CN1540314A - 漫射光的生物组织血氧代谢的无损监测方法及其系统 - 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

漫射光的生物组织血氧代谢的无损监测方法及其系统

技术领域

基于漫射光的生物组织血氧代谢的无损监测方法属于光谱技术应用和生物医学工程领域。

背景技术

监测局部组织(包括脑和肌肉)的血运情况，观察其随时间变化的规律，对于手术过程中的病人、危重病人及患有缺氧缺血脑病的婴儿和对组织移植后成活率的监护有重要意义。

确定局部组织氧代谢状况，主要有基于电化学原理的有创组织氧分压的直接测量方法和基于光学测量的无损检测方法。而光学方法可以完成无创的监测，使用方便安全，稳定可靠。本发明属于光学方法中的一种。公开号CN1365649A的文件中描述的方法基于经典的Lambert-Beer定律，这个经典的定律是针对无散射的情况，对于具有强散射光学特性的人体和其他生物组织，这个定律在此种情况下须修正后才能使用。从原理上，直接在强散射下应用经典的Lambert-Beer定律无法获得任何正确的结果。公开号US005632273A使用的方法为基于半无限大均匀介质，其采用的稳态空间分辨的计算算法对于具有外层组织时检测深层组织的血氧饱和度有影响，公开号CN1333011A和CN1331953A的专利中使用的方法为没有确定性的算法步骤和检测值，不能准确检测组织血氧饱和度，且信号弱影响检测精度，系统结构复杂。与公开号US005632273A、CN1333011A和CN1331953A相比，本发明与其区别在于：(1)本专利明确是检测组织血氧饱和度而不是泛指的“血氧参数”。(2)本专利利用多光源和单检测器的方法区别于单光源和多检测器的方法，信噪比高，检测精度高，系统结构简单。(3)本发明给出了可用的、存在外层组织条件下准确检测组织血氧饱和度值的经验公式。图1给出现有专利的检测示意图，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。

发明内容

本发明申请与以往的方法及目前国内公开的专利技术相比其特点及优越在于第一它明确给出被测量是血氧饱和度的绝对值而非“血氧”参数这样含糊的概念。知道了组织血氧饱和度的绝对值才能够确切判断患者血运状态是否正常，因而这参数更具有临床意义。第二，外层组织的厚度往往是引起血氧参数误差的重要因素，但本专利的方法可以消除这种影响。从实现方法来讲，尽管利用氧合血红蛋白和还原血红蛋白的吸收光谱是这一领域的中诸多测试技术的共同之处，但本专利的特点在于：第一，采用了排列在一条直线上的多个光源和单个检测器的方法，它可提高检测精度并便于调整；第二，考虑了生物组织的高度散射性，提出了半经验公式，这些都区别于国内外现有专利中所提出的方案。

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。

本发明提出的近红外多光源生物组织血氧饱和度检测方法其特征在于：它使三个不同位置上且每一个均可分别发出两个波长的光的发光二极管LED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通过深层结构组织而漫射出光的光强，并由此通过计算光密度值OD来算出深层局部待测组织的血氧饱和度，这种无损监测方法依次含有以下步骤：

(1)通过计算机利用光密度的公式检测光电检测器不同检测距离下的光密度OD_k，并保存。

(1.1)把三个光源固定在三个不同位置上。

(1.2)在微控制器控制下驱动各光源顺序发光，并依时序测量散射光强对应的值。

(1.3)利用下述光密度公式计算离光电检测器不同检测距离下的光密度OD_k：

${\mathrm{OD}}_k=\log \frac{I_k}{I_{\mathrm{kr}}},$

其中，k＝1，2，3，表示三个不同光源的脚标；

I_kr为不同位置的光源发出的光经过组织内部散射之后由光电检测品检测到反射光强，

I_k为三个光源出射的光强；

(2)依据上述测试结果，计算深层局部待测组织的氧饱和度rSO₂，显示并保存；

(2.1)把同一检测周期内但不同检测距离下检测到的光密度相减求差：

$\mathrm{\ΔO}{D}_2^{\mathrm{\λ}j}={\mathrm{OD}}_2^{{\mathrm{\λ}}_j}-{\mathrm{OD}}_{{\mathrm{\λ}}_j}^{{\mathrm{\λ}}_j},$

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{OD}}_1^{{\mathrm{\λ}}_j}={\mathrm{OD}}_3^{{\mathrm{\λ}}_j}-{\mathrm{OD}}_2,$

