CN111084616B - 一种无创颅内压监测方法及装置 - Google Patents

一种无创颅内压监测方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无创颅内压监测方法及装置，监测方法：首先采集头部脉搏波数据、温度数据和心电数据，然后利用温度数据对头部脉搏波进行修正，再利用修正的头部脉搏波数据计算局部脑氧饱和度，再利用修正后的头部脉搏波数据和心电数据计算得到脉搏波的传播时间，最后根据脉搏波传播时间和局部脑氧饱和度即可得到颅内压数值。本发明利用脉搏波传播时间来计算颅内压数值，引入了局部脑氧饱和度和温度数据进行修正，能够降低温度和局部脑氧饱和度对颅内压监测精度带来的影响，快速反映颅内压的变化。

Description

一种无创颅内压监测方法及装置
技术领域
本发明涉及颅内压监测技术领域，特别是一种无创颅内压监测方法及装置。
背景技术
颅内压(intracranial hypertension，ICP)增高是神经外科最危急的临床征象，既是许多颅内病变进展的结果，又是导致病情恶化、预后不良的最常见原因。监测颅内压ICP的数值，为诊断ICP增高所导致的脑灌注不足，阻断脑组织受压、移位、乃至脑疝提供有效依据。
目前临床均采取有创ICP监测(脑室穿刺、颅内压探头置入)作为金标准，但其缺点明显：1.有创操作，需在手术室完成；2.监测七天内即需要拔除；3. 费用昂贵，与现行卫生政策导向相背；4.增大颅内感染机会；5.在最需了解颅内压状况的救护现场、急诊室等场所无法做颅内压监测。
目前有多种方法尝试无创ICP监测，如：鼓膜移位法、视神经髓鞘直径法和近红外光谱法等。近红外光谱技术(Near-Infrared Reflectance Spectroscopy， NIRS)是一种连续实时的光学检测方法。近红外光波对人体组织(如头皮、颅骨等)有良好的穿透性而较少被散射，其在颅内的主要吸收体是氧合血红蛋白 (HbO2)和还原血红蛋白(Hb)，二者具有不同的吸收谱，因此可以用光学方法将二者加以区分。当近红外光入射进人体组织后,组织中的两种血红蛋白便会对其产生吸收作用。测量从组织中出射的光强，根据Lambert-Beer定律，便可得到局部组织血氧饱和度(Regional oxygen saturation，rSO2)。ICP与rSO2之间显著负相关，NIRS可成为替代颅内压监测的无创方法。
专利号为CN201810913909.4的发明专利公开了一种颅内压无创监测装置及方法，公开了利用近红外光谱获取脑氧饱和度，并结合平均动脉压对颅内压进行实时监测的方法。但存在以下不足：测量精度容易受到温度、脉搏等因素的影响，没有考虑对这些因素进行修正，且脑氧饱和度变化很慢，不能快速反映颅内压变化。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术存在的测量精度容易受到温度、脉搏等因素影响，以及不能快速反映颅内压变化的问题，提供一种无创颅内压监测方法，根据近红外光谱技术，利用脉搏波传播时间计算颅内压，并且考虑了局部脑氧饱和度和温度的影响，利用局部脑氧饱和度和温度数据进行修正，实现对颅内压的监测。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种无创颅内压监测方法，包括以下步骤：
S1、采集被测人的第一头部脉搏波数据、头部表皮温度数据和心电数据；
S2、利用所述温度数据对所述头部脉搏波数据进行校正处理，得到第二头部脉搏波数据；
S3、根据所述第二头部脉搏波数据，计算局部脑氧饱和度；根据所述第二头部脉搏波数据和所述心电数据，计算脉搏波传播时间；
S4、根据所述脉搏波传播时间和所述局部脑氧饱和度，计算颅内压数值；
