CN111466922B - 一种基于近红外血氧检测的自适应血氧信号采集探头、装置及方法 - Google Patents

一种基于近红外血氧检测的自适应血氧信号采集探头、装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于近红外血氧检测的自适应血氧信号采集探头、装置及方法，探头包括柔性衬板和固定于柔性衬板上的光源、光电传感器，柔性衬板上设有若干个光电传感器，若干个光电传感器与光源呈直线排布，且光电传感器位于光源的同一侧；采集装置中还设有与探头相连接的信号分析与控制器及显示屏；信号分析与控制器接收经各个光电传感器采集的出射光信号，并对各路出射光信号进行信号分析与计算，确定其中两路出射光信号作为计算血氧数据的有效数据通道，并通过显示屏显示计算数值及曲线。本发明通过不同的检测距离分布，实现多人群多组织覆盖，适合对不同人群检测部位的检测，实现了探头通用和近红外血氧检测过程中检测探头的匹配问题。

Description

一种基于近红外血氧检测的自适应血氧信号采集探头、装置 及方法
技术领域
本发明涉及血氧检测技术领域，具体涉及一种基于近红外血氧检测的自适应血氧信号采集探头、装置及方法。
背景技术
近红外光谱(NearInfared Spectroscopy，NIRS)是生物医学光学的一个重要分支，该技术基于人体组织在近红外波段(700～900nm)的光学特性，可实时、无损、联系检测人体组织的血氧参量，其中主要的一个检测指标是血氧饱和度。
基于近红外光谱技术的血氧检测装置主要通过光学传感器贴附在被检测部位，通过光学传感器检测经组织散射出来的光信号进行计算。在检测过程中，由于信号需要穿过被检测部位深层组织，探头信号受检测部位的干扰因素比较多，比如皮肤色素、骨骼密度、脂肪组织厚度等相关因素影响。因此，在实际使用过程中，针对不同年龄段，不同体重、性别、检测部位的不同(比如前额、四肢肌肉组织等)，采用不同型号的探头来进行血氧检测。目前的近红外血氧饱和度检测设备同时配备了多种型号的探头，用来匹配不同的人群，如大人、小孩、体重在60KG以下、60KG以上等。总体来说，检测部位的组织结构情况影响了最终的检测结果。
发明内容
本发明目的是解决现有近红外血氧检测过程中检测探头匹配问题，避免针对不同人群更换不同型号检测探头的问题，达到探头通用目的；为此，本发明提供了一种基于近红外血氧检测的自适应血氧信号采集探头、装置及方法。
本发明采用如下技术方案：
本发明提供了一种基于近红外血氧检测的自适应血氧信号采集探头，包括柔性衬板和固定于所述柔性衬板上的光源、光电传感器，所述柔性衬板上设有若干个(n≥3)所述光电传感器，若干个所述光电传感器与所述光源呈直线排布，且所述光电传感器位于所述光源的同一侧。
优选地，若干个所述光电传感器中的相邻两所述光电传感器之间具有相同的间距。
进一步优选地，所述光源与其距离最近的所述光电传感器之间的距离为1cm，所述光源与其距离最远的所述光电传感器之间的距离为5cm。
所述柔性衬板上设有3～5个光电传感器。
另一方面，本发明还提供了一种基于近红外血氧检测的自适应血氧信号采集装置，所述采集装置包括的探头、与所述探头相连接的信号分析与控制器及显示屏；所述信号分析与控制器接收经各个所述光电传感器采集的出射光信号，并对各路出射光信号进行信号分析与计算，确定其中两路出射光信号作为计算血氧数据的有效数据通道；所述显示屏与所述信号分析与控制器连接，用于显示所检测部位的血氧饱和度数值和/或趋势曲线。
所述信号分析与控制器包括：
出入射光信号计算模块，在不同波长光波下，用于对光源与各路光电传感器之间所形成的多路光路通道进行出入射光信号强度计算；
均方差计算模块，用于分别对各路通道的出入射光信号强度计算值与所设定的多个校准值进行均方差计算，得到多组各路通道与多个校准值间的均方差计算值；
