CN116849650A - 全光纤光路的血氧含量传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种全光纤光路的血氧含量传感器。其特征是：它由两组半导体光源(LED或LD)及其驱动电路，一个高灵敏度光电探测器(APD)及其光电转换放大电路，光纤宽带耦合器，宽带三端口环形器，控制模块，数据采集模块和计算机组成。其中计算机可以通过指令来操作控制模块和数据采集模块，从而实现光发射信号和后向反射接收探测信号的控制，并对数据采集模块所采集的信号进行分析与计算。本发明能够测量血氧饱和度(SaO2)，也可与Edwards的Swan‑GanzOximetry导管和Getinge的CeVOX导管兼容，用于肺动脉血管中的混合静脉血氧饱和度(SvO2)和中心静脉血管中的中心静脉氧饱和度(ScvO2)的监测。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是一种全光纤光路的血氧含量传感器，是一种既能够用于常规介入手术的血氧饱和度测量、又能够用于专门的肺动脉混合静脉血氧饱和度和中心静脉血管中的中心静脉氧饱和度测量的传感器。属于医用仪器测量技术领域。
(二)背景技术
大多数活细胞依靠氧化代谢过程来产生维持其各种功能所需的能量。这意味着必须提供足够的氧气来满足这些细胞的需求。缺氧对机体有着巨大的影响，甚至在严重低氧状况时直接威胁到人的生命，因此在医学上动脉氧浓度的实时监测在患者手术过程中以及在临床救护中都十分重要。
氧气在血液中有两种形式。其中约98％的氧气与红细胞中含有的血红蛋白分子结合，其余部分则溶解在血浆和红细胞中。血氧饱和度(SaO2)是血液中被氧结合的氧合血红蛋白(HbO2)的容量占全部可结合的血红蛋白(Hb)容量的百分比，即血液中血氧的浓度，它是呼吸循环的重要生理参数。而功能性氧饱和度为HbO2浓度与HbO2+Hb浓度之比，有别于氧合血红蛋白所占百分数。因此，监测动脉血氧饱和度(SaO2)可以对肺的氧合和血红蛋白携氧能力进行估计。正常人体动脉血的血氧饱和度为98％，静脉血为75％。
在医疗监护中，除了心电、血压等之外，人体血液中的氧浓度即血氧饱和度(SaO2)的测定在临床上也有十分重要的意义。在外科手术或危重病人的监护中,避免病人缺氧,及时了解血液中氧含量是十分必要的。
通过血氧计获得的信息可用于患者疾病的诊断和监测。手术期间对病人监测可用于确定病人体循环或呼吸状态的变化并对异常情况预警。在心脏病学中，通过检测血氧含量有助于确定某些心脏缺陷。
在监测人体血氧的仪器中，目前主要有两类：第一类是是基于光电传感技术的指端透射式血氧监测和基于反射式光电传感技术的耳端或额头的血氧监测仪器，这类技术使用方便，操作简单，但因为都是在循环系统末端采集血液中的血氧状态，一般都会产生一定的时延，不能同步反应监测到的血氧状态与人体氧供状态。第二类是心肺手术过程中，需要插入肺动脉的Swan-Ganz辅助导管，该探测系统通常是借助于两根光纤的嵌入实现混合静脉血氧(SvO2)的监测，由于两根光纤占据的空间较大，因而有必要进一步集成以便节省原本就十分狭小的导管空间。
为了克服在先技术的不足，进一步提高集成度，缩小核心光学器件的体积。本发明提出的一种全光纤光路的血氧含量传感器，本发明即能用于常规介入手术期间患者的血氧饱和度参量(SaO2)的监测，也可与Edwards的Swan-Ganz Oximetry导管和Getinge的CeVOX导管兼容，分别用于肺动脉血管中的混合静脉血氧饱和度(SvO2)和中心静脉血管中的中心静脉氧饱和度(ScvO2)的监测。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种全光纤光路的血氧含量传感器。
