CN112903609A - 一种无需校正的双波长静脉血氧饱和度测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种无需校正的双波长静脉血氧饱和度测量方法，包括以下步骤：通过DAC控制红光与红外光二极管发光，使用光频传感器接收透射光，将透光信号转换为对应的频率信号f，然后将得到的频率数据f和f′通过MCU上传到计算机中，再经过推导得到的公式计算即可得出血氧饱和度。本发明是解决了传统静脉血氧饱和度测量中的费时费力、步骤复杂、成本高等缺点，开发了一种简便、快速、准确的静脉氧饱和度测量方法。同时该方法可以实现实时测量静脉血氧饱和度，可应用于体外便携式测量器械。
Description
技术领域
本发明涉及生物医学领域，具体涉及一种无需校正的双波长静脉血氧饱和度测量方法。
背景技术
血液中O2的含量情况，对临床医生判断采取哪一种治疗手段具有重要参考意义。临床表明这些成分异常的病人，往往具有较大的并发症危险，因此不能及时正确的测量会导致误诊甚至危机病人的生命。所以患者血气的监测，已经成为危重病人监护室、心脏病人监护室、手术室和急诊等部门必不可少的测试项目。目前医院的血气测量主要为测试SpO2(动脉氧饱和度)，此测量方法已经发展成熟。然而事实上SaO2体现的是心肺功能，是个全局(非局部)血氧代谢参数，与局部组织的血氧代谢状况关联性不强，而SvO2(静脉血氧饱和度)反应的是动脉血灌注组织并被组织利用后剩余的氧含量，更能直接反映局部组织的氧代谢及健康状况，若要正确判断病人组织器官的氧耗情况、氧代谢是否正常，则必须测量SvO2，通过两者的差判断氧代谢情况。
血液中的血红蛋白包括还原血红蛋白和氧合血红蛋白，静脉血氧饱和度等于血液中氧合血红蛋白浓度占血液中所有血红蛋白浓度的百分比。传统的SvO2测量方法是先进行人体采血，再利用血气分析仪对人血中的酸碱度(PH)、二氧化碳分压(PCO2)和氧分压(PO2)进行电化学测量分析。然后通过血氧分压PO2才能进一步计算出静脉血氧饱和度SvO2。测量过程需要静脉穿刺或插管，采用光谱比对的方法。虽然该方法能提供准确的静脉血氧饱和度，但存在费时费力、步骤复杂、成本高等缺点。通常在深低温体外循环手术或产程中胎儿监护中得到使用，不具有便携式测量优势。
光谱实验表明，在红光区附近，还原血红蛋白(Hb)的摩尔吸光系数较大，而在红外光区附近，氧合血红蛋白(HbO)的吸光系数较大。利用两种血红蛋白对不同波长光的吸收系数不同，采取双波长透射式测量法，通过测量组织吸收光强度的变化可以计算出血氧饱和度。现在国内外血氧饱和度测量普遍采用脉搏式血氧仪，测量装置基本结构包括血氧传感器和信号处理装置。血氧传感器是由双发光二极管、光电二极管以及相关机械结构构成，是比较常见的医疗传感器。双发光二极管提供了测量所需的两种不同波长的光，一般为红光发光二极管和红外光发光二极管。光电二极管一般是把通过组织末端的带有血氧饱和度信息的光信号转换成电信号。信号处理装置将该电信号进行数字化，并采用基于朗伯特-比尔定律得出的算法计算出血氧饱和度。
然而，本申请发明人通过研究发现，现有的血氧仪主要为测量动脉氧饱和度设计，并且操作复杂、测量成本较高。因此，开发一种简便、快速、准确的静脉氧饱和度测量方法，具有重要的研究和临床应用意义。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种无需校正的双波长静脉血氧饱和度测量方法。
本发明提出的一种无需校正的双波长静脉血氧饱和度测量方法，其步骤如下：
S1：测量样品：通过两束不同波长的红光和红外光分别照射样品和空白样，并将得到的信号使用光频传感器收集；
S2：信号转换：通过单片机将步骤S1所述的光频传感器收集到的信号转化为频率信号；
