SU1737336A1

SU1737336A1 - Method of determining saturation of blood with oxygen

Info

Publication number: SU1737336A1
Application number: SU904832471A
Authority: SU
Inventors: Валентин Иоильевич Кишко; Лариса Валериевна Корси; Виктор Федорович Морсков; Аркадий Иванович Соклаков; Владимир Георгиевич Соколов
Original assignee: Научно-производственное объединение "Астрофизика"
Priority date: 1990-05-25
Filing date: 1990-05-25
Publication date: 1992-05-30

Abstract

Использование: медицина, медицинска техника, клиническа и амбулаторна практика. Сущность изобретени : участок кожи или биоткани облучают монохроматическим излучением трех длин волн: 600 нм Ј AI Ј 700 нм; 900 1100 нм; 750 нм 850 нм. Регистрируют величины обратного светорассе ни с последующим расчетом, 2 з.п. ф-лы, 2 табл.Use: medicine, medical equipment, clinical and outpatient practice. The essence of the invention: a skin or biotissue area is irradiated with monochromatic radiation of three wavelengths: 600 nm 600 AI Ј 700 nm; 900 1100 nm; 750 nm 850 nm. Record the value of the reverse light scattering or with the subsequent calculation, 2 Cp. f-ly, 2 tab.

Description

Изобретение относитс к диагностической медицинской технике и может быть использовано в клинической и амбулаторной практике.This invention relates to a diagnostic medical technique and may be used in clinical and ambulatory practice.

Степень насыщенности крови кислородом вл етс важным диагностическим признаком . Определение насыщенности крови кислородом S02 производитс клинически со вз тием пробы крови у пациента или ин- вазивно путем введени датчика в кров ное русло. Например, при исследовании параметров крови (определение процентного со- держани кислорода в цельной крови, концентрации общего гемоглобина крови, концентрации метагемоглобинов) известен метод, использующий измерени коэффициента диффузного отражени Rg и относительного пропускани двух слоев крови толщин. В этом случае показатель поглаще- ни единичной толщиныThe degree of oxygen saturation of the blood is an important diagnostic feature. The determination of blood saturation with oxygen S02 is made clinically with a patient taking a blood sample or invasively by inserting a sensor into the blood stream. For example, when studying blood parameters (determining the percentage of oxygen in whole blood, the concentration of total hemoglobin in blood, the concentration of metahemoglobins), a method using measurements of the diffuse reflectance Rg and the relative transmittance of two layers of blood is known. In this case, the rate of absorption of a unit thickness

ап(А) у( АО-In г 12(Я) /(12-И), где И и 2 - толщины двух слоев крови;an (A) y (AO-In g 12 (I) / (12-I), where I and 2 are the thicknesses of two layers of blood;

у - параметр, определ емый по измер емому коэффициенту отражени Rg из соотношени y is a parameter determined by the measured reflection coefficient Rg from the ratio

Rg(A ) 0,51- ехр{-5,2у(А )} / 1- 0,48-ехр{-4у(А) } ,Rg (A) 0.51-exp {-5.2 s (A)} / 1- 0.48-exp {-4 s (A)},

и характеризующий отношение концентраций оксигемоглобина.and characterizing the ratio of oxyhemoglobin concentrations.

Реализаци этих методов требует специального оборудовани и биохимических препаратов. Вместе с тем в практике анестезиологии , неотложной хирургии, интенсивной терапии, в спортивной и профилактической медицине часто возникает необходимость быстрого и точного определени содержани кислорода в крови в ситуаци х, требующих оперативного контрол или угрожающих жизни пациента. В отдельных случа х требуютс длительные наблюдени за этим параметром в амбулаторных услови х или на дому.The implementation of these methods requires special equipment and biochemical preparations. However, in the practice of anesthesiology, emergency surgery, intensive care, in sports and prophylactic medicine, it is often necessary to quickly and accurately determine the oxygen content in the blood in situations that require prompt control or life threatening patient. In some cases, long-term monitoring of this parameter is required on an outpatient basis or at home.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому вл етс способ определени насыщенности крови кислородом путем воздействи на участок кожи или биоткани, пронизанной кровеносными сосудами, монохроматическими излучени ми с длинами волн AI 660 нм и А2 960 нм, регистрации величины обратного светорассе ни с последующим расчетом.The closest technical solution to the present invention is a method for determining blood saturation with oxygen by exposing a skin area or biotissue penetrated by blood vessels, monochromatic radiation with AI 660 nm and A2 960 nm wavelengths, recording the reverse light scattering with subsequent calculation.