比对模块，用于从多组均方差计算值中选取在同一组中存在最小的两个不相等的均方差计算值，得到检测部位组织及两路光电传感器与光源之间所形成的最优血氧检测组合。
本发明还提供了一种基于近红外血氧检测的自适应血氧信号采集方法，将探头贴附在待检测部位，并点亮光源；各个光电传感器分别接收由待检测部位的出射光信号，并传输给信号分析与控制器；信号分析与控制器对采集到的各路出射光信号进行计算，并与所设定的校准值进行均方差计算，选取均方差计算值最小的两路出射光信号作为计算血氧数据的有效数据通道；通过显示屏显示检测部位组织及血氧饱和度数值和/或趋势曲线。
所述方法还包括信号分析与控制器对检测部位组织的识别方法；信号分析与控制器对采集到的各路出射光信号进行计算，并与所设定的不同检测部位组织所对应的校准值分别进行均方差计算，得到多组均方差计算值；在多组选取均方差计算值中选取均方差计算值最小的且位于同一组均方差计算值中的两路出射光信号；再根据均方差计算所对应的校准值识别出检测部位组织。
信号分析与控制器对检测部位组织进行识别及选取其中两路出射光信号作为计算血氧数据的有效数据通道的具体方法是：
步骤1，根据光源的入射光信号强度及所采集到的各路通道的出射光信号强度，依据公式：
求得每路通道对应的
其中，表示波长为λn的光的入射光信号强度；
表示波长为λn的光的出射光信号强度；
λ1，λ2，λ3，…,λn表示不同波长光波；
步骤2，将设定的不同检测部位的校准值存储在信号分析与控制器中，其中，k代表不同的检测部位，取1、2、3……k；
步骤3，在不同波长光波下，将步骤1中所得到的每路通道的计算值与步骤2中K个校准值/>之间分别进行均方差计算，顺次得到K组各路通道在不同检测部位的均方差δmk，
其中，m为通道数量，取1、2、3……m；
步骤4，从步骤3中所得到的K组各路通道的均方差计算值中找出存在于同一组中最小的两个不相等的值δak,δbk，其中对应的a，b分别为有效数据通道a和有效数据通道b；k为所代表的检测部位。
在同一检测部位确定并选取其中两路有效数据通道所对应的光电传感器后，同时对其余各路光电传感器所采集的出射光信号通道执行关闭。
本发明技术方案，具有如下优点：
A.本发明在柔性衬板上设置了一个光源和位于其同一侧的呈直线排布的若干个光电传感器，光源与各个光电传感器之间形成不同的间距，通过不同的检测距离分布，实现多人群多组织覆盖，适合对不同人群检测部位的检测，不需要对不同人群使用不同类型的检测探头，从而实现了探头通用和近红外血氧检测过程中检测探头的匹配问题。
B.在利用本发明所提供的多光电传感器进行检测时，光源所发出的近红外光经组织出射后被各个光电传感器采集，拾取到多路出射光信号，通过信号分析与控制器对检测部位的出射光信号进行差异性分析，根据计算模块中所设定的各个部位的校准值，通过计算可以识别检测部位组织结构，同时最终确定其中最匹配的两个光电传感器的采集信号作为计算血氧数据的有效数据通道，从而避免检测部位的组织结构情况对最终检测结果的影响，实现检测部位识别及血氧检测信号的自适应处理。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明所提供的采集探头第一个实施例的外观示意图；
图2是本发明所提供的采集探头第二个实施例的外观示意图；
图3是本发明所提供的采集探头第二个实施例的外观示意图；
图4是本发明所提供的采集装置信号采集功能拓扑图；
图5是本发明所提供的信号采集逻辑流程图；
图6是本发明所提供的自适应血氧信号采集装置原理图。
图中标识如下：
