CN111493887B - 一种手持式管状生物探头及在探测器官活性中的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于微小器官活性检测的手持式管状生物探头及检测算法，包括血氧光电传感器、信号传输线和信号处理模块，信号传输线从血氧光电传感器背面引出并聚集后接至信号处理模块，所述的血氧光电传感器外围有一圈遮光罩，所述的遮光罩远离血氧光电传感器的一端与柔性或硬质的导管杆连接；所述的信号传输线从所述的遮光罩、导管杆内部依次穿过，并且与固定于导管杆尾部的信号处理模块连接。其检测算法是根据所述的生物探头的测量结果，计算血氧饱和值平均值、血氧波形标准差和脉动频率，进而判断微小器官的活性。本发明适用于开放手术环境中体内微小器官活性的检测，操作简单，应用前景广泛。

Description

一种手持式管状生物探头及在探测器官活性中的检测方法

技术领域

本发明涉及生物医学领域，具体涉及一种原位在线探测器官活性的手持式管状生物探头及检测方法。

背景技术

体内微小器官的活性检测一直是医学领域的一大难点，如甲状旁腺组织的活性检测，目前医学上对于甲状旁腺组织的活性检测并没有一个准确的定性判断标准，都是通过在手术过程中目测观察甲状旁腺组织的颜色进而判断其血供情况：若甲状旁腺组织呈现淡红色，则判定其血供正常，将其保留；若甲状旁腺组织呈现苍白色，则判定其血供异常，将其切除。虽然术中甲状旁腺激素(PTH)测定是甲状旁腺手术过程中的一种功能性诊断工具，可以预测手术成功与否，但是，由于PTH测定不能做到原位在线实时监测，因此在手术场景的应用相对比较局限。

血氧饱和度(SpO2)是器官活性关键生理参数。目前，公知的血氧测量装置主要采用两种结构，一种是基于反射式光学测量的结构，另一种是基于透射式光学测量的结构。传统的反射式结构主要有贴合在婴儿足底的血氧测量装置；透射式结构主要有指夹式血氧测量装置以及贴合在耳垂上的血氧测量装置。但是，这两种传统的血氧测量装置无论测量器件结构还是测量原理都不能用于体内微小器官活性探测场景，主要是因为：

(1)传统的血氧测量装置尺寸和形状无法通过微创通道深入体内。就甲状旁腺组织测量而言，甲状旁腺呈现的形状为椭球形结构，且直径小于1cm，而上述两种血氧测量装置都是平面状结构，且接触表面积远大于甲状旁腺组织，无法很好地与甲状旁腺组织贴合，因此得不到精准的测量数据，进而影响其活性的判定。

(2)传统的基于透射式光学测量的血氧测量结果由分离式的光发射器和光接收器组成，分别位于测试部位的对侧，因此需要夹合式的测量装置，而体内微小器官质地相对比较柔软，如采用夹合式结构，一方面会增大血氧测量装置尺寸，另一方面也会对器官造成挤压，从而影响信号的精度及后续的判定。

(3)体内环境在线探测时，存在大量血污影响血氧测量结果，无法根据血氧绝对值判断体内微小器官的活性。

美国专利US5357954公开了一种用于检测食道组织血氧饱和度的装置，通过将光学血氧传感器安装到食道探针上，进行血氧饱和度的定量检测。然而，该装置因为无法隔离环境光的干扰，仅适用于与外部环境光完全隔离的生理稳定环境中进行检测，不适用开放的手术环境中。且该装置无法与微小器官很好地贴合，血氧值的精准度低，无法应用到体内特定微小器官的血氧检测。

因此，目前亟需开发一种能够原位实时判定体内微小器官活性的装置及检测方法。

发明内容

本发明提供了一种手持式管状生物探头及其检测方法，在手持式管状生物探头的血氧光电传感器外设有遮光罩，减少环境光干扰，并在遮光罩远离血氧光电传感器的一端固定连接中空的导管杆，方便医护人员手持操作。本发明所述的手持式管状生物探头适用于开放的手术环境，可原位实时检测微小器官的血供状态，据此判断微小器官的活性。

本发明解决上述技术问题所提供的技术方案如下：

一种手持式管状生物探头，包括血氧光电传感器、信号传输线和信号处理模块，信号传输线从血氧光电传感器背面引出后接至信号处理模块，所述的血氧光电传感器外围有一圈遮光罩，所述的遮光罩远离血氧光电传感器的一端与中空的柔性或硬质的导管杆固定连接；所述的信号传输线从所述的遮光罩、导管杆内部依次穿过，并且与固定于导管杆尾部的信号处理模块连接。

