CN1544919A - 吸氧刺激下新生儿脑局部组织氧饱和度的检测方法 - Google Patents

Abstract

吸氧刺激下新生儿脑部局部组织氧饱和度的检测方法属于生物医学工程技术领域，其特征在于：用共同安放在一条直线上的三个光电接收管和含有两个发光二极管的光源作为传感器，基于组织氧代谢中氧合血红蛋白和还原血红蛋白具有不同的光谱特性，根据光在组织中的吸收与散射的规律，计算出局部组织血氧饱和度rSO₂，在短时吸收纯氧的情况下，可检测并计算新生儿的局部组织氧饱和度的变化。所述光电接收管是等间隔排列的，两个发光二极管可分到发出红光和近红外光。它可很灵敏地测出新生儿和患儿脑局部组织血氧饱和度及其变化过程。

Description

吸氧刺激下新生儿脑局部组织氧饱和度的检测方法

技术领域

吸氧刺激下新生儿脑局部组织氧饱和度的检测方法属于生物医学工程技术领域，尤其涉及新生儿脑局部组织血氧参数检测技术领域。

背景技术

监测新生儿脑局部组织血运情况，观察其随时间变化的规律，对于患有缺氧缺血脑病的婴儿的给病过程监护、治疗效果评定有重要定义。

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CN 1365649A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。与公开号US005632273A、CN1333011A和CN1331953A相比，本发明与其区别在于：(1)本发明确是检测组织血氧饱和度而不是泛指的“血氧参数”。(2)本发明利用多光源和多检测器的方法区别于单光源和多检测器的方法，我们的方法在于提高检测的灵敏度和信噪比。(3)本发明给出了半经验公式。(4)在短时吸纯氧下，获得局部脑组织血氧饱和度和变化参数。图1给出现有方法的检测示意图，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

本发明的目的在于提供一种吸氧刺激下新生儿脑局部组织氧饱和度的检测方法。

监测新生儿脑局部组织血运情况，观察其随时间变化的规律，患有缺氧缺血脑病的婴儿的治疗过程监护、治疗效果评定有重要意义。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，它测量组织氧饱和度时采用多个光源以提高检测灵敏度。第二与其他专利不同，在短时吸氧下可检测新生儿脑局部饱和度及其变化趋势，给出反应正常新生儿和患有缺氧缺血性脑病的新生儿脑部氧合状态的一个有效参数。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是与光源LS1、LS2相距距离为r1的光学传感器OPSU1，2是与与光源LS1、LS2相距距离为r2的光学传感器OPUS2，3是与与光源LS1、LS2相距距离为r3的光学传感器OPUS3，4是光源LS1、LS2，5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，在新生儿脑血氧测定的组织模型中，T1为皮肤，T2为颅骨和脑脊液，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，将光传感器OPUS放在与LS的不同距离上，OPUS3检测的主要是T1层的信息，OPUS2检测的是T1和T2层的信息，OPUS1检测的主要是T1、T2层和T3层的信息。光源OPUS1、OPUS2、OPUS3到LS的距离为r₁，r₂，r₃。

本发明的特征在于它依次含有以下各个步骤：

(1)在待测生物组织表面彼此等间距的三个位置上各安放一个光电接收管OPUS。在上述三个光电接收管连线的延长线一端，安放一个用两个发光二极管LED组成的光源，两相邻光电接收管的中心距在2mm～10mm间，诸光电接收管与光源的中心距在20mm～50mm间，在光源中，一个发光二极管发出红光，另一个发出近红外光。

(2)在新生儿不吸氧且处于安静状态时，按以下步骤检测各光电接收管接收到同散射光强，并依此计算其光密度值OD。

(2.1)在微控制器控制下，驱动红光发光二极管LED1发出波长λ₁的光，用三个光电接收管OPUS1～OPUS3依次在0.5毫秒内测量散射光强对应的值；再在微控制器控制下，驱动近红外光发光二极管LED2发出波长λ₂的光，用三个光电接收管OPUS1～OPUS3依次测量散射光强对应的值；