其中，j＝1，2，分别表示不同的波长，即λ₁、λ₂分别表示不同波长下的光波波长：

ΔOD₂ ^λj表示第2个光源发出的其波长为λ_j的光的光密度与第1个光源发出的其波长为λ_j的光的光密度之差；

ΔOD₁ ^λj表示第3个光源发出的其波长为λ_j的光的光密度与第2个光源发出的其波长为λ_j的光的光密度之差：

(2.2)用以下经验公式用计算机算出深层局部待测组织的氧饱和度rSO₂：

${\mathrm{rSO}}_2=C{\left(\frac{{\mathrm{\ΔOD}}_1^{{\mathrm{\λ}}_1}}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{OD}}_1^{{\mathrm{\λ}}_2}}\right)}^2+B_1\left(\frac{{\mathrm{\ΔOD}}_1^{{\mathrm{\λ}}_1}}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{OD}}_1^{{\mathrm{\λ}}_2}}\right)+B_2\left(\frac{{\mathrm{\ΔOD}}_2^{{\mathrm{\λ}}_1}}{{\mathrm{\ΔOD}}_2^{{\mathrm{\λ}}_2}}\right)+A$

其中：C：0.16～0.25；B₁：-1.66～-2.5

B₂：-0.13～-0.25；A：1.8～2.7。

所述的三个光源与光电检测器处于同一直线上。

两相邻光源的中心距在5mm～10mm之间，光电检测器与诸光源的中心距在30mm～50mm之间。

所述的诸光源是可分别发出红光和近红外光。

本发明提出的近红外多光源生物组织血氧饱和度检测系统其特征在于：

它含有三个光源和一个光电检测器的传感器，经三路发光的二极管驱动电路与诸诸光源相连的微控制器；其中微处理器又依次经过相互串接的A/D转换器、采样保持电路前置放大器和上述光电检测输出端相连。

附图说明

图1通用监测方法的示意图。

图2本发明监测方法原理图。

图3血红蛋白吸收光谱。

图4本发明提出的检测生物组织血氧代谢的程序流程图。

图5硬件装置结构图。

图6传感器外观图。

图7本发明硬件装置外观图。

图8实验结果。

具体实施方式：

它含有分布在与光电检测器不同的距离上的3个红外光源LS，1个光电检测器OPUS，它们成线性排列，构成探头8，如图6所示。本发明根据在不同位置上测到的多个光密度值，并经过对其进行给出的经验公式进行代数运算得到局部区域的组织氧饱和度。系统由传感器、前置放大电路、A/D转换器、嵌入式微控制器，外部SRAM、液晶显示器和触摸屏组成系统，如图5所示。所述之微控制器采用AT89C52，所采用的OPUS为硅光电池，液晶显示器分辨率为320*240和一个1024*1024的触摸屏。外观如图7所示，探头8将插头9连至仪器10上，11为液晶和触摸屏，12为复位按钮。

依据漫射光原理设计出的典型的硬件装置，如图5所示。光源LS用3个LED与1个OPUS在不同的距离上(成一条线，LED分别)，3个LED分别光电检测器OPUS相距20mm、30mm、40mm，由光电检测器OPUS检测光强变化。硅光电池OPUS连至前置放大器TLC27L4，微控制器AT89C52控制采样保持器LF398工作并启动A/D TLC2543转换，对转换结果读取并记录采样值。微控制器驱动光源LS发光，并将由OPUS检测值的A/D转换值保存到存储芯片6264，上述优点：通道的一致性很好，使数据有可比性。

本发明中装置中的探头中有3个LED，r₂、r₃处的2个LED用于校正外层组织的影响。在整个组织中，由于生物组织的吸收有一定的特征，只有选择合适的波长，才能较好地计算出局部组织氧饱和度和血氧浓度改变。不同组织的测量中波长选择有些不同，肌肉血氧检测700/880nm，头部的780nm/840nm，我们使用的是700/880、780nm/840nm组件LED。为了对生物组织不产生任何伤害，LED的光功率应小于10mW。

通过上述硬件结构和工作原理之介绍，系统信号流程可归纳为：(1)微控制器向LS驱动单元发出控制信号，3个LED顺序发光(2)光经组织(图2中的5T1、6T2、7T3)从检测部位出射(3)OPUS检测光强连至前置放大器(4)1路采样保持器对信号采样保持，A/D转换器进行转换，由微控制器控制将转换结果读入SRAM保存。(5)由微控制器中计算并显示局部组织氧饱和度rSO2。

在微控制器中计算3个距离上的OD值，利用公式，解算出rSO2。

实验效果

利用本发明测试正常婴儿和患脑病的婴儿在安静状态下，组织氧饱和度的基础值；血液模型中的有外层组织时利用本发明检测的血氧饱和度变化值和公开号US005632273A使用的方法的对比，US005632273A使用的方法在测量范围有限，为18％-98％如图8所示。

