CN1239125C - 三波长脑组织血氧含量检测仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种监护脑组织血、氧含量的仪器，是以光学方法无创监测脑组织血、氧含量的仪器。由探头部分，摸拟电路部分及微机处理系统组成，其特征在于：探头部分，由源电压频率控制器提供两路无创光源，光源发出的光交替照射脑组织并经过脑组织散射，由三个滤光片分别接受三种不同波长的单波长光，这三种单波长光信号经光电转换变成电信号，送至摸拟电路部分；再将信号送至微机处理系统进行全自动处理。该仪器具有远程、实时监测和存储、打印、报告病人脑组织的血氧含量信息的功能；且具有无创伤、准确率高、对人体无放射性损害、造价低廉、使用方便等优点，可以作为脑内、外科颅内局灶性疾病危重病人和外科手术麻醉病人脑组织血氧含量的监护仪器。
Description
本发明属于生物医学工程领域中的医疗仪器和检测方法。
脑内外科的局灶性疾病的病人，其病变基础与大脑两半球组织的相对血、氧含量变化密切相关，其变化参数既可反映疾病的病程和转归，亦可提示医生及时制定抢救治疗方案。
一.本发明的特点是：利用近红外光谱区域分别在550nm-805nm及805nm-1000nm范围内各波段含氧血红蛋白(HbO2)和去氧血红蛋白(Hb)的光吸收特征(如图1)，在以近红外光三波长无创伤检测脑组织血氧含量的基础上，研制特定的光检测探头，建立比较两大脑半球相对血、氧含量的计算公式，远程、实时监测和存储、报告、传输病人脑组织的血氧含量信息。
(1)根据局灶性病灶的血含量变化和低含氧的特征，以比较两大脑半球血氧含量的方法监测脑血、氧含量。图1为含氧血红蛋白(HbO2)和去氧血红蛋白(Hb)对500nm-1200nm近红外光的吸收曲线图，且其交叉点在805nm左右。血、氧评价标准的计算公式如下：
A.血含量计算公式
a.患侧高含血 k1I患805-x+k2I患805+y+I患805＜k1I健805+x+k2I健805+y+I健805
ΔOD＜-0.05
b.患侧低含血 k1I患805-x+k2I患805+y+I患805＞k1I健805+x+k2I健805+y+I健805
ΔOD＞0.035
B.氧含量计算公式
a.患侧缺氧
b.患侧氧含量正常
以上公式中的I值均为接收光强。X、Y均为自然数，X应小于245大于5，Y应小于200大于5，
其中：I患805-x：表示在患侧805-X处接收光强经摸拟电路处理得到的电信号
I患805+y：表示在患侧805+Y处接收光强经摸拟电路处理得到的电信号
I健805-x：表示在健侧805-X处接收光强经摸拟电路处理得到的电信号
I健805+y：表示在健侧805+Y处接收光强经摸拟电路处理得到的电信号
依据计算公式，
(1)患侧脑缺氧
(2)患侧脑缺血 ΔOD＞0.035
(3)患侧脑瘀血 ΔOD＜-0.09
二.仪器结构
本发明选择805nm和805nm以上及以下各一波长研制仪器，仪器主要结构如图2所示，探头部分输入端，选择钨灯作为波宽带光源，由光电二极管和滤波器共同组成单波长接收器，信号进入仪器之后，进入差分-反相-同相三级低通放大、放大倍数可调的模拟电路经A/D转换器输入到微机进行全自动处理，电源设计为仪器供电。
该三波长脑组织血、氧含量检测仪，由探头部分、摸拟电路部分及微机处理系统组成，其特征在于：
a.探头部分：由光源电压频率控制器通过由微机控制的电子开关交替提供照射左、右侧大脑组织的二个无创光源，二个无创光源分别位于探头左、右两侧，二个无创光源之间设有三组滤光片；二个无创光源发出的光经过左、右大脑组织吸收、散射后，由三组滤光片分别接受经左侧大脑组织和右侧大脑组织吸收、散射后的三种不同波长的单波长光，这三种单波长光信号经光电转换变成电信号，经放大后送至模拟电路部分；