Недостатком этопгспособа вл етс относительно невысока точность определени , больша чувствительность кThe disadvantage of this method is the relatively low determination accuracy, the greater sensitivity to

сwith

XIXi

ы Xs x

СО СО ОCO SO O

индивидуальной пигментации кожи, анатомии кровеносных сосудов и промежуточных слоев биоткани. Выбранные длины волн, на которых производитс измерение, отвечают преимущественному отражению оксиге- моглобина ( AI 660 нм) и некоторому относительному превышению отражени гемоглобина над оксигемоглобином ( Аг 960 нм). Отношение интенсивностей рассе ни на этих двух длинах волн дает прибли- женное- отношение содержаний гемоглобина и оксигемоглобина в крови.individual skin pigmentation, anatomy of blood vessels and intermediate layers of biotissue. The selected wavelengths at which the measurement is made correspond to the preferential reflection of oxyhemoglobin (AI 660 nm) and to some relative excess of the reflection of hemoglobin over oxyhemoglobin (Ar 960 nm). The ratio of the scattering intensities at these two wavelengths gives an approximate ratio of hemoglobin and oxyhemoglobin in the blood.

Если состав рассе нного излучени определ етс только этими двум веществами , то отношение указанных интенсивностей позвол ло бы определ ть с точностью 5% отношение концентраций оксигемоглобина и гемоглобина в диапазоне 0,2-1. Однако в реальных услови х интенсивность рассе ни определ етс не только содержанием гемоглобина. Существенный вклад в рассе ние (от 30 до 70%) дает окружающа сосуды биоткань. Это приводит к дополнительному уменьшению диапазона измер емых интенсивностей и снижению точности.If the composition of the scattered radiation is determined only by these two substances, then the ratio of the indicated intensities would make it possible to determine with an accuracy of 5% the ratio of the concentrations of oxyhemoglobin and hemoglobin in the range of 0.2-1. However, in real conditions, the intensity of dispersion is determined not only by the hemoglobin content. A significant contribution to the scattering (from 30 to 70%) comes from the surrounding vessels of the biological tissue. This leads to an additional decrease in the range of measured intensities and a decrease in accuracy.

Целью изобретени вл етс повышение точности измерени концентрации окисленного гемоглобина в крови.The aim of the invention is to improve the accuracy of measuring the concentration of oxidized hemoglobin in the blood.

Поставленна цель достигаетс тем, что провод т дополнительное воздействие монохроматическим излучением с длиной волны , удовлетвор ющей условию 750 нм Ј Аз 850 нм, и измер ют интенсивность обратного рассе ни на трех длинах волн. Используют воздействие AI в диапазоне 600 нм :Ai 700 нм, используют воздействие А2 в диапазоне 900 нм А2 Ј 1100 нм.This goal is achieved by conducting additional exposure to monochromatic radiation with a wavelength that satisfies the condition of 750 nm Ј a 8 850 nm, and the backscatter intensity at three wavelengths is measured. An AI exposure in the 600 nm range is used: Ai 700 nm, an A2 exposure in the 900 nm range is used A2 Ј 1100 nm.

Коэффициенты отражени прочих биологических структур не обладают резонансными свойствами в диапазоне 600-1000 нм. Коэффициент отражени соединительной ткани в этом диапазоне практически посто нен .The reflection coefficients of other biological structures do not have resonant properties in the range of 600-1000 nm. The reflectance of the connective tissue in this range is almost constant.

Относительный вклад в рассе ние облучаемой ткани, гемоглобина и оксигемоглобина может мен тьс в широких пределах в зависимости от длины волны рассеиваемого излучени и индивидуальных особенностей организма.The relative contribution to the scattering of the irradiated tissue, hemoglobin, and oxyhemoglobin can vary widely, depending on the wavelength of the scattered radiation and the individual characteristics of the organism.

Коэффициенты отражени гемоглобина , оксигемоглобина и облучаемой ткани в выбранных диапазонах длин волн, представл ющих особый интерес, приведены в табл.1.The reflection coefficients of hemoglobin, oxyhemoglobin and irradiated tissue in selected wavelength ranges of particular interest are shown in Table 1.

Участок кожи или биоткани, пронизанной кровеносными сосудами, последовательно облучают монохроматическими излучени ми с длинами волн Ai ,Aa Аз иA portion of skin or biotissue penetrated by blood vessels is subsequently irradiated with monochromatic radiation with wavelengths Ai, Aa Az and

00

5five

00

5five

00

5five

00

5five

00

измер ют интенсивности обратного рассе ни на этих трех длинах волн I AI , I A2 ,1 Аз, которые определ ютс соотношени миThe backscatter intensities are measured at these three wavelengths, I AI, I A2, 1 Az, which are determined by the ratios

ЬцХ1 + D12X2 + D13X3 I Ai , 1LCH1 + D12X2 + D13X3 I Ai, 1

012X1 + 022X2 023X3 I A2 , V(1)012X1 + 022X2 023X3 I A2, V (1)

031X1 + Ь32Х2 + ЬЗЗХЗ I Аз , J031X1 + Ь32Х2 + SZHZ I Az, J

где xi ,х2,хз-рассеивающие объемы оксигемоглобина , гемоглобина и соединительной ткани.where xi, x2, xs are the scattering volumes of oxyhemoglobin, hemoglobin and connective tissue.

Насыщенность крови кислородом определ етс соотношениемBlood oxygen saturation is determined by the ratio

Х1X1

S02 - (2)S02 - (2)

5five

Х1 + Х2 X1 + X2

где Х1,х2,хз - решение системы уравненийwhere X1, x2, xs - solution of the system of equations

(1).(one).