重复步骤S1-S4，得到被测人颅内压的动态变化。
利用头部脉搏波数据和心电数据计算脉搏波的传播时间，利用脉搏波的传播时间来计算颅内压数值，考虑到了温度和局部脑氧饱和度对颅内压的影响，引入了局部脑氧饱和度，并利用温度数据进行修正，降低了局部脑氧饱和度和温度对颅内压监测精度的影响。
优选的，所述步骤S1，所述第一头部脉搏波数据采集时，利用近红外光谱技术，对被测人的头部发射两种波长的近红外光，接收经颅内折射的近红外光，并转化为电信号，得到所述第一头部脉搏波数据。
优选的，所述步骤S2，所述校正处理按照以下公式：
α＝K(T/37)
P＝αp
其中α为温度修正系数，T为探头检测到的温度数据，K＝1.49，P为第二头部脉搏波数据，p为采集到的第一头部脉搏波数据。
优选的，所述步骤S3，所述计算脉搏波传播时间包括：
S31、利用所述第二头部脉搏波数据分别计算两种波长的脉搏波幅度比，得到第三头部脉搏波数据；
其中，所述第三头部脉搏波数据为所述脉搏波幅度比较大的波长对应的所述第二头部脉搏波数据；
S32、对所述第三头部脉搏波数据进行带通滤波，得到第四头部脉搏波数据；
S33、提取所述第四头部脉搏波数据的特征点和所述心电数据的特征点，计算所述脉搏波传播时间。
优选的，所述步骤S32，所述滤波采用巴特沃斯带通滤波器进行带通滤波，滤波器通带范围为0.05Hz-8Hz。
优选的，所述步骤S33，所述计算脉搏波传播时间hPTT：
hPTT＝TH-TR
其中，TH为第四头部脉搏波数据的起始点时刻，TR为心电数据的R波峰值点时刻。
优选的，所述步骤S4，所述颅内压的计算为：
nICP＝β×ln(hPTT)+γ×rSO2
其中，nICP为颅内压，rSO2为局部脑氧饱和度，β、γ为权重系数。
本发明还提供一种无创颅内压监测装置，包括依次连接的驱动模块、探头、放大模块、AD转换器、主控模块和显示模块，还包括心电模块，所述心电模块连接所述主控模块；
所述心电模块用于采集心电数据，并将信号发送到所述主控模块；
所述驱动模块用于驱动所述探头发射近红外光；
所述探头用于采集第一头部脉搏波数据和温度数据，并转化为电信号；
所述放大模块用于放大所述探头采集的电信号，并传送到所述AD转换器；
所述AD转换器用于将所述放大模块放大后的电信号转换为数字信号，并传送到所述主控模块；
所述主控模块用于处理数据，包括：
利用所述温度数据对所述头部脉搏波数据进行修正，得到第二头部脉搏波数据；
利用所述第二头部脉搏波数据计算局部脑氧饱和度；
利用所述第二头部脉搏波数据和所述心电数据，计算脉搏波的传播时间；
利用所述传播时间和所述局部脑氧饱和度计算得到颅内压数值；
所述显示模块用于显示所述颅内压数值。
优选的，所述探头包括近红外光发射器、近红外光接收器和温度传感器；所述近红外光发射器用于发射近红外光；所述近红外光接收器用于接收经颅内折射的近红外光；所述温度传感器用于测量头皮表面温度。
优选的，所述近红外光发射器包括第一近红外光发射器和第二近红外光发射器，在所述第一近红外光发射器和所述第二近红外光发射器对称设置在探头中心线0-0.3cm处，所述近红外光接收器包括第一近红外光接收器、第二近红外光接收器、第三近红外光接收器和第四近红外光接收器，所述第一近红外光接收器和第三近红外光接收器对称设置在所述探头中心线1.2-1.8cm处，所述第三近红外光接收器和第四近红外光接收器对称设置在所述探头中心线2.2-2.8cm 处，所述温度传感器包括第一温度传感器和第二温度传感器，所述第一温度传感器位于所述第一近红外光接收器上方，所述第二温度传感器位于所述第三近红外光接收器上方。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、利用头部脉搏波数据和心电数据计算脉搏波的传播时间，利用脉搏波的传播时间来计算颅内压数值，且考虑到了温度和局部脑氧饱和度对颅内压的影响，引入了局部脑氧饱和度，并利用温度数据进行修正。