S3：数字记录：通过数模转化器将步骤S2中所述的频率信号转换为模拟信号，并传输到电脑软件记录；
S4：公式计算：通过血氧计算公式将步骤S3中所记录的数据进行计算，得到静脉氧饱和度。
优选的，所述的测量装置包括发光二极管若干、样品池若干、含光频转换芯片的血氧探头若干、单片机若干、数模转换器若干、带有记录和计算的程序的电脑若干、遮光罩若干。
优选的，所述的发光二极管可分别发射红光和红外光，其中红光波长为660nm，红外波长为905nm；所述的样品池为一个或多个，可单独测量，可同时测量；所述的含光频转换芯片的血氧探头为一个或多个，可同时测量，可单独测量；所述单片机为STM32F10；所述的数模转换器包括权电阻网络、运算放大器、基准电源和模拟开关，可控制红光二极管和红外二极管同时或交替发光；所述的带有记录和计算的程序可以记录测量的数值，并将数值通过计算得到样品的血氧饱和度；
优选的，所述程序使用的计算血氧饱和度的计算公式如下：
优选的，血氧饱和度计算公式推导过程如下：
静脉血氧饱和度(SvO2)可表示为：
其中cHb，
分别表示血液中还原血红蛋白和氧合血红蛋白的浓度；
Lambert-Beer定律：假设波长为λ，光强度为I0，则通过血液的透光强度为
其中ε0是溶液的吸光系数，c0是溶液的浓度，l0代表光程；
设m为不含血红蛋白的其他血液成分以及导管材料等多种影响因子综合的对光的吸收度，记为m，假设m的值不受光波长影响(无校正)；使用波长为λ1和λ2的红光和红外光；则透射光强与入射光强的关系：
简单变换得：
两边取对数得：
上下两式相除得：
移项有：
可推出还原血红蛋白浓度与氧合血红蛋白浓度的关系有：
可得血氧饱和度为：
其中，
设光强与频率满足公式I＝af，则有：
其中，
其中，f为入射光的对应频率，f′为透射光的对应频率。
优选的，在固定直径以及材料的导管，其他血液成分对红光及红外光谱不具有特殊的吸收特性，所述的m为一常数。
优选的，实际使用的光波长为660nm和905nm，它们吸光系数的值存在差异，通过定量测得
的值，可计算得静脉血氧的浓度值为：
光频芯片在中间段输出频率与光照强度符合线性关系，假设为I＝af，则：
代入上述血氧计算公式
优选的，只需测量出两种波长(红光和红外光)下的入射光强与透射光强即可算出静脉血氧饱和度。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
本发明是为了解决传统静脉血氧饱和度测量中的不足而提出的，将该方法应用于静脉血氧饱和度测量系统时可以实现实时测量静脉血氧饱和度，大大节省了测量时间，并减少病人感染风险。可以应用于体外便携式测量器械以测量静脉血氧饱和度，增加静脉血氧饱和度测量的便捷度。
附图说明
图1为本发明提出的一种无需校正的双波长静脉血氧饱和度测量方法的电路图。
具体实施方式：
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作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。
实施例1：
一种无需校正的双波长静脉血氧饱和度测量方法，测量结果如下：
实验使用高浓度动物血，暗光环境，在排除了单片机电压不稳的影响进行：
| 1.5kΩ | 红光装水 | 红外光水 | 红光血液 | 红外光血液 | 无光装水 |
| 频率(HZ) | 163265 | 49079 | 22535 | 9200 | 230 |
使用频率值计算可得
实施例2：
一种无需校正的双波长静脉血氧饱和度测量方法，测量结果如下：
通过改变电阻的阻值来改变入射光强度，分析在不同光强下的浓度值
| 1kΩ | 红光装水 | 红外光装水 | 红光装血液 | 红外光装血液 |
| 频率(HZ) | 250000 | 78431 | 32128 | 15110 |
