得人体头部11脑血流量。
本发明近红外扩散相关谱仪对人体头部脑血流量的测量参考申请号为201510882084.0已公开专利，通过已公开专利本领域技术人员利用近红外扩散相关谱仪能实现人体头部脑血流量的测量。
在本分发明近红外扩散相关谱仪中，激光器1采用长相干激光器，相干长度大于5m为宜，波长在600nm和1000nm之间，功率大于50mW为宜；由于多模光纤和激光器的耦合比单模光纤更为容易，因此发射光纤2多采用多模光纤；发射探头3可以是多模光纤本身或者采用自聚焦透镜等；接收探头4采用单模光纤或者自聚焦透镜；这里需要指出，接收光纤5不能采用多模光纤，只能采用单模光纤或者少数模光纤；由于近红外扩散相关谱仪进行生物组织实验的探测光强极其微弱，因此光电探测器6是单光子探测器，能够把光子信号转换为电脉冲信号；由于心跳的频率大约在1-1.2Hz，5Hz能够保证获得心跳导致完整脑血流量搏动变化，因此相关器8获得光强和光强自相关的频率大于5Hz为宜。
利用近红外扩散相关谱仪测量的血流量搏动变化如图2所示，颅内压的改变会导致脑血流量搏动幅度的变化，脑血流心跳搏动指数(pulsatility index，PI)通过等式(2)计算得到：
其中CBFImax为心跳周期内近红外扩散相关谱仪测量的脑血流量最大值，CBFImin为心跳周期内近红外扩散相关谱仪测量的脑血流量最小值，CBFImean为心跳周期内近红外扩散相关谱仪测量的脑血流量平均值。
由于近红外扩散相关谱仪测量的血流量受到噪声等干扰，傅里叶变换能够有效消除噪声，因此可以采用傅里叶变换的方法获得血流量变化幅度，具体计算公式如下，
其中CBFI为随时间变化的脑血流量，CBFImean为对应时间段的脑血流量均值，Fourier(...)|Caridacrate表示计算在心跳频率处的傅里叶变换，从而获得脑血流心跳搏动指数。
颅内压(Intracranial pressure，ICP)与脑血流心跳搏动指数的关系用等式(1)表示：
ICP＝K×PI+b (1)
其中K和b表示修正系数。
实施例1
发明人通过改变前臂组织血管内压力的方式验证了利用脑血流心跳搏动指数测量颅内压的可行性：
将近红外扩散相关谱仪的发射探头和接收探头连接到人体的前臂组织上，通过改变探头压力，前臂组织受到加压，从而压迫前臂动脉，如图3表示血流量随探头压力变化趋势，从图3可以看出，随着探头压力增加，血流量搏动增加。
为了得到探头压力和血流量心跳搏动指数之间的关系，先利用近红外扩散相关谱仪测量并计算得到血流量，然后根据公式得到每个压力下对应的血流量心跳搏动指数，进而得到压力与血流量心跳搏动指数的关系图，即图4，图4表示血流量心跳搏动指数随探头压力变化趋势，从图4可以看出，随着探头压力增加，血流量心跳搏动指数显著增加。从图4可以看出，探头压力与血流量心跳搏动指数呈线性关系，可以用公式ICP＝K×PI+b表示，并根据图4得到k＝3.2±0.6×10-4/mmHg，b＝0.013±0.01。
和前臂动脉受到前臂组织挤压具有类似性，当颅内压升高时意味着脑组织挤压脑血管动脉，因此颅内压升高同样会造成近红外扩散相关谱仪测量的脑血流心跳搏动指数增加，颅内压ICP与脑血流量指数PI存在相应的关系：ICP＝K×PI+b，K和b表示修正系数，进一步，k＝3.2±0.6×10-4/mmHg，b＝0.013±0.01。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种颅内压的无创光学测量方法，其特征在于，利用脑血流心跳搏动指数实现颅内压的测量，颅内压ICP与脑血流心跳搏动指数PI关系为：
ICP＝K×PI+b (1)
上式中，K和b表示修正系数。
2.如权利要求1所述一种颅内压的无创光学测量方法，其特征在于，所述脑血流心跳搏动指数PI与脑血流量的关系为：
上式中，CBFImax为心跳周期内脑血流量最大值，CBFImin为心跳周期内脑血流量最小值，CBFImean为心跳周期内脑血流量平均值。
3.如权利要求1所述一种颅内压的无创光学测量方法，其特征在于，所述CBFImax，CBFImin，CBFImean通过近红外扩散相关谱仪测量得到，近红外扩散相关谱仪包括：
一个激光器，通过发射光纤与发射探头相连，
光电探测器，通过接收光纤连接到接收探头上，
光电探测器的输出通过电缆连接到相关器上，相关器和计算机相连，
发射探头和接收探头和人体头部相连，
激光器通过发射光纤和发射探头把激光照射在人体头部，接收探头和接收光纤接收来自人体头部的散射光，光电探测器把光信号转化为电信号，相关器计算光强和光强自相关，最后通过计算获得人体头部脑血流量。
4.如权利要求3所述一种颅内压的无创光学测量方法，其特征在于，所述相关器计算光强和光强自相关的速度大于5Hz，完成心跳导致脑血流量搏动变化的完整测量。
5.如权利要求3所述一种颅内压的无创光学测量方法，其特征在于，近红外扩散相关谱仪测量的脑血流量受到噪声干扰，傅里叶变换能够有效消除噪声，采用傅里叶变换获得脑血流心跳搏动指数PI：
上式中，CBFI为随时间变化的脑血流量，CBFImean为对应时间段的脑血流量平均值，Fourier(...)|Caridacrate表示计算在心跳频率处的傅里叶变换。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20200214 |