b.模拟电路部分：由探头部分输出的三路电信号送差分放大电路以滤除共模干扰、外界光干扰，消除探头和导线在三路信号上不平衡对后级处理的影响，同时提供一个高的输入阻抗；然后经二级低通放大电路调节信号的增益，频带选在40HZ以下，再经二级低通滤波滤除50HZ干扰信号后，将信号送至微机处理系统。
本发明的进一步特征是所述除805nm外的两种单波长光的波长是550-805nm和805-1000nm范围，例如可选用两种单波长光的波长是770nm和875nm。
本发明的进一步特征是：所述探头部分的结构是由三个相互分隔的腔体组成，分别设置有无创光源，该无创光源可选用3.5mm的800mw的白炽灯，805nm的滤光片，875nm的滤光片，770nm的滤光片，在三片滤光片的背面贴有光电转换器6、7、8，探头部分正面应与被测部位皮肤表面吻合。
以下结合附图对本发明的实施例做进一步描述。
图1是含氧血红蛋白和去氧血红蛋白对500nm-1200nm近红外光的吸收曲线；
图2是本发明的电路原理图；
图3是探头部分的结构示意图；
图4是光源电压频率控制电路原理图。
请参阅图2，数字处理部分采用微机处理系统，三路A/D转换20与模拟电路部分相连，并将信号送入PC微机22，微机22带有普通显示器24和激光打印机21，同时接受键盘23的控制，计算结果从存储器25读出或写入。
探头部分，主要由无创光源1、2，770nm滤光片3，875nm滤光片4，805nm滤光片5，光电转换器6、7、8及高倍放大9、10、11组成。其中无创伤光源可选用Φ3.5mm的960mW白炽灯，且灯的发光电压和频率由光源电压频率控制电路控制，770nm滤光片3，875nm滤光片4，805nm滤光片5分别与光电转换器6、7、8相连接，光电转换器6、7、8与放大器9、10、11相连接，共同组成探头的电路，电路藏于滤光片的背面。探头外部下面示意如图3，当下面贴在皮肤上实验时，在其周边的突起部能隔离外界光的干扰，而中间的突起部能隔离光源到滤光片的直接作用，对探头背面全面密封。
基于双波长检测的原理：模拟电路部分主要由差分放大13，三路二级低通放大14、15、16，以及三路二级低通滤波17、18、19构成。差分放大13通过9芯扁平导线12与探头相连，并将探头进来的电信号送差分放大13，然后经过二级低通放大14、15、16，再经过二级低通滤波17、18、19送入微机处理系统进行数字处理。
光源电压频率控制部分请参阅图4：光源电压频率控制器28由方波发生器30、与方波发生器的输出连接的驱动电路控制分频器31和电子开关控制分频器32、与驱动电路控制分频器31的输出连接的灯电压驱动电路33组成，灯电压驱动电路33和电子开关控制分频器32的输出分别与电子开关29的输入连接，电子开关29为单刀双掷电子开关，单刀双掷电子开关29的两路输出分别与二个无创光源(灯泡A、B)1、2连接。所述探头部分，由方波发生器30产生频率可调的方波作为分频器31和32的时钟脉冲，分频器31将时钟方波分频以后送往灯泡的驱动电路33，灯电压驱动电路33输出幅度可调的脉冲电压，该脉冲电压通过单刀双掷电子开关29后驱动灯泡发光，而经分频器32分频后的方波信号通过控制单刀双掷电子开关29的开闭方向来控制灯泡A和灯泡B交替发光。
综上所述：本发明详细的工作原理如下：将探头置于病人额头滤光片位置对准鼻中线，探头下沿平眉峰，固定之，光源1、2的光经过组织散射与反射，经过760nm滤光片3、805nm滤光片4和860nm滤光片5，产生三单波长光，经过光电转化器6、7、8，产生三路微弱的电信号，再经过高倍放大9、10、11，经导线12将电信号送入差分放大13，同时其光源1、2的电压和脉冲频率接受光源电压频率控制28电路的控制。差分放大13使得探头部分的电阻不准、导线的不平衡、长线加入噪声等问题得到较好的解决。同时经差分放大13去除共模干扰，进入二级低通放大14、15、16，二级低通放大的增益可调，以适应特定人的需要，并且二级低通放大的频带选在40HZ以下，可以去除50HZ的干扰和提高仪器工作的可靠性，放大后的信号经过二级低通滤波器17、18、19滤波，微机22控制三路A/D转换器20进行A/D转换及采样，将采样结果送入微机处理系统进行数据分析、计算，并将结果在显示器24中显示，用户可以通过键盘23，在微机20的控制下，将结果保存。整个计算完全是在微机20的程序控制下自动完成。