实施例3：
一种无需校正的双波长静脉血氧饱和度测量方法，测量结果如下：
| 2kΩ | 红光装水 | 红外光装水 | 红光装血液 | 红外光装血液 |
| 频率(HZ) | 121212 | 34042 | 17167 | 7525 |
可见，通过无校正的双波长静脉血氧饱和度测量方法可以测量出静脉血样浓度，其中血氧浓度有所降低则是由实验顺序造成的，与测量方法无关。
Claims (8)
1.一种无需校正的双波长静脉血氧饱和度测量方法，其特征在于：操作步骤依序如下：
S1：测量样品：通过两束不同波长的红光和红外光分别照射样品和空白样，并将得到的信号使用光频传感器收集；
S2：信号转换：通过单片机将步骤S1所述的光频传感器收集到的信号转化为频率信号；
S3：数字记录：通过数模转化器将步骤S2中所述的频率信号转换为模拟信号，并传输到电脑软件记录；
S4：公式计算：通过血氧计算公式将步骤S3中所记录的数据进行计算，得到静脉氧饱和度。
2.根据权利要求1所述的一种无需校正的双波长静脉血氧饱和度测量方法，其特征在于：所述的测量装置包括发光二极管若干、样品池若干、含光频转换芯片的血氧探头若干、单片机若干、数模转换器若干、带有记录和计算的程序的电脑若干、遮光罩若干。
3.根据权利要求2所述的一种无需校正的双波长静脉血氧饱和度测量方法，其特征在于：所述的发光二极管可分别发射红光和红外光，其中红光波长为660nm，红外波长为905nm；所述的样品池为一个或多个，可单独测量，可同时测量；所述的含光频转换芯片的血氧探头为一个或多个，可同时测量，可单独测量；所述单片机为STM32F10；所述的数模转换器包括权电阻网络、运算放大器、基准电源和模拟开关，可控制红光二极管和红外二极管同时或交替发光；所述的带有记录和计算的程序可以记录测量的数值，并将数值通过计算得到样品的血氧饱和度。
4.根据权利要求1所述的一种无需校正的双波长静脉血氧饱和度测量方法，其特征在于：所述程序使用的计算血氧饱和度的计算公式如下：
5.根据权利要求4所述的一种无需校正的双波长静脉血氧饱和度测量方法，其特征在于：血氧饱和度计算公式推导过程如下：
静脉血氧饱和度(SvO2)可表示为：
其中cHb，
分别表示血液中还原血红蛋白和氧合血红蛋白的浓度；
Lambert-Beer定律：假设波长为λ，光强度为I0，则通过血液的透光强度为：
其中ε0是溶液的吸光系数，c0是溶液的浓度，l0代表光程；
设m为不含血红蛋白的其他血液成分以及导管材料等多种影响因子综合的对光的吸收度，记为m，假设m的值不受光波长影响(无校正)；使用波长为λ1和λ2的红光和红外光；则透射光强与入射光强的关系：
简单变换得：
两边取对数得：
上下两式相除得：
移项有：
可推出还原血红蛋白浓度与氧合血红蛋白浓度的关系有：
可得血氧饱和度为：
其中，
设光强与频率满足公式I＝af，则有：
其中，
其中，f为入射光的对应频率，f′为透射光的对应频率。
6.根据权利要求5所述的一种无需校正的双波长静脉血氧饱和度测量方法，其特征在于：在固定直径以及材料的导管，其他血液成分对红光及红外光谱不具有特殊的吸收特性，所述的m为一常数。
7.根据权利要求5所述的一种无需校正的双波长静脉血氧饱和度测量方法，其特征在于：实际使用的光波长为660nm和905nm，通过定量测得
的值，可计算得静脉血氧的浓度值公式为：
光频芯片在中间段输出频率与光照强度符合线性关系，假设为I＝af，则：
代入上述血氧计算公式
8.根据权利要求7所述的一种无需校正的双波长静脉血氧饱和度测量方法，其特征在于：只需测量出两种波长(红光和红外光)下的入射光强与透射光强即可算出静脉血氧饱和度。
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