1-柔性衬板；2-光源；3-光电传感器。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，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，本发明提供了一种基于近红外血氧检测的自适应血氧信号采集探头，包括柔性衬板1和固定于柔性衬板1上的光源2、光电传感器3，柔性衬板1上设有若干个(n≥3)光电传感器3，若干个光电传感器3与光源2呈直线排布，且光电传感器3位于光源2的同一侧。图1所示采集探头上设置了3个等间距设置的光电传感器3；图2所示的采集探头上设置了4个等间距设置的光电传感器3；图3所示的采集探头上设置了5个等间距设置的光电传感器3，当然还可以设置更多的光电传感器，光电传感器和光源都采用现有技术，对于其结构和参数可以根据具体情况进行选取，这里不再赘述。
优选地，在柔性衬板上设有3～5个光电传感器。
在探头的结构上，本发明在柔性衬板1上设置了一个光源2和位于其同一侧的呈直线排布的若干个光电传感器3，光源2与各个光电传感器3之间形成不同的间距，通过不同的检测距离分布，实现多人群多组织覆盖，适合对不同人群检测部位的检测，不需要对不同人群使用不同类型的检测探头，从而实现了探头通用和近红外血氧检测过程中检测探头匹配问题。
如图6所示，本发明还提供了一种基于近红外血氧检测的自适应血氧信号采集装置，包括探头、与探头相连接的信号分析与控制器及显示屏；信号分析与控制器接收经各个光电传感器采集的出射光信号，并对各路出射光信号进行信号分析、计算和比对，确定其中两路出射光信号作为计算血氧数据的有效数据通道；显示屏与信号分析与控制器连接，用于显示检测部位组织及其所测血氧饱和度数值和/或趋势曲线。
对于检测同一部位的采集装置，可以仅设置一个校准值即可，对于可以用于检测不同检测部位的采集装置来讲，比如可以对腿部，头部等不同检测部位进行检测时，本发明在信号分析与控制器中设定了针对多个不同检测部位组织的校准值。信号分析与控制器对采集到的各路出射光信号进行分析、计算，并与所设定的不同检测部位组织所对应的校准值分别进行均方差计算，得到多组均方差计算值；在多组选取均方差计算值中选取均方差计算值最小的且位于同一组均方差计算值中的两路出射光信号；再根据均方差计算所对应的校准值识别出检测部位组织。
其中的信号分析与控制器包括：出入射光信号计算模块、均方差计算模块和比对模块。
出入射光信号计算模块是在不同波长光波下，用于对光源与各路光电传感器之间所形成的多路光路通道进行出入射光信号强度计算；
均方差计算模块用于分别对各路通道的出入射光信号强度计算值与所设定的多个校准值进行均方差计算，得到多组各路通道与多个校准值间的均方差计算值；
比对模块用于从多组均方差计算值中选取在同一组中存在最小的两个不相等的均方差计算值，得到检测部位组织及两路光电传感器与光源之间所形成的最优血氧检测组合；
血氧计算模块，用于对所选取的两路出射光信号进行计算，得到检测组织部位的血氧饱和度值，并将血氧检测数值传输给显示屏进行对外显示血氧数值及趋势。
具体的用于识别检测部位组织及对所采集到的多路出射光信号进行分析、计算和选取的方法如下：将探头贴附在待检测部位，并点亮光源；各个光电传感器分别接收由待检测部位的出射光信号，并传输给信号分析与控制器；信号分析与控制器对采集到的各路出射光信号进行计算后，选取其中两路出射光信号作为计算血氧数据的有效数据通道；通过显示屏显示检测部位组织及血氧饱和度数值和/或趋势曲线。
信号分析与控制器对检测部位组织进行识别及选取其中两路出射光信号作为计算血氧数据的有效数据通道的具体方法是：
步骤1，根据光源的入射光信号强度及所采集到的各路通道的出射光信号强度，依据公式：
对于每一个通道，都有
求得每一路通道对应的
其中，表示波长为λn的光的入射光信号强度；
表示波长为λn的光的出射光信号强度；
λ1，λ2，λ3，…,λn表示不同波长光波；
步骤2，将设定的不同检测部位的校准值存储在信号分析与控制器中，其中，k代表不同的检测部位，取1、2、3……k；k代表的不同检测部位，例如额头、上臂、腹部等，不同检测部位对应不同的校准值，校准值通过大量的试验数据并通道机器学习回归模型训练所得，通过比对值可判断出检测部位。
