CN111956235B - 一种反射式血氧探头或测量装置的标定方法 - Google Patents

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Abstract

一种反射式血氧探头或测量装置的标定方法，组装一种用于反射式血氧探头及测量装置标定的模拟装置，装置包括容器以及内部的仿体、A导管、B导管均经过泵与仿体连通，通入氧气后，通过校准对照仪器测量仿体氧饱和度，加入还原剂，搅拌均匀，仿体氧合状态较为稳定时，使用反射式血氧测量装置、校准对照仪器同时测量仿体氧饱和度，对反射式血氧探头或测量装置进行标定，重复直至整个检测范围标定完毕；本发明可以根据实验需求进行调整，以适应不同的实验范式；可同时适用于成人和婴幼儿组织血氧饱和度及脉搏血氧饱和度的标定，通过模拟装置便于对反射式血氧探头及测量装置精密度和可靠性进行验证与标定，可同时满足针对成人和婴幼儿的反射式血氧探头及测量装置的精密度和可靠性验证与标定的需求，扩大了该装置的应用范围。

Description

一种反射式血氧探头或测量装置的标定方法
技术领域
本发明属于生物医学工程技术领域，特别涉及一种反射式血氧探头或测量装置的标定方法。
背景技术
近红外光谱(NIRS)技术可用于检测人体血液及组织血氧状况，波长600～1000nm的近红外光可以穿透一定深度的人体组织，通过用近红外光照射人体组织和在距离数厘米的地方放置探测器，可以检测到反映皮下组分浓度的光照强度信号，从而可用于人体组织血氧状况的无创连续监测，是一种安全实用的临床无创检测技术。
脉搏血氧饱和度(SpO2)是动脉血中氧合血红蛋白(HbO2)占全部可结合的血红蛋白(Hb)容量的百分比，临床上人体的外围血液循环情况可以通过动脉脉搏波和静脉回流容积波体现。用红光和近红外光照射人体的手指、脚趾或耳垂等部位，由光敏元件探测透射(或反射)的光电容积波强度。由于人体的这些部位都是由皮肤、血液、肌肉、骨骼等组成的混合组织，光在通过人体组织形成的光电容积脉搏波的特征是在一个很大的稳定分量(或称直流分量)上叠加一个较小的动脉分量(或称交流分量)。其交流分量是由于血液充盈脉动引起；直流分量则是血液流过动脉的同时，由其他组织对光的吸收而产生。通过两束光的光电容积脉搏波的测量可以得到四个分量，即红光直流分量、红光交流分量、近红外光直流分量和近红外光交流分量，由这四个分量可以计算出SpO2。
组织血氧饱和度(rSO2)测量的是动脉血和静脉血的混合血氧饱和度，反映了人体组织血液供应与血液消耗之间的平衡关系。
在血氧仪产品的制造过程中，最后需要完成校准和静态测试两项重要工作，对其精密度和可靠性进行验证与标定。静态测试是通过对人体的正常组织进行测试，考察仪器是否达到设计指标。因为不同的人或者同一个人在不同的状态下，组织的血氧含量肯定有差异，所以难以作为较为稳定的参考标准。
现有技术中有采用血液模型校准方法对组织血氧饱和度进行校准。该模型用血液、散射体及缓冲液按一定比例进行配置，在近红外波段的光学吸收和散射特性接近人体组织。可通过向该模型中通入氧气和加入还原剂，改变模型的氧饱和度，还可使用血气分析仪测量其氧饱和度。因此，该模型为测试对象，用临床公认精度较高的血气分析仪进行校准。但这种方法存在以下问题：
(1)血液模型不能同时适用于成人及婴幼儿血氧仪产品的标定。
(2)血液模型仅能用于组织血氧饱和度标定。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种反射式血氧探头或测量装置的标定方法，用于反射式血氧探头及测量装置标定等领域，可同时适用于成人及婴幼儿、组织血氧饱和度及脉搏血氧饱和度的测量，通过模拟装置便于对反射式血氧探头或测量装置的精密度和可靠性进行验证与标定。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种反射式血氧探头或测量装置的标定方法，包括以下步骤：
步骤一：组装一种用于反射式血氧探头或测量装置标定的模拟装置，所述的模拟装置包括容器1，容器1的材质为光学特性接近人体头盖骨的环氧树脂，容器1为偏心缸，顶部无盖，两侧厚度不同，厚侧用于模拟成人头盖骨，薄侧用于模拟婴幼儿头盖骨；容器1内放置有仿体4，A导管2的一端与泵8的出口连接，另一端置于仿体4内，B导管3的一端与泵8的的入口端相连，另一端置于仿体4内。
步骤二：向仿体4通入氧气5；
步骤三：将待标定的反射式血氧探头或测量装置的信号采集端安装于容器1外侧壁；
步骤四：通入氧气5后，通过校准对照仪器7测量仿体4的氧饱和度，待仿体4的氧饱和度不再上升时，即仿体4的氧饱和度接近饱和时，停止通入氧气5；
步骤五：加入还原剂6，搅拌均匀，待校准对照仪器7测量仿体4的氧饱和度数值稳定，即仿体4的氧合状态稳定时，使用反射式血氧测量装置、校准对照仪器7同时测量仿体4的氧饱和度，对反射式血氧探头或测量装置进行标定，标定包括标定组织血氧饱和度和标定脉搏血氧饱和度；标定脉搏血氧饱和度时，使用泵8，使流经其中的仿体4产生脉动流，模拟动脉脉动；
步骤六：重复步骤五，直至待标定反射式血氧探头或测量装置整个检测范围标定完毕；
步骤七：向仿体4重新通入氧气5，重复步骤四、五，直接进行下一个反射式血氧探头或测量装置的标定。
所述的氧气5由氧气瓶提供。
所述的还原剂6包括酵母或连二亚硫酸钠Na2S2O4。
所述的校准对照仪器7包括血气分析仪或血氧仪，用于测量仿体4的氧饱和度。
所述的泵8为容积式或脉动式血泵，用于使流经其中的仿体4产生脉动流，模拟动脉脉动。
相对于现有技术，本发明具有以下优点：