(2.2)利用光密度计算公式由微控制器算出不同检测距下对应于不同光波波长的光密度值OD_k ^λi：

${\mathrm{OD}}_k^{{\mathrm{\λ}}_i}=\log \frac{I_o}{I_{\mathrm{kr}}},$

其中，k＝1，2，3，分别表示从左到右的三个光电接收管，

λⁱ＝1，2，i＝1，2，分别表示光波波长λ₁，λ₂，

I_oi为发光二极管LED1或LED2出射的光强，I₀₁，I₀₂分别表示光波波长λ₁，λ₂的光发出的，I_kr为置于不同位置的光电接收管OPUS检测到的经过待测生物组织内部散射之后的反射光强；

(3)根据步骤(2)测定的OD_k ^λi值，再下式计算局部组以氧饱和度rSO₂，显示并保存记录：

先把同一氧状态下，但不同检测距离下的光密度值相减，得

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

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

再按下列经验公式计算rSO₂：

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

其中，C取值在0.16～0.25，

      B₁取值在-1.66～-2.5，

      B₂取值在-0.13～-0.25，

      A取值在1.8～2.7；

(4)让新生儿吸氧一段时间，再用上述方法测量、计算并纪录rSO₂；

(5)吸氧一段时间后停止供氧，再经一段时间用以上所述的方法测量、计算并纪录rSO₂，终止测量。

试验证明：它能明显检测出正常儿与患儿在组织氧饱和度的明显差异，显示其变化过程，局部检测灵敏度高。

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.本发明得到的血红蛋白吸收光谱。

图4.本发明所述方法的程序流程图。

图5.按本发明设计的检测装置的外观示意图。

图6.按本发明设计的系统的电路原理框图。

图7.正常新生儿与患儿的rSO₂曲线图。

具体实施方式

在短时吸纯氧条件下，检测组织血氧饱和度和其变化的参数方法依次含有以下步骤。

①准备好氧气面罩或氧气通气管，新生儿处于安静状态，记录其不吸氧时的基础值，检测各距离上的OD值并记录。

②依据①中测试的结果，计算局部组织氧饱和度rSO₂，显示并保存结果。

③用氧气面罩或直接用氧气通气管以2L/min流量让新生儿吸氧60秒，记录并显示rSO₂。

④吸氧60秒后将氧气面罩或氧气通气管去掉，记录120是秒局部组织氧饱和度rSO₂，数据保存后结束测试。

所述的在短时吸纯氧条件下，检测组织血氧饱和度和其变化幅度值的参数的步骤①中依次含有以下步骤

所述的无损检测血氧的步骤①中依次含有以下步骤

1)将光电检测器OPUS1、OPUS 2、OPUS 3放置在适当的位置上。

2)在微控制器控制下驱动LS1和LS2中的第1波长发光，并依时序用OPUS1-OPUS3测量散射光强对应的值；在微控制器控制下驱动LS1和LS2中的第2波长发光，并依时序用OPUS1-OPUS3测量散射光强对应的值(见图2)。

3)利用光密度的公式计算出不同检测距离下的光密度OD_k

${\mathrm{OD}}_k=\log \frac{I_0}{I_{\mathrm{kr}}}--\left(1\right)$

k＝1，2，3表示不同光电检测器的脚标，I_kr为置于于不同位置的光电检测器OPUS检测到经过组织内部散射之后的反射光强。I₀为光源(图2中的LS1和LS2)出射时的光强。

所述的无损检测血氧的步骤②中可以计算局部组织氧饱和度，将含有以下步骤。

为了在计算局部组织氧饱和度，将接近的时间区间内(小于0.5ms)、近似同一血氧状态下但r分别不同距离情况下的光密度表达式相减，于是得到：

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

${\mathrm{\ΔOD}}_1^{{\mathrm{\λ}}_j}={\mathrm{OD}}_3^{{\mathrm{\λ}}_j}-{\mathrm{OD}}_2^{{\mathrm{\λ}}_j}--\left(2\right)$

          j＝1，2表示波长1和2

在这里，用rSO₂表示局部组织氧饱和度，以区别与动脉血氧饱和度，并用经验公式(3)表示。

${\mathrm{rSO}}_2=C\left(\frac{{\mathrm{\ΔOD}}_1^{{\mathrm{\λ}}_1}}{{\mathrm{\ΔOD}}_1^{{\mathrm{\λ}}_2}}\right)+B_1\left(\frac{{\mathrm{\ΔOD}}_1^{{\mathrm{\λ}}_1}}{{\mathrm{\ΔOD}}_1^{{\mathrm{\λ}}_2}}\right)+B_2\left(\frac{{\mathrm{\ΔOD}}_2^{{\mathrm{\λ}}_1}}{{\mathrm{\ΔOD}}_2^{{\mathrm{\λ}}_2}}\right)+A--\left(3\right)$