步骤3，在不同波长光波下，将步骤1中所得到的每路通道的计算值与步骤2中K个校准值/>之间分别进行均方差计算，顺次得到K组各路通道在不同检测部位的均方差δmk，其中，m为通道数量，取1、2、3……m。
δmk表示第m通道的数据与k所代表的部位的校准值所得的均方差。则第1～m通道数据与1所代表得检测部位有(δ11，δ21，…，δm1)，其中：
同样，第1～m通道数据与2,3…k所代表的检测部位的校准值所得的均方差有(δ12，δ22，…，δm2),…(δ1k，δ2k，…，δmk)，共得到k组均方差计算值。
步骤4，从步骤3中所得到的k组计算所得的均方差计算值中找出最小的且存在于同一组中的两个值δak,δbk(其中δ值越小，置信度越高)，如不同的组中有相同的δak,δbk，则判断除δak,δbk以外的最小值δck。其中对应的a，b分别为有效数据通道a和有效数据通道b；k为所代表的检测部位。
如图4和图5所示，当对所有的光电传感器进行启动时，各光电传感器接收到出射光信号时，对信号进行滤波、放大等信号预处理，然后传输给信号分析与控制器，信号分析与控制器对所有光电传感器与光源间所形成的多路通道进行信号分析与计算，确认有效的两路信号通道，同时信号分析与控制器关闭无效通道数据采集，仅仅通过有效通道的数据采集。当然，在变换检测部位时，由于检测组织结构的不同，需要根据各个设定的校准值自动进行检测部位组织情况的识别，确定优选的两个通道后，再关闭其它采集数据通道。本发明采集装置检测效率高，在检测不同部位时或针对不同人群时，无需更换探头，具有很好的使用便利性和血氧检测通用性。
实施例
使用图2所示的同一探头对成人和幼儿分别贴在前额测试，所得测试结果如下表：
成人基本情况：性别男、年龄26周岁、身高168cm、体重67kg；
小孩基本情况：性别男、年龄2周岁、身高85cm、体重12kg。
与前额校准值计算均方差的表格：
被试类别 通道1均方差 通道2均方差 通道3均方差 通道4均方差
成人 0.0731 0.0081 0.0064 0.0284
幼儿 0.0076 0.0057 0.0265 0.0441
按照自适应探头匹配规则，成人应选用通道2和通道3，幼儿应选用通道1和通道2。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种基于近红外血氧检测的自适应血氧信号采集装置，其特征在于，所述采集装置包括探头、与所述探头相连接的信号分析与控制器及显示屏；所述信号分析与控制器接收经各个光电传感器采集的出射光信号，并对各路出射光信号进行信号分析与计算，确定其中两路出射光信号作为计算血氧数据的有效数据通道；所述显示屏与所述信号分析与控制器连接，用于显示所检测部位组织及其血氧饱和度数值和/或趋势曲线；
所述探头包括柔性衬板和固定于所述柔性衬板上的光源、光电传感器，其特征在于，所述柔性衬板上设有大于等于3个所述光电传感器，大于等于3个所述光电传感器与所述光源呈直线排布，且所述光电传感器位于所述光源的同一侧；
所述信号分析与控制器对采集到的各路出射光信号进行计算，并与所设定的不同检测部位组织所对应的校准值分别进行均方差计算，得到多组均方差计算值；在多组选取均方差计算值中选取均方差计算值最小的且位于同一组均方差计算值中的两路出射光信号；再根据均方差计算所对应的校准值识别出检测部位组织；
信号分析与控制器对检测部位组织进行识别及选取其中两路出射光信号作为计算血氧数据的有效数据通道的具体方法是：
步骤1，根据光源的入射光信号强度及所采集到的各路通道的出射光信号强度，依据公式：
求得每路通道对应的
其中，表示波长为λn的光的入射光信号强度；
表示波长为λn的光的出射光信号强度；
λ1，λ2，λ3，...，λn表示不同波长光波；
步骤2，将设定的不同检测部位的校准值存储在信号分析与控制器中，其中，k代表不同的检测部位，取1、2、3……k；