(1)容器1为偏心缸，顶部无盖，其光学特性接近人体头盖骨，两侧厚度不同，厚侧可用于模拟成人头盖骨，薄侧可用于模拟婴幼儿头盖骨，可以根据实验需求进行调整，以适应不同的实验范式。该装置可同时满足针对成人和婴幼儿的反射式血氧探头及测量装置的精密度和可靠性验证与标定的需求，扩大了应用范围。
(2)使用泵8，使流经其中的仿体4产生脉动流，用于模拟动脉脉动。更接近真实人体组织结构，可同时用于组织血氧饱和度和脉搏血氧饱和度的标定。
附图说明
图1是本发明的标定流程图。
图2是利用本发明的实现组织血氧饱和度标定的实施例流程图。
图3是利用本发明的实现脉搏血氧饱和度标定的实施例流程图。
图4是本发明的结构示意图。
图5是本发明的使用示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作详细说明。
参照图1，一种反射式血氧探头或测量装置的标定方法，参照图1，包括以下步骤：
步骤一：参见图4，组装一种用于反射式血氧探头及测量装置标定的模拟装置；包括容器1，容器1材质为光学特性接近人体头盖骨的环氧树脂，容器1为偏心缸，顶部无盖，两侧厚度不同，厚侧用于模拟成人头盖骨，薄侧用于模拟婴幼儿头盖骨；容器1内放置有液态仿体4，A导管2的一端与泵8的出口连接，另一端置于仿体4内，B导管3的一端与泵8的的入口端相连，另一端置于仿体4内。参见图5，可使用夹子对A导管2加以固定。箭头指向表示泵8工作时，仿体4在A导管2及B导管3中的流向。
步骤二：向仿体4通入氧气5；
步骤三：将待标定反射式血氧探头或测量装置的信号采集端安装于容器1外侧壁；
步骤四：通入氧气5后，通过校准对照仪器7测量仿体氧饱和度，待仿体4氧饱和度不再上升时，即仿体4氧饱和度已接近饱和，停止通入氧气5；
步骤五：加入适量还原剂6，迅速搅拌均匀，待校准对照仪器7测量仿体4氧饱和度数值稳定，即仿体4氧合状态较为稳定时，使用反射式血氧测量装置、校准对照仪器7同时测量仿体4氧饱和度，对反射式血氧探头或测量装置进行标定，包括标定组织血氧饱和度和标定脉搏血氧饱和度；标定脉搏血氧饱和度时，使用泵8，使流经其中的仿体4产生脉动流，模拟动脉脉动；
参照图2，标定组织血氧饱和度，具体方法是：
组织血氧饱和度rSO2的计算选用近端和远端的信号进行计算。其中，所述的近端为光源距探测器2cm，远端为光源距探测器3cm。
首先对采集的近端和远端的近红外光谱信号进行10Hz低通滤波，获得入射光信号经过人体组织衰减之后的信号。根据公式(1)计算出组织对红光和近红外光信号的吸收系数之比。其中，所述的红光波长735nm，所述的近红外光波长850nm。
Figure BDA0002649913400000061
其中，μa是组织对近红外光的吸收系数，μs′是组织对近红外光的约化散射系数，L是光源与探测器的距离；然后最后根据公式(2)计算rSO2的值。
Figure BDA0002649913400000062
其中，
Figure BDA0002649913400000063
为不同波长下HbO2和Hb的消光系数。
参照图3标定脉搏血氧饱和度，具体方法是：
使用光电容积脉搏波扫描法计算脉搏血氧饱和度SpO2。
脉搏血氧饱和度SpO2的计算选用表层的信号进行计算，待标定反射式血氧探头或测量装置的信号采集端安装于容器1薄侧外侧壁。其中，所述的表层为光源距探测器1cm。
计算过程中需要的信号至少包含一个心动周期。首先，采集记录一段时间的信号(5～10秒)，并标记出每个心动周期的起始点和结束点。然后对一个心动周期内的近端红光信号和近红外信号进行带通滤波，滤除直流和高频信号，找出一个心动周期内采样点的最大值和最小值，计算差值，结果分别代表容积脉搏波的交流成分，分别记为
Figure BDA0002649913400000064
和
Figure BDA0002649913400000065
再对一个心动周期内的近端红光信号和近红外信号的所有采样点进行求和，结果代表容积脉搏波的直流成分，分别记为
Figure BDA0002649913400000066
和
Figure BDA0002649913400000067
容积脉搏波的交流成分IAC远远小于容积脉搏波的直流成分IDC，即
Figure BDA0002649913400000068
根据公式(3)计算SpO2的值。
Figure BDA0002649913400000071
其中，
Figure BDA0002649913400000072
称为血氧饱和度系数。令
Figure BDA0002649913400000073
在实际应用中，考虑到光散射的影响，常常将公式(3)修正为公式(4)。
SpO2＝A1R2+B1R+C1 (4)
其中，系数A1，B1和C1可利用经验曲线确定，SpO2的计算转换为血氧饱和度系数R值的计算。
步骤六：重复步骤五，直至待标定反射式血氧探头或测量装置整个检测范围标定完毕；
步骤七：可向仿体4重新通入氧气5，重复步骤四、五，直接进行下一个反射式血氧探头或测量装置的标定。
加入还原剂后，可轻微搅拌仿体以加快反应，但搅拌过程中尽量避免靠近待标定反射式血氧探头或测量装置的信号采集端。
氧饱和度越低，仿体4对还原剂7越敏感。刚开始标定时加入还原剂7量较多，但后期所需还原剂7会逐渐减少。还原剂可试探性加入，以防一次加入过多而使氧饱和度急速下降，减少一次标定的数据量。
可使用为避免标定过程中外部光线对待标定的反射式血氧探头或测量装置的信号采集端的影响，可用黑色不透明物品将信号采集端周围包裹。同时，测量时应关闭室内电灯。而且，在测量时用黑色不透明物品遮盖在容器1顶端，可尽可能减少外部光线带来的测量误差。

