CN1223858C - 骨骼肌代谢功能血运参数近红外组织无损检测方法 - Google Patents

Abstract

骨骼肌代谢功能血运参数近红外组织无损检测方法属于生物医学工程领域，其特征在于：针对不同测试对象(运动员和非运动员)和不同的肌肉组织的氧合血红蛋白变化量(ΔHbO₂)与还原血红蛋白变化量(ΔHb)的检测选择合适的检测距离，并给出可以评定肌肉组织氧代谢能力的参数的检测步骤，算法及系统设计。传感器可以由3个发光二极管和一个光电接收器构成。整个测试系统含有传感器以及由前置放大电路、A/D转换器、嵌入式微控制器、电源及液晶和触摸屏。它具有检测灵敏度高、检测系统结构简单的优点。

Description

骨骼肌代谢功能血运参数近红外组织无损检测方法

技术领域

骨骼肌代谢功能血运参数近红外组织无损检测方法属于光谱技术应用和生物医学工程领域。

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。但用于评定运动血氧代谢能力的参数只有局部组织氧合的及还原的血红蛋白的变化量，由于运动血氧代谢能力除了与局部组织相关、同时与循环系统也密切相关，目前还没有一个统一的有效参数综合反映运动血氧代谢能力；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，因此极大地影响了检测的精度，针对不同的外层组织厚度就应选择合适的检测距离。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，而与光源远距离的信号中同时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。即以外层组织的厚度为参数，合理的选择出光源与检测器的距离，以减少外层组织的影响；并导出一个综合反映运动中血氧代谢能力的参数，这个参数既与局部组织氧合的及还原的血红蛋白的变化量有关，又能反映心脏供血能力、供血的分配能力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种近红外组织血氧代谢评定参数的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，三个发光管与光电接收器的中心距d为30mm-50mm，检测时根据外层组织的厚度从中选取具有相应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；在运动负荷递增时，每级运动负荷在功率自行车上设置，把所计算得到的每级负荷下的ΔCHbO2、ΔCHb的值相加得到血量变化值ΔBV，用现有技术提供的心率计记录每级运动中的心率HR，HR可以反映心脏供血能力；计算出每级负荷ΔBV的改变量ΔBV_j，计算出每级负荷ΔHR的改变量ΔHR_j，计算出代表组织血氧代谢能力的参数oxy值；以上所述的方法依次有以下步骤：

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；

测试对象在功率自行车上静止1分钟，用通用的心率计测试心率HR并记录并记录ΔBV的基线值，经以下步骤检测并计算出ΔBV：

(2.1)检测在已选定的发光管与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；

(2.2)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^λi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；

(2.3)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、还原血红蛋白浓度变化是ΔCHb和血量变化ΔBV，可用以下公式算出：

${\mathrm{\ΔCHbO}}_2={\mathrm{\α}}_1{\mathrm{\ΔOD}}_k^{{\mathrm{\λ}}_1}-{\mathrm{\α}}_2{\mathrm{\ΔOD}}_k^{{\mathrm{\λ}}_2}$

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

ΔBV＝ΔCHbO2+ΔCHb

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

(3)为了得到评定肌肉血氧代谢的动态参数，受试者按每级50W做负荷递增运动，记录每级负荷下运动过程的ΔBV的值，同步记录每级负荷下心率HR。

(4)计算出每级负荷ΔBV的改变量ΔBV_j，计算出每级负荷ΔHR的改变量ΔHR_j，计算出代表组织血氧代谢能力的参数oxy。

$\mathrm{oxy}=\frac{{\mathrm{\ΔBV}}_j}{{\mathrm{\ΔHR}}_j}$

j表示运动负荷的级数。

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。

在运动递增负荷下，得到组织血氧代谢能力的参数oxy，这个参数即与局部组织氧合的及还原的血红蛋白的变化量有关，又能反映心脏供血能力和供血的分配能力。

实验证明：本发明提出的方法根据外层组织厚度选择合适的检测距离，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；利用本发明提出的方法计算出的代表组织血氧代谢能力的参数oxy可以评定运动代谢能力，运动员与非运动员差异显著，结果如图6所示。

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本发明提出的近红外组织血氧代谢评定参数的检测方法流程图。

图5硬件装置结构图。

图6负荷递增运动中组织血氧参数的曲线图

具体实施方式

本发明首先要求根据待测对象外层组织的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。多层组织结构和的检测方法如图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为肌肉皮下组织，T3为肌肉组织。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。

本发明实施之后带来的效果可归纳为：(1)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。(2)并导出一个综合反映运动中血氧代谢能力的参数，这个参数即与局部组织氧合的及还原的血红蛋白的变化量有关，又能反映心脏供血能力和供血分配能力。

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，并始终用心率计测量心率。系统从三个发光二极管LED1LS、2LS、3LS中选择其中的一个，选择的原则为：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)。

检测了递增负荷运动下的血氧参数，获得综合血氧参数oxy。所施加负荷通过功率自行车的设定装置设置，采用0-50W-100W的递增负荷，结果如图6所示。

Claims (3)

1、骨骼肌代谢功能血运参数近红外组织无损检测方法，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，三个发光管与光电接收器的中心距d为30mm-50mm，检测时根据外层组织的厚度从中选取具有相应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，及血量变化ΔBV＝ΔCHbO2+ΔCHb；在负荷递增运动实验条件下，同步记录心率值，把每级负荷下所计算得到的ΔBV的变化量除以每级负荷下心率变化值，便可得到用于评定运动中组织血氧代谢能力的参数；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)测试对象在功率自行车上静止1分钟，用通用的心率计测试心率HR并记录并记录ΔBV的基线值，经以下以下步骤检测并计算出ΔBV。

(2.1)检测在已选定的发光管与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；

(2.2)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^λl之差OD_k ^λi

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

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；

(2.3)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、还原血红蛋白浓度变化是ΔCHb和血量变化ΔBV，可用以下公式算出：

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

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

ΔBV＝ΔCHbO2+ΔCHb

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

(3)为了得到评定肌肉血氧代谢的动态参数，受试者按每级50W做负荷递增运动，用步骤2所述的方法记录每级负荷下运动过程的ΔBV的值，同步记录每级负荷下心率HR。

(4)计算出每级负荷ΔBV的改变量ΔBV_j，计算出每级负荷ΔHR的改变量ΔHR_j，计算出代表组织血氧代谢能力的参数oxy。

$\mathrm{oxy}=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{BV}}_j}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{HR}}_j}$

j表示运动负荷的级数

2、根据权利要求1所述的近红外组织血氧代谢评定参数的检测方法，其特征在于：当外层组织为肌肉的脂肪层的情况下，在检测肌肉血氧参数而脂肪厚度大于15mm时，d值为50mm。

3、根据权利要求1所述的近红外组织血氧代谢评定参数的检测方法其特征在于：在运动递增负荷下，得到组织血氧代谢能力的参数oxy。

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