步骤3，在不同波长光波下，将步骤1中所得到的每路通道的计算值与步骤2中K个校准值/>之间分别进行均方差计算，顺次得到K组各路通道在不同检测部位的均方差δmk，
其中，m为通道数量，取1、2、3……m；
步骤4，从步骤3中所得到的K组各路通道的均方差计算值中找出存在于同一组中最小的两个不相等的值δak，δbk，其中对应的a，b分别为有效数据通道a和有效数据通道b；k为所代表的检测部位；
信号分析与控制器对在同一检测部位确定并选取其中两路有效数据通道所对应的光电传感器后，同时对其余各路光电传感器所采集的出射光信号通道执行关闭。
2.根据权利要求1所述的基于近红外血氧检测的自适应血氧信号采集装置，其特征在于，若干个所述光电传感器中的相邻两所述光电传感器之间具有相同的间距。
3.根据权利要求2所述的基于近红外血氧检测的自适应血氧信号采集装置，其特征在于，所述光源与其距离最近的所述光电传感器之间的距离为1cm，所述光源与其距离最远的所述光电传感器之间的距离为5cm。
4.根据权利要求3所述的基于近红外血氧检测的自适应血氧信号采集装置，其特征在于，所述柔性衬板上设有3～5个光电传感器。
5.根据权利要求1所述的基于近红外血氧检测的自适应血氧信号采集装置，其特征在于，所述信号分析与控制器包括：
所述信号分析与控制器包括：
出入射光信号计算模块，在不同波长光波下，用于对光源与各路光电传感器之间所形成的多路光路通道进行出入射光信号强度计算；
均方差计算模块，用于分别对各路通道的出入射光信号强度计算值与所设定的多个校准值进行均方差计算，得到多组各路通道与多个校准值间的均方差计算值；
比对模块，用于从多组均方差计算值中选取在同一组中存在最小的两个不相等的均方差计算值，得到检测部位组织及两路光电传感器与光源之间所形成的最优血氧检测组合。
6.一种基于近红外血氧检测的自适应血氧信号采集方法，其特征在于，将探头贴附在待检测部位，并点亮光源；光电传感器位于所述光源的同一侧，各个光电传感器分别接收由待检测部位的出射光信号，并传输给信号分析与控制器；信号分析与控制器对采集到的各路出射光信号进行计算，并与所设定的校准值进行均方差计算，选取均方差计算值最小的两路出射光信号作为计算血氧数据的有效数据通道；通过显示屏显示检测部位组织及血氧饱和度数值和/或趋势曲线；
所述方法还包括信号分析与控制器对检测部位组织的识别方法；信号分析与控制器对采集到的各路出射光信号进行计算，并与所设定的不同检测部位组织所对应的校准值分别进行均方差计算，得到多组均方差计算值；在多组选取均方差计算值中选取均方差计算值最小的且位于同一组均方差计算值中的两路出射光信号；再根据均方差计算所对应的校准值识别出检测部位组织；
信号分析与控制器对检测部位组织进行识别及选取其中两路出射光信号作为计算血氧数据的有效数据通道的具体方法是：
步骤1，根据光源的入射光信号强度及所采集到的各路通道的出射光信号强度，依据公式：
求得每路通道对应的
其中，表示波长为λn的光的入射光信号强度；
表示波长为λn的光的出射光信号强度；
λ1，λ2，λ3，...，λn表示不同波长光波；
步骤2，将设定的不同检测部位的校准值存储在信号分析与控制器中，其中，k代表不同的检测部位，取1、2、3……k；
步骤3，在不同波长光波下，将步骤1中所得到的每路通道的计算值与步骤2中K个校准值/>之间分别进行均方差计算，顺次得到K组各路通道在不同检测部位的均方差δmk，
其中，m为通道数量，取1、2、3……m；
步骤4，从步骤3中所得到的K组各路通道的均方差计算值中找出存在于同一组中最小的两个不相等的值δak，δbk，其中对应的a，b分别为有效数据通道a和有效数据通道b；k为所代表的检测部位；
信号分析与控制器对在同一检测部位确定并选取其中两路有效数据通道所对应的光电传感器后，同时对其余各路光电传感器所采集的出射光信号通道执行关闭。
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