Claims (5)

1.一种反射式血氧探头或测量装置的标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：组装一种用于反射式血氧探头及测量装置标定的模拟装置；包括容器（1），容器（1）材质为光学特性接近人体头盖骨的环氧树脂，容器（1）为偏心缸，顶部无盖，两侧厚度不同，厚侧用于模拟成人头盖骨，薄侧用于模拟婴幼儿头盖骨；容器1内放置有仿体（4），A导管2的一端与泵（8）的出口连接，另一端置于仿体（4）内， B导管（3）的一端与泵（8）的入口端相连，另一端置于仿体（4）内；
步骤二：向仿体（4）通入氧气（5）；
步骤三：将待标定的反射式血氧探头或测量装置的信号采集端安装于容器（1）外侧壁；
步骤四：通入氧气（5）后，通过校准对照仪器（7）测量仿体（4）氧饱和度，待仿体（4）氧饱和度不再上升时，即仿体（4）氧饱和度已接近饱和，停止通入氧气（5）；
步骤五：加入还原剂（6），搅拌均匀，待校准对照仪器（7）测量仿体（4）氧饱和度数值稳定，即仿体（4）氧合状态较为稳定时，使用反射式血氧探头或测量装置、校准对照仪器（7）同时测量仿体（4）氧饱和度，对反射式血氧探头或测量装置进行标定，标定包括标定组织血氧饱和度和标定脉搏血氧饱和度；标定脉搏血氧饱和度时，使用泵（8），使流经其中的仿体（4）产生脉动流，模拟动脉脉动；
步骤六：重复步骤五，直至待标定反射式血氧探头或测量装置整个检测范围标定完毕；
步骤七：可向仿体（4）重新通入氧气（5），重复步骤四、五，直接进行下一个反射式血氧探头或测量装置的标定。
2.根据权利要求1所述的一种反射式血氧探头或测量装置的标定方法，其特征在于，所述的氧气（5）由氧气瓶提供。
3.根据权利要求1所述的一种反射式血氧探头或测量装置的标定方法，其特征在于，所述的还原剂（6）包括酵母或连二亚硫酸钠Na2S2O4。
4.根据权利要求1所述的一种反射式血氧探头或测量装置的标定方法，其特征在于，所述的校准对照仪器（7）包括血气分析仪或血氧仪，用于测量仿体（4）氧饱和度。
5.根据权利要求1所述的一种反射式血氧探头或测量装置的标定方法，其特征在于，所述的泵（8）为容积式或脉动式血泵，用于使流经其中的仿体（4）产生脉动流，模拟动脉脉动。
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