血氧光电传感器贴合在微小器官表面开始采集血氧信号，信号通过信号传输线传输至信号处理模块，连接装置通过数据传输线缆连接到PCB板，之后再将数据传输到计算机端，计算机端的显示程序处理后将采集到的血氧信号波形显示出来，以此判断微小器官的活性。本发明所述的手持式管状生物探头的血氧光电传感器外设有遮光罩，可以有效减少环境光干扰，提高血氧光电传感器检测准确度，使所述的手持式管状生物探头适用于开放的手术环境；在所述的遮光罩远离血氧光电传感器的一端固定连接中空的导管杆，便于手术过程医生手持检测，操作简单实用。

作为优选，所述的遮光罩的表面材料为聚烯烃类聚合物。

所述的血氧光电传感器为反射式血氧光电传感器，包括发光二极管和光电二极管探测器件，所述的发光二极管和光电二极管探测器件间设有光屏蔽隔墙。

发光二极管发出光线照射到待检测的微小器官，光电二极管探测器件接收反射光线并将其转换成电信号的；光屏障可以尽量减少内部干扰，提高信噪比。

为了使血氧光电传感器与微小器官紧密贴合；提高血氧光电传感器的防水性，防止体内组织液影响血氧光电传感器头采集信号，作为优选，所述的血氧光电传感器表面涂覆透明柔性绝缘材料。

所述的透明柔性绝缘材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)或水凝胶。

聚二甲基硅氧烷是一种透明柔性硅胶、无毒的绝缘性材料，透光性良好、生物相容性佳，不会影响生物探头的精确采集。

为了使与微小器官紧密贴合，作为优选，所述的遮光罩为上底面直径为8mm～10mm，下底面的直径为3mm～12mm，高为18mm～22mm的圆台状结构。

所述的遮光罩的大小可以根据不同的器官结构进行更换。

为了防止组织液流入导管感内部，导致信号传输线短路，作为优选，所述的遮光罩内填充有柔性绝缘材料，所述的柔性绝缘材料包裹在血氧光电传感器的四周。

为了提高与透明柔性绝缘材料的相容性，减少对体内微小器官的刺激，作为优选，所述的遮光罩材料为硅胶。

为了在测量时和器官良好贴合，采集到的较强的信号，减少干扰，作为优选，所述的血氧光电传感器平覆在柔性绝缘材料的底部表面的正中间。

为了更好的微小器官贴合，作为优选，所述的下底面呈内凹状。

为了提高血氧光电传感器的防水性，作为优选，所述的下底面涂覆透明柔性绝缘材料。

作为优选，所述的柔性绝缘材料为PDMS。

为了防止信号传输线抖动影响检测准确性，作为优选，所述的导管杆的内部靠近信号处理模块的一端还设有信号传输线固定装置。

采集过程中需要保持手部相对静止，不能产生抖动，否则会影响血氧信号的采集，引入运动干扰以及环境光的干扰，影响器官活性检测的判断，为了方便使用，作为优选，的所述的导管杆的长度为8cm～10cm。

所述的手持杆导管杆的材料为聚氯乙烯(PVC)或手术不锈钢。

所述信号传输线为8芯屏蔽线；所述的信号处理模块中的数据引脚为8-pin排针，排针的间距为1.27mm。

本发明提供了所述的手持式管状生物探头在原位在线检测微小器官活性中的应用。

血氧饱和度是器官活性关键生理参数，由于体内微小器官如甲状旁腺组织中分布有小血管，因此可以通过测定微小器官的血氧饱和度的波动判定其活性。为了检测体内微小器官的活性，可以由医生在手术中使用手持式管状生物探头通过微创通道探入体内并贴合于微小器官表面一段时间采集血氧信号(光电容积脉搏描记法)，通过血氧信号计算血氧饱和值的波动，波动值大小和器官活动直接相关，如果波动值低于预先设定的体内微小器官的活性阈值时，可以判定体内微小器官已丧失活性，可以通过手术将其切除。

为了定性检测微小器官的活性，作为优选，所述的手持式管状生物探头在原位在线监测微小器官活性中的应用，包括如下步骤：

(1)将所述的手持式管状生物探头抵触到待测试的微小器官表面并静置一段时间；所述的血氧光电传感器采集血氧信号并通过信号传输线、信号处理模块传输到PCB板，PCB板通过串口与计算机进行通信，将采集到的血氧信号在计算机端实时显示；