C取值在0.16~0.25之间，B1取值在-1.66~-2.5之间，B2取值在-0.13~-0.25之间，A取值在1.8~2.7之间。

按本发明设计的系统由传感器、前置放大器电路、A/D转换器、嵌入式微控制器、外部SRAM、液晶显示器构成，如图6所示。

依据漫射光原理设计出的典型的硬件装置，如图6所示。光源LS用2个LED(每个LED具有两个波长)与3个OPUS在不同的距离上(成一条线)，由OPUS检测光强变化，OPUS采用2CU30S。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2个LED用来提高信噪比，r₂、r₃处的2个OPUS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，脑组织检测时的780nm/840nm，因此我们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，LED发光(2)光经组织(图1中的5T1、6T2、7T3)从检测部位出射(3)OPUS1、OPUS2、OPUS3检测光强连至前置放大器(4)3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吸氧过程，组织氧饱和度和变化过程，如图7所示，经过Aspin-Welch检验正常与患儿差异显著(P＜0.005)。

本发明实施后带来的效果可归纳为：(1)由于采用双光源使检测灵敏度、信噪比提高，使组织氧饱和度参数检测稳定可靠(2)在短时吸氧下可检测新生儿脑局部饱和度及其变化幅度值，给出反应正常新生儿和患有缺氧缺血性脑病的新生儿脑部氧合状态的一个有效参数，及时反映新生儿脑局部循环状况。

Claims (1)

1.吸氧刺激下新生儿脑局部组织氧饱和度的检测方法，含有近红外生物组织血氧参数的检测步骤，其特征在于，它依次含有以下各个步骤：

(1)在待测生物组织表面彼此等间距的三个位置上各安放一个光电接收管OPUS。在上述三个光电接收管连线的延长线一端，安放一个用两个发光二极管LED组成的光源，两相邻光电接收管的中心距在2mm～10mm间，诸光电接收管与光源的中心距在20mm～50mm间，在光源中，一个发光二极管发出红光，另一个发出近红外光。

(2)在新生儿不吸氧且处于安静状态时，按以下步骤检测各光电接收管接收到同散射光强，并依此计算其光密度值OD。

(2.1)在微控制器控制下，驱动红光发光二极管LED1发出波长λ₁的光，用三个光电接收管OPUS1～OPUS3依次在0.5毫秒内测量散射光强对应的值；再在微控制器控制下，驱动近红外光发光二极管LED2发出波长λ₂的光，用三个光电接收管OPUS1～OPUS3依次测量散射光强对应的值；

(2.2)利用光密度计算公式由微控制器算出不同检测距下对应于不同光波波长的光密度值OD_k ^λi：

${\mathrm{OD}}_k^{{\mathrm{\λ}}_i}=\log \frac{I_o}{I_{\mathrm{kr}}},$

其中，k＝1，2，3，分别表示从左到右的三个光电接收管，

λⁱ＝1，2，i＝1，2，分别表示光波波长λ₁，λ₂，

I_oi为发光二极管LED1或LED2出射的光强，I₀₁，I₀₂分别表示光波波长λ₁，λ₂的光发出的，I_kr为置于不同位置的光电接收管OPUS检测到的经过待测生物组织内部散射之后的反射光强；

(3)根据步骤(2)测定的OD_k ^λi值，再下式计算局部组以氧饱和度rSO₂，显示并保存记录：

先把同一氧状态下，但不同检测距离下的光密度值相减，得

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

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

再按下列经验公式计算rSO₂：

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

其中，C取值在0.16～0.25，

      B₁取值在-1.66～-2.5，

      B₂取值在-0.13～-0.25，

      A取值在1.8～2.7；

(4)让新生儿吸氧一段时间，再用上述方法测量、计算并纪录rSO₂；

(5)吸氧一段时间后停止供氧，再经一段时间用以上所述的方法测量、计算并纪录rSO₂，终止测量。

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