CN1223844C - 可修正外层组织影响的组织血氧参数检测方法 - Google Patents

Abstract

基于漫射光的生物组织血氧代谢无损监测方法及其系统属于生物医学工程技术领域，其特征在于：它使三个不同位置上且每一个均可分别发出两个波长光的发光二极管依次在小于0.5ms的时间间隔内顺序发光，再由一个位于上述三个发光二极管一侧的光电检测器依次检测来自上述三个发光二极管的经过深层组织的漫射出的光的光强，并由此依次计算出光密度OD及待测组织的血氧饱和度，它可精确地给出组织血氧饱和度，系统结构简单更适合实用要求。

Description

可修正外层组织影响的组织血氧参数检测方法

技术领域

可修正外层组织影响的组织血氧参数检测方法属于生物医学工程领域。

背景技术

用近红外双波长光谱方法检测生物组织中的氧合(及还原)血红蛋白的变化量，这本身是国内外成熟的技术。但由于存在外层组织的影响(外层组织是指覆盖在待测组织之外的组织，如脂肪对肌肉的覆盖，头皮、颅骨和脑脊液对脑皮质的覆盖)，因此极大地影响了检测的精度。对这个问题，国外没有相关专利的文献，国内已公开的三个相关专利(其公开号分别为CN1333001A，CN1331953A，CN1365649A)都是采用在一条直线上排列的与光源不等距离的多个光敏二报管的方法，认为离光源近处的信号仅与外层组织有关，而与距光远距离的信号中既包括外层组织和深层待测组织的信息，并用两个检测器接收的光强相减的方法以消除外层组织的影响，如图1所示，其中a为一个光源，b为检测器，c为探头，d为检测器，e为深层待测组织，f为外层组织。这种做法使系统结构复杂、信号弱灵敏度降低。本发明则采取另外一条思路。即是以外层组织的厚度为参数，推导出对测试结构进行修正的校正系数。以达到修正的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种修正外层组织影响的组织血氧检测方法而且检测系统的结构简单，检测精度也较高。

本发明的特征在于：它使用三个各自能分别发射波长为λ₁的红光和波长为λ₂的红外光的发光管与位于一侧的光电接收管组成传感器，三个发光光与光电接收器的中心距d为30mm，40mm和50mm，检测时根据外层组织的厚度从中选取具有能够的中心距的发光二极管，并只命令此发光二极管发光，根据检测到的波长分别为λ₁、λ₂的光密度OD^λ1，i＝1，2，来分别计算两个相邻采样时刻的氧合血红蛋白浓度的和还原血红蛋白浓度的改变量ΔCHbO2、ΔCHb，再考虑外层厚度的影响，把所计算得到的ΔCHbO2、ΔCHb除以小于1的校正因子，便可得到修正外层组织厚度影响后的ΔCHbO2、ΔCHb的值；以上所述的方法依次有以下步骤；

(1)根据测试的对象和测试的部位，用超声方法测定外层组织厚度根据外层组织的厚度择定一个与光电接收管的距离d的发光二极管；

(2)检测在已选定的发光管的光电撞收管的中心距离下光密度值OD^λ1  i＝1，2；

其中，I_入为光源功率，I_出是入射光经过生物组织散射之后，光电接收管收到的光功率；

(3)检测血氧状态随时间变化过程中，两个相邻采样间隔的光密度OD^λ1之差OD_k ^λi

${\mathrm{\ΔOD}}_k^{\mathrm{\λi}}={\mathrm{OD}}_{t+1}^{\mathrm{\λi}}-{\mathrm{OD}}_t^{\mathrm{\λi}}$

其中，OD_t ^λi和OD_t+1 ^λi分别为波长为λ_i时，在t时刻及其后的t+1时刻的光密度之差；

(4)血氧状态随时间变化过程中，两个相邻采样时刻下，氧合血红蛋白的浓度变化是ΔCHbO2和还原血红蛋白浓度变化是ΔCHb，可用以下公式算出：

$\mathrm{\ΔCHb}{O}_2={\mathrm{\α}}_1\mathrm{\ΔO}{D}_k^{{\mathrm{\λ}}_1}-{\mathrm{\α}}_2\mathrm{\ΔO}{D}_k^{{\mathrm{\λ}}_2}$

$\mathrm{\ΔCHb}={\mathrm{\α}}_{3}O{D}_k^{{\mathrm{\λ}}_1}-{\mathrm{\α}}_4\mathrm{\ΔO}{D}_k^{{\mathrm{\λ}}_2}$