(2)根据采集到的血氧信号，通过检测算法进一步判断器官的活性。

显示程序显示的是血氧波形。当探头底部的血氧传感器发出发射光照射到体内器官表面时，器官中含有动脉，而动脉血有血液流动，则对光的吸收也有所变化。所以，当光电二极管将光转换成电信号时，由于动脉血对光的吸收有变化，呈现交流AC信号波形；若呈现直流DC信号。则检测器官可能失活但也可能因病变活性降低，所以需要通过检测算法进一步判定。

本发明提供了一种利用所述的手持式管状生物探头检测器官活性方法，包括如下步骤：

(a)将所述的手持式管状生物探头分别抵触到待测试的微小器官表面和附近正常组织表面并静置一段时间；所述的血氧光电传感器采集血氧信号并通过信号传输线、信号处理模块传输到PCB板，PCB板通过串口与计算机进行通信，将采集到的血氧信号波形在计算机端实时显示；

(b)PC端波形显示有红光和红外光的PPG波形，将采集到的血氧信号波形进行预处理，即去除基线漂移，然后基于朗博-比尔定律求得血氧饱和值，然后取稳定的一段时间的血氧饱和值作为测量依据；计算这段时间内微小器官和附近正常组织的血氧饱和值平均值、血氧波形标准差和脉动频率；

若微小器官和附近正常组织的血氧饱和值平均值差别在15％以上，说明器官失去活性，如果15％以内，进一步看标准差和脉动频率；

如果微小器官和附近正常组织的脉动频率差别在15％以内，说明器官具有活性，如果标准差或脉动频率大于15％，说明血污严重或存在干扰，需要清洗或去除干扰重测；

若重测后，脉动频率仍大于15％。则进一步测量血氧波形的标准差，若血氧波形标准差也大于15％，则说明器官失去活性。

所述的一段时间为5～10s。

本发明的有益效果主要体现在：

(1)传统的血氧测量装置在结构上多采用夹合式或者平面贴合式，且与被测部位接触面积较大，不适用体内微小器官检测场景，本发明所述的手持式管状生物探头能够适合微小器官尺寸，具有很好的贴合性，可以增加测定的精度，获得更精准的判断，因此是一种适用性较高的结构装置。

(2)传统的体内器官活性检测不具备实时性监测的手术要求，对于术中摘除判定有一定的局限性，本发明所述的手持式管状生物探头不仅在结构上更具适用性，同时配备了一套完整的器官活性在线检测算法，可以辅助医生在手术过程中实时采集器官的血氧信号，从而在计算机端实时显示其血氧波形，再通过给定的检测算法及时判定器官的活性，辅助医生进行术中决策，具有较高的临床价值。(3)所述的血氧光电传感器的表面涂覆有柔性材料(例如，聚二甲基硅氧烷PDMS)，一方面可以方便探头与器官接触，一方面可以保护探头内部传感器免受器官液的干扰，增强采集信号的精准度。

附图说明

图1为实施例1的手持式管状生物探头的结构示意图。

图2为实施例1的手持式管状生物探头的底部结构示意图。

图3为实施例1的信号传输线固定装置的结构示意图。

图4为实施例1的手持式管状生物探头测量体内微小器官时计算机显示程序出现的波形及器官的活性指标。

图5为实施例1的手持式管状生物探头采集到的血样数据去除基线漂移的示意图。

图中所示附图标记如下：

1血氧光电传感器 2信号传输线 3信号处理模块 4发光二极管

5光电二极管探测器件 6光屏蔽隔墙 7遮光罩 8套筒

9导管杆 10信号传输线固定装置

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1手持式管状生物探头

一种原位在线检测微小器官活性的手持式管状生物探头如图1所示，包括血氧光电传感器1、信号传输线2和信号处理模块3，信号传输线2从血氧光电传感器1背面引出并聚集后接至信号处理模块3。

所述的血氧光电传感器1为SFH7050，包括三个发光LED器件4和一个光电二极管探测器件5，所述的发光二极管4和光电二极管探测器件5间设有光屏蔽隔墙6。血氧光电传感体积在4.7mm×2.5mm×0.9mm，适用于人体微小器官尺寸，可以做到精准测量。

所述的血氧光电传感器1外设有遮光罩7，遮光罩7为上底面直径为8mm，下底面的直径为10mm，高为20mm的圆台状结构，遮光罩7表面涂覆黑色热缩性材料；如图2所示，血氧光电传感器1平覆在下底面正中间，下表面是内凹结构，遮光罩7内填充PDMS，血氧光电传感器1和下表面涂覆一层PDMS材料。

遮光罩7远离血氧光电传感器1的一端延伸出圆柱形套筒8与中空的导管杆9固定连接，套筒8内填充热熔胶材料(乙烯-醋酸乙烯聚合物)，所述的导管杆9长度为10cm，内径为10mm。