本发明的目的是这样实现的：
一种全光纤光路的血氧含量传感器，其特征是：它由两组半导体光源(LED或LD)1及其驱动电路2，一个高灵敏度光电探测器3(APD)及其光电转换放大电路4，光纤宽带耦合器5，宽带三端口环形器6，控制模块7，数据采集模块8和计算机组9成。其中计算机9可以通过指令来操作控制模块7和数据采集模块8，从而实现光发射信号和后向反射接收探测信号的控制，并对数据采集模块8所采集的信号进行分析与计算。本发明能够测量血氧饱和度(SaO2)，也可与Edwards的Swan-Ganz Oximetry导管和Getinge的CeVOX导管兼容，通过一根光纤探针，分别用于肺动脉血管中的混合静脉血氧饱和度(SvO2)和中心静脉血管中的中心静脉氧饱和度(ScvO2)的监测。
一种全光纤光路的血氧含量传感器，其特征是：所述的两组半导体光源1的波长分别为：处于血红蛋白(Hb)变化敏感范围的红光(660nm)；氧合血红蛋白(HbO2)变化较为敏感范围的红外光源(910nm)；
一种全光纤光路的血氧含量传感器，其特征是：所述的光源驱动电路2具有电流可调节功能，可通过调节电流的大小来改变半导体光源1(LED或LD)的发光强弱；
一种全光纤光路的血氧含量传感器，其特征是：所述的高灵敏度光电探测器3(APD)及其光电转换放大电路4的探测范围应与权利要求3所述的光源驱动电路2的电流调节范围相匹配；
一种全光纤光路的血氧含量传感器，其特征是：所述的光纤宽带耦合器5及宽带三端口环形器6均由大芯径光纤制备而成，光纤芯径的扩大，增加了后向散射光接收的有效面积，提高了探测的灵敏度；
血液主要是由55％的血浆和45％的血球组成的。55％的血浆中90％为水分，此外还包括少量的蛋白质、糖类、脂肪、钾、钙、钠、镁等离子；45％的血球中包括红血球、白血球和血小板，其中白血球约是红血球的千分之一，血小板是红血球的百分之一到千分之一之间。因此，可以视为血球的99％都是红血球。红血球之所以能运输氧气是因为其中的血红蛋白(Hb)能与肺部所获得氧气结合成氧合血红蛋白(HbO2)，然后将氧气从肺部运送到身体其他周围组织，并将氧气交换为二氧化碳，再将二氧化碳带回肺部进行氧气交换。
所以，血红蛋白(Hb)通常作为血液样本中全血细胞计数的一部分进行测量。大多数活细胞依靠氧化代谢过程来产生维持其各种功能所需的能量。这意味着必须提供足够数量的氧气来满足这些细胞的需求，氧气在血液中有两种形式。其中约98％与红细胞中含有的血红蛋白分子做可逆结合，而其余部分则溶解在血浆和红细胞中。
比尔-朗伯定律(Beer-Lambert's law)描述了光通过含有吸收物质的均匀介质时的光强度变化情况，其中I(λ)0和I(λ)为入射光和透射光，ε(λ)为吸收物质在特定波长下的消光系数，D为吸收物质的浓度，L为沿介质的光程长度。
I(λ)＝I(λ)0e-ε(λ)DL (1)
如果有多于一种吸收物质存在，比尔-朗伯定律也成立。每种吸收物质贡献总吸光度的一部分。于是有n种吸收物质的介质的总吸光度为：
因此，如果在n个不同波长下测量光的吸光度，并且知道这些物质的消光系数，比尔-朗伯定律就可以确定n种不同物质的浓度。
假设光源(发光二极管LED或半导体激光器LD)产生不同的输出光强度。因此，为了比较几个不同波长作用下，物质的吸收情况，有必要进行归一化处理。假设所有光波通过吸光物质的光程长度都相同(即Li＝d)，可定义为：
于是有：
X(λ)＝ε1(λ)D1+ε2(λ)D2+…+εn(λ)Dn (4)
由(4)式可知，若各种物质的消光系数εi是已知的，则待测物质的浓度Di就可以通过上式求解出来，换句话说，若要求出液体中n种物质的浓度，就需要通过n个波长的光的测量，然后联立方程(4)就可以求解出来。