其中α₁-α₄为常数但与波长有关的，

波长为λ₁下

α₁为-1.6~-2.5，

α₃为2.6~3.85

波长为λ₂下

α₂为-2.5~-3.6，

α₄为0.6~1.6

(5)考虑外层组织厚度的影响，对上述ΔCHbO2、ΔCHb的值进行修正，即对其除以小于1的因子y：

y＝ax²+bx+c

其中，x为外层组织的厚度，x≥1mm；a、b、c可分别根据外层组织的类型取值。

当外层组织为头皮、颅骨、脑脊液的情况下，在测成人脑氧时，d为50mm；在测婴儿脑氧时，d为30mm。

当外层组织为肌肉的脂肪层厚度的情况下，在检测肌肉血氧参数而脂肪厚度大于15mm时，d值为50mm。

当外层组织为头皮、颅骨和脑脊液时，在校正因子y的计算公式中，a的取值为0.0015-0.0018，b取值为-0.08--0.093，c取值为1.01-1.05。

在检测肌肉血氧参数时，在校正因子y的计算公式中，a的取值为0.0012-0.0014，b取值为-0.093--0.097，c取值为1.01-1.05。

实验证明：本发明提出的方法把外层组织对深层的信号影响减小，同时还提高了光信号的强度，有利于提高检测精度，而且检测系统的电路也得到简化。

附图说明

图1现有检测方法示意图。

图2本发明检测方法示意图。

图3传感器外观布置图。

图4本发明提出的组织血氧参数检测中修正外层组织影响的的程序流程图。

图5硬件装置结构图。

图6为人体前臂阻断测试图。

图7全阻断的血氧变化和校正结果。

具体实施方式

为将外层组织对检测精度的影响减到最少。本发明首先要求根据待测对象外层组织的类型和厚度适当地确定传感器上的光源到检测器距离d。外层组织的厚度可由常规的超声技术获得。当外层组织愈厚，则距离应取较大的值，以保证光子能深入到待测的组织，根据经验和实验结果，当测成人脑氧，d取50mm，测婴儿脑d取30mm。当测肌肉而脂肪厚度大于15mm时，d取50mm，否则取40mm为宜。多层组织结构如图2所示。在图2中1是与光学传感器OPSU相距距离为r1的光源LS1，2是与光学传感器OPUS相距距离为r2的光源LS2，3是与光学传感器OPUS相距距离为r3的光源LS3，4是光学传感器OPSU，5为第1层组织并用T1表示，6为第2层组织并用T2表示7为第3层组织并用T3表示，在人体肌肉组织血氧测定的组织模型中，T1为皮肤，T2肌肉皮下组织，T3为肌肉组织；在人体脑血氧测定的组织模型中，T1为皮肤，T2为颅骨，T3为脑组织(灰质和白质)。b1、b2、b3为光子迁移的轨迹。要检测不同深度的组织，将LS放在与光传感器OPUS的不同距离上，LS3发光由OPUS检测的主要是T1层的信息，LS2发光由OPUS检测的是T1和T2层的信息，LS1发光由OPUS检测的主要是T1、T2层和T3层的信息。光源LS1、LS2、LS3到OPUS的距离为r₁，r₂，r₃。

如图3所示，传感器上的三个发光管1LED1、2LED2、3LED3与4光电接收管OPUS的中心距分别为50mm，40mm和30mm。在使用时根据肌肉的脂肪层厚度或脑部表皮和颅骨的厚度择定这三个距离中的一个距离并令此发光二极管发光，其余两个发光二极管则不发光。每个发光管应能分别发射两种波长的光。波长分别为红光及近红外光，下边以λ₁，λ₂表示不同波长。通过两波长对应的光密度OD的改变量计算出氧合血红蛋白变化量ΔHbO₂与还原血红蛋白变化量ΔHb。

由于存在外层组织影响，因此计算所得的ΔCHbO₂和ΔCHb都要小于实际的值。为此要除一个小于1的系数y。y的值取决于外层组织的厚度，其关系可以由仿真计算得到，也可以由实验得到。本发明认为它可以用二次曲线来进行表示。方程中的系数由实验事先决定。

本发明实施之后带来的效果可归纳为：(1)将使得不同外层组织厚度的受试者其测得的参数具有可比性，因而据此得出的结论才是可靠的，为正确的确定本发明经验公式中的a、b、c系数，是基于大量的仿真和实验工作。(2)在不同组织和相应的外层组织厚度下择定合适的检测距离。

本发明所述的程序流程框图见图4。

应用本发明所述方法构成的检测系统电路原理框图见图5。

依据漫射光原理设计出的典型硬件装置如图5所示。在使用时，首先利用超声方法测出外层组织厚度并将厚度值输入仪器。系统从三个发光二极管LED 1LS、2LS、3LS中选择其中的一个，选择的原则为：测成人脑氧，选LS1，婴儿取LS3，测肌肉当脂肪原大于15mm时，选LS1，小于15mm取LS2。由光电检测器4OPUS检测光强变化，OPUS选择2CU30S，4OPUS连至前置放大器TLC27L2将信号放大，在微控制器AT89C52控制下信号进入采样保持器LF398通过模拟数字转换器ADC TLC2543进行转换，转换结果存入存储器。由方法中给出的算法和步骤，计算出氧合血红蛋白变化量(ΔHbO₂)与还原血红蛋白变化量(ΔHb)并进行校正。