本发明经广州军区武汉总医院临床实验证明。具有如下优点：
1.无创伤。它与人体接触的只有探头滤光片，接触部分对人体无任何电磁、机械损伤，其光源电压在800MW以下，不会损伤皮肤和人体组织器官；
2.准确率高。采用双光源单探头交替检测双边大脑脑血、氧参数，光照频率为2Hz，可等视为双侧大脑同步照射采样，避免了大脑瞬间血氧变化和探头分次固定造成的采样误差，同时采用微机全自动分析处理，一次性自动产生分析结果，排除了主观诊断的主观性误差，使诊断准确率提高；
3.将脑血氧波形输入微型计算机分析，以血氧含量和血氧波形变化两道参数监测脑血氧，有其较其它脑血氧检测仪所没有的獨到之处，提高了仪器的准确性；
4.无放射性损害。由于作用于人体的光信号采用小功率白炽灯，光源波长在550nm-1000nm范围内工作，对人体无放射性损害；
5.造价低廉，使用方便，可以作为脑组织血、氧含量监护和脑肿瘤普查的仪器。
Claims (5)
1、三波长脑组织血氧含量检测仪，由探头部分、模拟电路部分及微机处理系统组成，其特征在于：
a.探头部分：由光源电压频率控制器(28)通过由微机控制的电子开关(29)交替提供照射左、右侧大脑组织的二个无创光源(1、2)，二个无创光源(1、2)分别位于探头左、右两侧，二个无创光源之间设有三组滤光片(3、4、5)；二个无创光源(1、2)发出的光经过左、右大脑组织吸收、散射后，由三组滤光片(3、4、5)分别接受经左侧大脑组织和右侧大脑组织吸收、散射后的三种不同波长的单波长光，这三种单波长光信号经光电转换(6、7、8)变成电信号，经放大后送至模拟电路部分；
b.模拟电路部分：由探头部分输出的三路电信号送差分放大电路(13)以滤除共模干扰、外界光干扰，消除探头和导线在两路信号上不平衡对后级处理的影响，同时提供一个高的输入阻抗；然后经二级低通放大电路(14、15、16)调节信号的增益，频带选在40HZ以下，再经二级低通滤波(17、18、19)滤除50HZ干扰信号后，将信号送至微机处理系统。
2.根据权利要求1所述三波长脑组织血氧含量检测仪，其特征是：所述三种单波长光的波长是500-805nm、805nm和805-1000nm。
3.根据权利要求2所述三波长脑组织血氧含量检测仪，其特征是：所述的三种光的波长是770nm、805nm和875nm。
4.根据权利要求1或2所述三波长脑组织血氧含量检测仪，其特征是：光源电压频率控制器(28)由方波发生器(30)、与方波发生器的输出连接的驱动电路控制分频器(31)和电子开关控制分频器(32)、与驱动电路控制分频器(31)的输出连接的灯电压驱动电路(33)组成，灯电压驱动电路(33)和电子开关控制分频器(32)的输出分别与电子开关(29)的输入连接，电子开关(29)为单刀双掷电子开关，单刀双掷电子开关(29)的两路输出分别与二个无创光源(1、2)连接。
5.根据权利要求1或2所述三波长脑组织血氧含量检测仪，其特征是：所述探头部分的结构是由三个相互分隔的腔体组成，分别设置有无创光源，该无创光源选用3.5mm的800mw的白炽灯，805nm的滤光片，875nm的滤光片，770nm的滤光片，在三片滤光片的背面贴有光电转换器(6、7、8)，探头部分正面应与被测部位皮肤表面吻合。
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