2、本发明在探头中采集了温度数据，并使用该温度数据对第一头部脉搏波数据进行了修正，提高了脉搏波数据采集的准确度，保证了后续脉搏波幅度比计算的准确性，有利于脉搏波数据特征点的提取。
3、利用脉搏波的传播时间与颅内压呈反比的关系，通过心电数据和头部脉搏波即可得到脉搏波的传播时间，测量简单，能够快速的反应颅内压的变化。
附图说明
图1是无创颅内压监测方法的流程示意图。
图2是无创颅内压监测装置的结构示意图。
图3是探头的结构示意图。
图4是无创颅内压监测装置的使用示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
参照图1，一种无创无创颅内压监测方法，包括以下步骤：
S1、采集被测人的第一头部脉搏波数据、温度数据和心电数据，
根据近红外光谱技术，以40Hz的频率，交替发射两种不同波长的近红外光，波长分别为760nm和850nm，接收四组不同头部位置的经颅内折射的近红外光，得到所述第一头部脉搏波数据p1-760、p1-850、p2-760、p2-850、p3-760、p3-850、 p4-760、p4-850，其中下标x-yyy中x对应近红外光接收组1-4号，yyy对应接收到的近红外光波长，其中所述第一头部脉搏波数据即为头部的脉搏波。
采集被测人的头皮表面温度，得到温度数据T1、T2，采集被测人的所述心电数据。
S2、利用所述温度数据对所述第一头部脉搏波数据进行校正处理，得到第二头部脉搏波数据。
使用温度数据对头部脉搏波数据进行校正，其中T1用于p1和p2，T2用于校正p3和p4。其校正采用如下公式：
α＝K(T/37)
P＝αp
其中α为温度修正系数，T为探头检测到的温度数据，K＝1.49，P为第二头部脉搏波数据，p为采集到的第一头部脉搏波数据。
S3、根据所述第二头部脉搏波数据，利用修正的Lambert-Beer定律计算局部脑氧饱和度rSO2。
局部脑氧饱和度和颅内压之间显著负相关，本实施例考虑到局部脑氧饱和度rSO2对颅内压的影响，利用修正的Lambert-Beer定律计算得到四个不同头部位置的局部脑氧饱和度。
利用所述第二头部脉搏波数据和所述心电数据计算脉搏波传播时间；
S31、利用所述第二头部脉搏波数据分别计算两种波长的脉搏波幅度比，得到第三头部脉搏波数据；
所述脉搏波幅度比PIR的计算为：
PIR＝PH÷PL
其中，PH为所述第二头部脉搏波数据的波峰值，PL为所述第二头部脉搏波数据的波谷值。
所述第三头部脉搏波数据为所述脉搏波幅度比较大的波长对应的所述第二头部脉搏波数据；
S32、对所述第三头部脉搏波数据进行带通滤波，得到第四头部脉搏波数据；
采用巴特沃斯带通滤波器进行带通滤波，滤波器通带范围为0.05Hz-8Hz。
S33、提取所述第四头部脉搏波数据的特征点和所述心电数据的特征点，计算所述脉搏波传播时间；
提取头部脉搏波数据的特征点(起始点)，提取心电数据ECG的特征点(R 波峰值点)，计算脉搏波传播时间hPTT。其计算方法为用ECG数据的R波波峰点时刻TR，减去头部脉搏波数据起始点时刻TH。因为接收了4组第一头部脉搏波数据，因此可以得到4个位置处的hPTT：
hPTT＝TH-TR
计算颅内压nICP，采用如下公式进行计算：
nICP＝β×ln(hPTT)+γ×rSO2
其中β和γ为权重系数，为实验确定的参数。
重复步骤S1-S5，实现动态监测被测人的颅内压变化。
如表1所示，采用有创颅内压测量的结果ICP作为参考值，将引入局部脑氧饱和度校正的nICP值和未引入的进行了比较，数据采集时长为10分钟，实验结果以nICP值与参考值ICP之间误差的均值与标准差来表示。实验共有15 个样本：