血氧法的测量原理就是基于血红蛋白和氧合血红蛋白不同的吸光度特性和光强度的变化来给出测量结果的。在血氧饱和度测量中，血氧饱和度定义为:
于是根据式(4)，只需要采用两个不同的波长，就可以得到下述联立方程
求解上述联立方程，得
于是，由式(5)，得
因此，进行血液相关参量测量时，例如，血氧饱和度(SaO2)、肺动脉的混合血氧饱和度(SvO2)测量时，我们主要考虑两种物质成分的光谱吸收：血红蛋白(Hb)、氧合血红蛋白(HbO2)，通过这两种物质的测量来实现血液相关参数的测量。
相比于在先技术，本发明的突出优点在于：
(1)本发明采用单根大芯径光纤作为探针，将多个光路集成到一根可弯曲的纤维之内，这大大减小了光学核心器件的体积，并且具备有传统多根光纤不具备的灵活性，更加适用于活体组织内的介入式血氧饱和度参量的监测；
(2)本发明采用了宽带三端口环形器，如图4，由于该器件是一个光路不可逆器件，光只能沿着一个方向传播，因此通过环形器将光纤出射光与后向反射光进行分离，降低了光线之间的相互干扰；
(3)本发明不仅可以测量混合静脉血氧饱和度(SvO2)和中心静脉血管中的中心静脉氧饱和度(ScvO2)而且能够用于常规介入手术血氧饱和度(SaO2)的测量，通过同一个光纤探针，可以同时测到血液中的各项血氧参数；
(4)本发明能够实现与Edwards的Swan-Ganz Oximetry导管和Getinge的CeVOX导管兼容在心肺手术中测量混合静脉血氧饱和度(SvO2)和中心静脉血管中的中心静脉氧饱和度(ScvO2)；
(5)本发明采用大芯径光纤，光纤芯径的扩大，增加了后向散射光接收的有效面积，提高了探测的灵敏度。
(四)附图说明
图1是全光纤光路的血氧含量传感器的示意图。图中1为两组半导体光源(LED或LD)，2为光源的驱动电路，3是高灵敏度光电探测器(APD)，4是光电转换放大电路，5是2x1光纤宽带耦合器，6是宽带三端口环形器，6-1表示宽带三端口环形器光回路，7是控制模块，8是数据采集模块，9是计算机。
图2是大芯径光纤的端面示意图。
图3是宽带三端口环形器的光路示意图。
图4是血液中血红蛋白(Hb)和氧合血红蛋白(HbO2)在光源波长区间内(600nm～1000nm)的吸收系数曲线图。
图5是全光纤光路的血氧含量传感器的示意图。图中1为两组半导体光源(LED或LD)，2为光源的驱动电路，3是高灵敏度光电探测器(APD)，4是光电转换放大电路，5是2x2光纤宽带耦合器，6是宽带三端口环形器，6-1表示宽带三端口环形器光回路，7是控制模块，8是数据采集模块，9是计算机。
(五)具体实施方式
下面以图1所示的全光纤光路的血氧含量传感器为例，对本发明进行具体的说明。
图1是全光纤光路的血氧含量传感器示意图。图中1为两组半导体光源(LED或LD)，本发明采用了两个个典型的光源波长：处于血红蛋白(Hb)变化敏感范围的红光(660nm)；氧合血红蛋白(HbO2)变化较为敏感范围的红外光源(910nm)；2是光源的驱动电路，具有电流可调节功能，可通过调节电流的大小来改变半导体光源1(LED或LD)的发光强弱；3是一个高灵敏度光电探测器(APD)，与宽带三端口环形器相连，接收来自探测端反射回来的接收光信号；4是光电转换放大电路，探测范围应与光源驱动电路2的电流调节范围相匹配。5是光纤宽带耦合器，6是宽带三端口环形器，7是控制模块，8是数据采集模块，9是计算机，计算机9可以通过编程来操作控制模块来控制每个光源驱动电路2，通过改变控制模块7的输出电压来改变光源驱动电路2的输出电流，以此来改变光源1的发光强弱，从而实现光发射信号和后向反射接收探测信号的控制；并对数据采集模块8所采集的信号进行计算与分析得到所需测量的血氧参数。