检测了人体前臂静脉、动脉全阻断情况。获得ΔC_HbO2、ΔC_Hb，用以模拟人体组织缺氧的状况和生理改变过程。图6为人体前臂阻断测试图。阻断压力为240mHg以上，系统稳定110秒后开始迅速加压，在阻断230秒后结束阻断。图7为全阻断的血氧变化结果，显示校正外层组织影响后的结果前臂全阻断的ΔC_HbO2、ΔC_Hb的变化曲线；*代表校正前的ΔC_Hb；o代表校正后的ΔC_Hb；+代表校正前的ΔC_HbO2；+代表校正后的ΔC_HbO2(皮肤和脂肪厚度＝5mm)。图8为现有方法未校正的曲线。

Claims (5)

1、可校正外层组织影响的组织血氧参数检测方法，包括用近红外双波长光谱方法检测生物组织中的氧合及还原的血红蛋白的变化量，其特征在于：它使用三个各自能分别发射波长为λ₁的红光和波长为λ₂的红外光的发光管与位于一侧的光电接收管组成传感器，三个发光光与光电接收器的中心距d为30mm，40mm和50mm，检测时根据外层组织的厚度从中选取具有能够的中心距的发光二极管，并只命令此发光二极管发光，根据检测到的波长分别为λ₁、λ₂的光密度OD^λ1，i＝1，2，来分别计算两个相邻采样时刻的氧合血红蛋白浓度的和还原血红蛋白浓度的改变量ΔCHbO2、ΔCHb，再考虑外层厚度的影响，把所计算得到的ΔCHbO2、ΔCHb除以小于1的校正因子，便可得到修正外层组织厚度影响后的ΔCHbO2、ΔCHb的值；以上所述的方法依次有以下步骤：

(1)根据测试的对象和测试的部位，用超声方法测定外层组织厚度根据外层组织的厚度择定一个与光电接收管的距离d的发光二极管；

(2)检测在已选定的发光管的光电接收管的中心距离下光密度值OD^λ1 i＝1，2；

其中，I_入为光源功率，I_出是入射光经过生物组织散射之后，光电接收管收到的光功率；

(3)检测血氧状态随时间变化过程中，两个相邻采样间隔的光密度OD^λ1之差OD_k ^λi

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{OD}}_k^{\mathrm{\λi}}=O{D}_{t+1}^{\mathrm{\λi}}-{\mathrm{OD}}_t^{\mathrm{\λi}}$

其中，OD_t ^λi和OD_t+1 ^λi分别为波长为λ_i时，在t时刻及其后的t+1时刻的光密度之差；

(4)血氧状态随时间变化过程中，两个相邻采样时刻下，氧合血红蛋白的浓度变化是ΔCHbO2和还原血红蛋白浓度变化是ΔCHb，可用以下公式算出：

$\mathrm{\ΔCHb}{O}_2={\mathrm{\α}}_1\mathrm{\Δ}{\mathrm{OD}}_k^{{\mathrm{\λ}}_1}-{\mathrm{\α}}_2\mathrm{\Δ}{\mathrm{OD}}_k^{{\mathrm{\λ}}_2}$

$\mathrm{\ΔCHb}={\mathrm{\α}}_3\mathrm{\Δ}{\mathrm{OD}}_k^{{\mathrm{\λ}}_1}-{\mathrm{\α}}_4\mathrm{\Δ}{\mathrm{OD}}_k^{{\mathrm{\λ}}_2}$

其中α₁-α₄为常数但与波长有关的，

波长为λ₁下

α₁为-1.6~-2.5，

α₃为2.6~3.85

波长为λ₂下

α₂为-2.5~-3.6，

α₄为0.6~1.6

(5)考虑外层组织厚度的影响，对上述ΔCHbO2、ΔCHb的值进行修正，即对其除以小于1的因子y：

y＝ax²+bx+c

其中，x为外层组织的厚度，x≥1mm；a、b、c可分别根据外层组织的类型取值。

2、根据权利要求1所述的可修正外层组织影响的组织血氧参数检测方法，其特征在于：当外层组织为头皮、颅骨、脑脊液的情况下，在测成人脑氧时，d为50mm；在测婴儿脑氧时，d为30mm。

3、根据权利要求1所述的可能修正外层组织影响的组织血氧参数检测方法，其特征在于：当外层组织为肌肉的脂肪层厚度的情况下，在检测肌肉血氧参数而脂肪厚度大于15mm时，d值为50mm。

4、根据权利要求1所述的可修正外层组织影响的组织血氧参数检测方法其特征在于：当外层组织为头皮、颅骨和脑脊液时，在校正因子y的计算公式中，a的取值为0.0015-0.0018，b取值为-0.08--0.093，c取值为1.01-1.05。

5、根据权利要求1所述的可修正外层组织影响的组织血氧参数检测方法其特征在于：在检测肌肉血氧参数时，在校正因子y的计算公式中，a的取值为0.0012-0.0014，b取值为-0.093--0.097，c取值为1.01-1.05。

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