表1引入局部脑氧饱和度对比数据
Figure BDA0002322595990000081
Figure BDA0002322595990000091
由实验数据表明，本方法采用利用脉搏波的传播时间计算颅内压，并且考虑了局部脑氧饱和度和温度对颅内压的影响，利用局部脑氧饱和度和温度数据对颅内压数据进行修正，相对于未考虑对局部脑氧饱和度和温度影响进行修正的测量结果，提高了精确度。
参照图2，一种无创颅内压监测装置，包括依次连接的驱动模块、探头、放大模块、AD转换器、主控模块和显示模块，还包括心电模块，所述心电模块连接所述主控模块，用于采集心电数据，并将信号发送到所述主控模块；所述驱动模块用于驱动所述探头发射近红外光；所述探头用于采集第一头部脉搏波数据和温度数据，并转化为电信号；所述放大模块用于放大所述探头采集的电信号，并传送到所述AD转换器；所述AD转换器将所述放大模块放大后的电信号转换为数字信号；所述主控模块案找本实施例所述的方法处理数据得到颅内压数值；所述显示模块显示监测数据。
其中，所述主控模块利用所述温度数据对所述头部脉搏波数据进行修正，得到第二头部脉搏波数据，再对所述第二头部脉搏波数据进行处理得到局部脑氧饱和度，然后根据所述第二头部脉搏波数据和所述心电数据计算脉搏波的传播时间，最后利用所述传播时间和所述局部脑氧饱和度计算得到颅内压数值；所述显示模块用于显示监测数据，可实时观测被测人的颅内压数据。
所述探头包括近红外光发射器、近红外光接收器和温度传感器；所述近红外光发射器用于发射近红外光；所述近红外光接收器用于接收经颅内折射的近红外光；所述温度传感器用于测量头皮表面温度。
参照图3，本实施例所述近红外光发射器包括第一近红外光发射器和第二近红外光发射器，分别发射760nm和850nm的近红外光；所述近红外光接收器包括第一近红外光接收器、第二近红外光接收器、第三近红外光接收器和第四近红外光接收器；所述温度传感器包括第一温度传感器和第二温度传感器。
第一近红外光接收器和第三近红外光接收器分别以对称结构，设置在距离探头中心位置1.5厘米处，第二近红外光接收器和第四近红外光接收器以对称结构，分别设置在距离第一近红外光接收器和第三近红外光接收器的1厘米处。第一温度传感器和第二温度传感器分别紧贴置于第一近红外光接收器和第三近红外光接收器的上方。
驱动模块，用于驱动760nm和850nm近红外发射器交替发射近红外光，其交替频率为40Hz，发射时长为6ns，并将温度传感器以及接收传感器采集到的信号进行放大，用于其后的AD转换器。
参照图4，为无创颅内压监测装置的使用示意图，将无创颅内压监测装置探头放置于前额眉骨上方，采集所述第一头部脉搏波数据和温度数据；无创颅内压装置心电电极分别放置于：右锁骨中线第一肋间，左锁骨中线第一肋间，左锁骨中线平剑突处，采集所述心电数据；无创颅内压监测主机按照本实施例所述的方法对数据进行处理，并进行显示，实现对颅内压的监测。
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 (8)

1.一种无创颅内压监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采集被测人的第一头部脉搏波数据、头部表皮温度数据和心电数据；所述第一头部脉搏波数据采集时，利用近红外光谱技术，对被测人的头部发射两种波长的近红外光，接收经颅内折射的近红外光，并转化为电信号，得到所述第一头部脉搏波数据；
S2、利用所述温度数据对所述头部脉搏波数据进行校正处理，得到第二头部脉搏波数据；
S3、根据所述第二头部脉搏波数据，计算局部脑氧饱和度；根据所述第二头部脉搏波数据和所述心电数据，计算脉搏波传播时间；