所述的信号传输线2从所述的遮光罩7、导管杆9内部依次穿过并且与固定于导管杆9尾部的信号处理模块3连接，所述的导管杆9的内部靠近信号处理模块3的一端还设有如图3所示的信号传输线固定装置10，信号传输线固定装置10中开孔引出信号传输线2。

连接装置3通过数据传输线缆连接到PCB板，之后再将数据传输到计算机端，计算机端的显示程序处理后将采集到的血氧信号波形显示出来，并通过检测算法判断微小器官的活性。

应用例

首先，将实施例1的手持式管状生物探头的信号处理模块3通过数据传输线缆连接至PCB板的数据接口，PCB板通过串口与计算机进行通信。

连接好数据通路之后，医护人员手持所述的手持式管状生物探头，遮光罩7隔绝环境光，将遮光罩7的下底面分别紧密贴合在体内供血正常的微小器官表面和需要检测的微小器官表面，使血氧光电传感器1与器官良好贴合，开始采集血氧信号，计算机显示程序将实时显示采集到的信号波形。

图4为模拟器官活性检测示例，左边两幅波形为实施例手持式管状生物探头采集的检测器官的血氧波形，右边两幅波形为实施例手持式管状生物探头采集的附近正常组织的血氧波形，分别计算该检测器官和附近正常组织的血氧饱和值平均值、血氧波形标准差和脉动频率。可以看到，虽然检测器官的血氧饱和值仅为86％，呈低氧状态，但是和附近正常组织的差别在15％以内，说明其还是具有生物活性，因此若该检测器官为甲状旁腺组织，由于其具有一定生物活性，则无需术中切除，术后进行其他治疗方式即可。

本应用例中先对采集到的数据进行低通处理，得到基线漂移的趋势线，然后将原信号与趋势线做差。基线漂移去除示例如图5所示。

若出现其他情况，根据本发明所述的检测方法同样可以判断检测器官的活性。

Claims (6)

1.一种利用手持式管状生物探头的器官活性检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将手持式管状生物探头分别抵触到待测试的微小器官表面和微小器官附近正常组织表面并静置一段时间；所述的血氧光电传感器(1)采集血氧信号并通过信号传输线(2)、信号处理模块(3)传输到PCB板，PCB板通过串口与计算机进行通信，采集到的血氧信号波形在计算机端实时显示；

(2)将采集到的血氧信号波形进行预处理去除基线漂移，取稳定的一段时间的血氧饱和值作为测量依据，分别计算微小器官和附近正常组织的血氧饱和值平均值、血氧波形标准差和脉动频率；

若微小器官比附近正常组织的血氧饱和值平均值低15％以上，说明器官失去活性；

若在15％以内，进一步看标准差和脉动频率；

若微小器官比附近正常组织的脉动频率低15％以内，说明器官具有活性；反之，说明血污严重或存在干扰，需要清洗或去除干扰重测；

若重测后，脉动频率的差值仍大于15％；则进一步测量血氧波形的标准差，若血氧波形标准差也大于15％，则说明器官失去活性；

所述的手持式管状生物探头，包括血氧光电传感器(1)、信号传输线(2)和信号处理模块(3)，信号传输线(2)从血氧光电传感器(1)背面引出后接至信号处理模块(3)，所述的血氧光电传感器(1)外围有一圈遮光罩(7)，所述的遮光罩(7)远离血氧光电传感器(1)的一端与中空的柔性或硬质的导管杆(9)固定连接；所述的信号传输线(2)从所述的遮光罩(7)、导管杆(9)内部依次穿过，并且与固定于导管杆(9)尾部的信号处理模块(3)连接。

2.根据权利要求1所述的器官活性检测方法，其特征在于，所述的导管杆(9)的内部靠近信号处理模块(3)的一端还设有信号线固定装置(10)。

3.根据权利要求1所述的器官活性检测方法，其特征在于，所述的血氧光电传感器(1)为反射式血氧光电传感器，包括发光二极管(4)和光电二极管探测器件(5)，所述的发光二极管(4)和光电二极管探测器件(5)间设有隔墙(6)。

4.根据权利要求1所述的器官活性检测方法，其特征在于，所述的血氧光电传感器(1)表面涂覆透明柔性绝缘材料。

5.根据权利要求1所述的器官活性检测方法，其特征在于，所述的遮光罩(7)为圆台状结构。

6.根据权利要求1所述的器官活性检测方法，其特征在于，所述的遮光罩(7)内填充有柔性绝缘材料，所述的柔性绝缘材料包裹在血氧光电传感器(1)的四周。

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