本专利发明实施后带来的效果可归纳为：(1)它是无损的、同时又是定量的，在存在外层组织时准确反映血氧饱和度。(2)本发明提供的组织血氧饱和度的绝对值这个参数是能够判断组织血运状态是否正常的主要指标(与其它血氧指标的变化量相比)。

本发明的主要特点：

1、提出了局部组织氧饱和度的检测方法，并给出存在外层组织条件下准确检测组织血氧饱和度值的经验公式，结果准确，无须校准。

2、依据1的方法采用3个光源和一个光电检测器检测，每个光源线性排列在与光电检测器的不同距离上。信噪比高，检测精度高，系统结构简单。

Claims (5)

1.基于漫射光的生物组织血氧代谢无损监方测法包含使用位于深层待测组织表面的光源和检测来监测来自深层局部待测组织的漫射光的步骤，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的光的发光二极管LED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通过深层结构组织而漫射出光的光强，并由此通过计算光密度值OD来算出深层局部待测组织的血氧饱和度，这种无损监测方法依次含有以下步骤：

(1)通过计算机利用光密度的公式检测光电检测器不同检测距离下的光密度OD_k，并保存。

(1.1)把三个光源固定在三个不同位置上。

(1.2)在微控制器控制下驱动各光源顺序发光，并依时序测量散射光强对应的值。

(1.3)利用下述光密度公式计算离光电检测器不同检测距离下的光密度OD_k：

${\mathrm{OD}}_k=\log \frac{I_k}{I_{\mathrm{kr}}},$

其中，k＝1，2，3，表示三个不同光源的脚标；

I_kr为不同位置的光源发出的光经过组织内部散射之后由光电检测品检测到反射光强，

I_k为三个光源出射的光强；

(2)依据上述测试结果，计算深层局部待测组织的氧饱和度rSO₂，显示并保存；

(2.1)把同一检测周期内但不同检测距离下检测到的光密度相减求差：

${\mathrm{\ΔOD}}_2^{{\mathrm{\λ}}_i}={\mathrm{OD}}_2^{{\mathrm{\λ}}_i}-{\mathrm{OD}}_{{\mathrm{\λ}}_j}^{{\mathrm{\λ}}_j},$

${\mathrm{\ΔOD}}_1^{{\mathrm{\λ}}_j}={\mathrm{OD}}_3^{{\mathrm{\λ}}_j}-{\mathrm{OD}}_2,$

其中，j＝1，2，分别表示不同的波长，即λ₁、λ₂分别表示不同波长下的光波波长：

ΔOD₂ ^λj表示第2个光源发出的其波长为λ_j的光的光密度与第1个光源发出的其波长为λ_j的光的光密度之差；

ΔOD₁ ^λj表示第3个光源发出的其波长为λ_j的光的光密度与第2个光源发出的其波长为λ_j的光的光密度之差：

(2.2)用以下经验公式用计算机算出深层局部待测组织的氧饱和度rSO₂：

${\mathrm{rSO}}_2=C{\left(\frac{{\mathrm{\ΔOD}}_1^{{\mathrm{\λ}}_1}}{{\mathrm{\ΔOD}}_1^{{\mathrm{\λ}}_2}}\right)}^2+B_1\left(\frac{{\mathrm{\ΔOD}}_1^{{\mathrm{\λ}}_1}}{{\mathrm{\ΔOD}}_1^{{\mathrm{\λ}}_2}}\right)+B_2\left(\frac{{\mathrm{\ΔOD}}_1^{{\mathrm{\λ}}_1}}{{\mathrm{\ΔOD}}_2^{{\mathrm{\λ}}_2}}\right)+A$

其中：C：0.16～0.25；B₁：-1.66～-2.5

B₂：-0.13～-0.25；A：1.8～2.7。

2.根据权利要求1所述的基于漫射光的生物组织血氧代谢无损监测方法其特征在于所述的三个光源与光电检测器处于同一直线上。

3.根据权利要求1所述的基于漫射光的生物组织血氧代谢监测方法，其特征在于：两相邻光源的中心距在5mm～10mm之间，光电检测器与诸光源的中心距在30mm～50mm之间。

4.根据检测要求1所述的基于漫射光的生物组织血氧代谢监测方法，其特征在于所述的诸光源是可分别发出红光和近红外光。

5.基于漫射光的生物组织血氧监测方法及其特征在于：它含有三个光源和一个光电检测器的传感器，经三路发光的二极管驱动电路与诸诸光源相连的微控制器；其中微处理器又依次经过相互串接的A/D转换器、采样保持电路前置放大器和上述光电检测输出端相连。

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