В прототипе применени рассе нного излучени проводились на двух длинах волн Ai, Аа , а насыщенность крови кислородом вычисл лась по формулеIn the prototype, the application of scattered radiation was carried out at two wavelengths Ai, Aa, and the blood saturation with oxygen was calculated by the formula

S02 А - BJ ,(3)S02 A - BJ, (3)

где константы А и В выбирались экспериментально .where the constants A and B were chosen experimentally.

Этот способ позвол ет определить концентрацию кислорода с относительной точностью 10% только в том случае, когда измер ема величина больше 40% и значение гематокритан лежит в пределах 30- 50%.This method makes it possible to determine the oxygen concentration with a relative accuracy of 10% only in the case when the measured value is greater than 40% and the hematocrit value lies in the range of 30-50%.

В то же врем в клинической практике особый интерес представл ет повышение точности измерени при малых концентраци х кислорода, так как от этого зависит выбор режима системы жизнеобеспечени и интенсивной терапии.At the same time, in clinical practice, it is of particular interest to increase the accuracy of measurement at low oxygen concentrations, since the choice of the life support system and intensive care depends on this.

Как показали расчеты, точность определени параметра S02 дл 0 Н Ј 0,9 не хуже 5%, в том числе при малой насыщенности кислородом.As shown by calculations, the accuracy of determining the parameter S02 for 0 H Ј 0.9 is not worse than 5%, including at low oxygen saturation.

Предложенный способ, использующий воздействие на участок кожи или биоткани монохроматического излучени на трех частотах , а не на двух, как это было в прототипе, позвол ет повысить точность определени насыщенности крови кислородом при одновременном см гчении требований к когерентности монохроматического излучени .The proposed method, using exposure of a skin area or biotissue of monochromatic radiation at three frequencies, rather than two, as it was in the prototype, improves the accuracy of determining blood oxygen saturation while simultaneously reducing the requirements for coherence of monochromatic radiation.

Ошибки определени параметра S02 имеют систематический и флуктуационный характер.The errors in determining the parameter S02 are of a systematic and fluctuating nature.

Систематическа ошибка в прототипе объ сн етс погрешностью аппроксимации нелинейной кривой с помощью пр мой (3). Наибольшие отличи кривых наблюдаютс на кра х интервала, когда S02 0 и S02 100%. Эта ошибка приводит к уменьшению динамического диапазона измер емых параметров . В предлагаемом способе аппроксимаци нелинейной функции осуществл етс дробно-линейной функцией (2), позвол ющей повысить качество аппроксимации.The systematic error in the prototype is explained by the accuracy of the approximation of a nonlinear curve using a straight (3). The greatest differences in the curves are observed at the edges of the interval, when S02 0 and S02 are 100%. This error leads to a decrease in the dynamic range of the measured parameters. In the proposed method, the approximation of the nonlinear function is performed by the fractional-linear function (2), which makes it possible to improve the quality of the approximation.

Флуктуационна ошибка обусловлена анатомическим различием исследуемых органов . Измерение на двух частотах позвол ет определить концентрацию двух веществ - гемоглобина и оксигемоглобина. В то же врем в поглощение и обратное рассе ние монохроматического излучени вносит вклад биоткань. Ее оптические свойства мен ютс от одного пациента к другому, что приводит к дополнительной ошибке измерени . Предложенный способ позвол ет полностью исключить вли ние неселективной биоткани. На практике это приводит к значительному сокращению флуктуацион- ной ошибки.The fluctuation error is due to the anatomical difference of the studied organs. Measurement at two frequencies allows one to determine the concentration of two substances — hemoglobin and oxyhemoglobin. At the same time, biofabric contributes to the absorption and backscattering of monochromatic radiation. Its optical properties vary from one patient to another, which leads to an additional measurement error. The proposed method makes it possible to completely eliminate the influence of a non-selective biotissue. In practice, this leads to a significant reduction in the fluctuation error.

Результаты клинических испытаний двух и трехчастотных оптических оксимет- ров приведены в табл.2.The results of clinical trials of two and three-frequency optical oximeters are shown in Table 2.

Как видно из таблицы, трехчастотный способ определени S02 позвол ет в среднем снизить погрешность в 2,5-3 раза.As can be seen from the table, the three-frequency method of determining S02 makes it possible, on average, to reduce the error by a factor of 2.5-3.

Claims

1. A method for determining blood oxygen saturation by exposing a skin area or biotissue penetrated by blood vessels, monochromatic radiation with wavelengths At 660 nm and Aa 960 nm, recording the reverse light scattering with a subsequent calculation, wherein the accuracy of the method, additional exposure to monochromatic radiation with a wavelength satisfying the condition of 750 nm to 850 nm is carried out, and the backscattered intensity at three wavelengths is measured.

2. A method according to claim 1, characterized in that the effect of AI is used in the range of 600 nm 700 nm.

3. The method according to claim 1, characterized in that the effect of Ar is used in the range of 900 nm Ar $ 1100 nm.

Table

Table 2