下面根据具体实施例来进一步阐述本发明。
【实施例1】：2x1光纤宽带耦合器的全光纤光路的血氧含量传感器。
系统的组成如图1所示，其中光源的驱动电路2是按照控制模块7的指示控制光源1发光，光源1通过2x1光纤宽带耦合器5与宽带三端口环形器6的port1相连。
本实施例，图1所示系统中，3是一个高灵敏度光电探测器(APD)，与宽带三端口环形器6的port3连接，接收来自探测端反射回来光信号；4是光电转换放大电路，将所接收的光信号转换放大送入数据采集模块8。
本实施例，图1所示系统中，控制模块7通过计算机9的指令来控制光源1的每个驱动电路2，从而实现光信号的发射并由数据采集模块8完成后向反射信号的采集。数据采集模块8将所采集到的信号反馈到计算机9，通过计算机9对信号进行分析与计算得到所需的血氧参数。
本实施例，图1所示系统中，所采用的大芯径光纤如图2所示，光纤芯径的扩大，增加了后向散射光接收的有效面积，提高了探测的灵敏度。
【实施例2】：2x2光纤宽带耦合器的全光纤光路的血氧含量传感器。
本实施例也是通过实施例1所述方法实现的，其主要区别在于：
(1)如图5所示，本实施例采用2x2光纤宽带耦合器替代了实施例1中的2x1光纤宽带耦合器。
(2)如图5所示，本实施例将2x2光纤宽带耦合器的一个通道与高灵敏度光电探测器3(APD)及其光电转换放大电路4相连接，实现了输出光信号的自监控，消除了光源自身波动带来的误差，提高了测量的精度。
本实施例，图5所示系统中，由于对光源进行了自监控，在测试过程中可以根据数据采集模块8所反馈的信号作为参考，再通过计算机9操作控制模块7对光源驱动电路2进行控制来调节光源1的强弱，进一步提高测量的精度。
在说明书和附图中，已经公开了本发明的典型实施方式。本发明不限于这些实例性实施方式。具体术语仅仅用作通用性和说明性意义，并不是为了限制本发明的受保护范围。
Claims (5)
1.一种全光纤光路的血氧含量传感器，其特征是：它由两组半导体光源1(LED或LD)及其驱动电路2，一个高灵敏度光电探测器3(APD)及其光电转换放大电路4，光纤宽带耦合器5，宽带三端口环形器6，控制模块7，数据采集模块8和计算机9组成；其中计算机9可以通过指令来操作控制模块7和数据采集模块8，从而实现光发射信号和后向反射接收探测信号的控制，并对数据采集模块8所采集的信号进行分析与计算。本发明能够测量血氧饱和度(SaO2)，也可与Edwards的Swan-GanzOximetry导管和Getinge的CeVOX导管兼容，用于肺动脉血管中的混合静脉血氧饱和度(SvO2)和中心静脉血管中的中心静脉氧饱和度(ScvO2)的监测。
2.根据权利要求1所述的全光纤光路的血氧含量传感器，其特征是：所述的两组半导体光源1的波长分别为，处于血红蛋白(Hb)变化敏感范围的红光(660nm)；氧合血红蛋白(HbO2)变化较为敏感范围的红外光(910nm)。
3.根据权利要求1所述的全光纤光路的血氧含量传感器，其特征是：所述的光源驱动电路2具有电流可调节功能，可通过调节电流的大小来改变半导体光源1(LED或LD)的发光强弱。
4.根据权利要求1所述的全光纤光路的血氧含量传感器，其特征是：所述的高灵敏度光电探测器3(APD)及其光电转换放大电路4的探测范围应与权利要求3所述的光源驱动电路2的电流调节范围相匹配。
5.根据权利要求1所述的全光纤光路的血氧含量传感器，其特征是：所述的光纤宽带耦合器5及宽带三端口环形器6均由大芯径光纤制备而成，光纤芯径的扩大，增加了后向散射光接收的有效面积，提高了探测的灵敏度。
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