S4、根据所述脉搏波传播时间和所述局部脑氧饱和度，计算颅内压数值，所述颅内压的计算公式为：
nICP＝β×ln(hPTT)+γ×rSO2
其中，nICP为颅内压，hPTT为脉搏波传播时间，rSO2为局部脑氧饱和度，β、γ为权重系数；
重复步骤S1-S4，得到被测人颅内压的动态变化。
2.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，所述步骤S2，所述校正处理按照以下公式：
α＝K(T/37)
P＝αq
其中α为温度修正系数，T为探头检测到的温度数据，K＝1.49，P为第二头部脉搏波数据，q为采集到的第一头部脉搏波数据。
3.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，所述步骤S3，所述计算脉搏波传播时间包括：
S31、利用所述第二头部脉搏波数据分别计算两种波长的脉搏波幅度比，得到第三头部脉搏波数据；
其中，所述第三头部脉搏波数据为所述脉搏波幅度比较大的波长对应的所述第二头部脉搏波数据；
S32、对所述第三头部脉搏波数据进行带通滤波，得到第四头部脉搏波数据；
S33、提取所述第四头部脉搏波数据的特征点和所述心电数据的特征点，计算所述脉搏波传播时间。
4.根据权利要求3所述的监测方法，其特征在于，所述步骤S32，所述滤波采用巴特沃斯带通滤波器进行带通滤波，滤波器通带范围为0.05Hz-8Hz。
5.根据权利要求3所述的监测方法，其特征在于，所述步骤S33，所述计算脉搏波传播时间hPTT：
hPTT＝TH-TR
其中，TH为第四头部脉搏波数据的起始点时刻，TR为心电数据的R波峰值点时刻。
6.一种无创颅内压监测装置，其特征在于，包括依次连接的驱动模块、探头、放大模块、AD转换器、主控模块和显示模块，还包括心电模块，所述心电模块连接所述主控模块；
所述心电模块用于采集心电数据，并将信号发送到所述主控模块；
所述驱动模块用于驱动所述探头发射近红外光；
所述探头用于采集第一头部脉搏波数据和温度数据，并转化为电信号；
所述放大模块用于放大所述探头采集的电信号，并传送到所述AD转换器；
所述AD转换器用于将所述放大模块放大后的电信号转换为数字信号，并传送到所述主控模块；
所述主控模块用于处理数据，包括：
利用所述温度数据对所述头部脉搏波数据进行修正，得到第二头部脉搏波数据；
利用所述第二头部脉搏波数据计算局部脑氧饱和度；
利用所述第二头部脉搏波数据和所述心电数据，计算脉搏波的传播时间；
利用所述传播时间和所述局部脑氧饱和度计算得到颅内压数值；
所述显示模块用于显示所述颅内压数值。
7.根据权利要求6所述的监测装置，其特征在于，所述探头包括近红外光发射器、近红外光接收器和温度传感器；所述近红外光发射器用于发射近红外光；所述近红外光接收器用于接收经颅内折射的近红外光；所述温度传感器用于测量头皮表面温度。
8.根据权利要求7所述的监测装置，其特征在于，所述近红外光发射器包括第一近红外光发射器和第二近红外光发射器，在所述第一近红外光发射器和所述第二近红外光发射器对称设置在探头中心线0-0.3cm处，所述近红外光接收器包括第一近红外光接收器、第二近红外光接收器、第三近红外光接收器和第四近红外光接收器，所述第一近红外光接收器和第三近红外光接收器对称设置在所述探头中心线1.2-1.8cm处，所述第三近红外光接收器和第四近红外光接收器对称设置在所述探头中心线2.2-2.8cm处，所述温度传感器包括第一温度传感器和第二温度传感器，所述第一温度传感器位于所述第一近红外光接收器上方，所述第二温度传感器位于所述第三近红外光接收器上方。
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