WO2018067034A1 - Способ неинвазивного определения концентраций гемоглобина и кислорода в крови - Google Patents
Способ неинвазивного определения концентраций гемоглобина и кислорода в крови Download PDFInfo
- Publication number
- WO2018067034A1 WO2018067034A1 PCT/RU2017/000731 RU2017000731W WO2018067034A1 WO 2018067034 A1 WO2018067034 A1 WO 2018067034A1 RU 2017000731 W RU2017000731 W RU 2017000731W WO 2018067034 A1 WO2018067034 A1 WO 2018067034A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- optical radiation
- biological tissue
- concentration
- blood
- hemoglobin
- Prior art date
Links
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 39
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 39
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 title claims abstract description 39
- 239000008280 blood Substances 0.000 title claims abstract description 33
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 title claims abstract description 33
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 25
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 109
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 106
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 29
- 108010054147 Hemoglobins Proteins 0.000 claims description 39
- 102000001554 Hemoglobins Human genes 0.000 claims description 39
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 claims description 19
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 claims description 13
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims description 12
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims description 12
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 10
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 5
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 claims description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 description 52
- 108010002255 deoxyhemoglobin Proteins 0.000 description 9
- INGWEZCOABYORO-UHFFFAOYSA-N 2-(furan-2-yl)-7-methyl-1h-1,8-naphthyridin-4-one Chemical compound N=1C2=NC(C)=CC=C2C(O)=CC=1C1=CC=CO1 INGWEZCOABYORO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 108010064719 Oxyhemoglobins Proteins 0.000 description 7
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 7
- 210000000624 ear auricle Anatomy 0.000 description 2
- 238000006213 oxygenation reaction Methods 0.000 description 2
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 239000012503 blood component Substances 0.000 description 1
- 210000004556 brain Anatomy 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 210000001061 forehead Anatomy 0.000 description 1
- 210000002454 frontal bone Anatomy 0.000 description 1
- 210000001652 frontal lobe Anatomy 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 238000002496 oximetry Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 210000004872 soft tissue Anatomy 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/145—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue
- A61B5/1455—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue using optical sensors, e.g. spectral photometrical oximeters
- A61B5/14551—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue using optical sensors, e.g. spectral photometrical oximeters for measuring blood gases
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/145—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue
- A61B5/1455—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue using optical sensors, e.g. spectral photometrical oximeters
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B2560/00—Constructional details of operational features of apparatus; Accessories for medical measuring apparatus
- A61B2560/02—Operational features
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B2562/00—Details of sensors; Constructional details of sensor housings or probes; Accessories for sensors
- A61B2562/02—Details of sensors specially adapted for in-vivo measurements
- A61B2562/0233—Special features of optical sensors or probes classified in A61B5/00
- A61B2562/0238—Optical sensor arrangements for performing transmission measurements on body tissue
Definitions
- the mentioned coefficients during joint processing of the known characteristics of the relative spectral sensitivity of the used optical radiation receiver and the absorption spectrum of water in the first, second and third wavelength ranges are determined previously in accordance with where ⁇ , Kr, Kz are the average values of the absorption coefficients of water in the first, second, and third wavelength ranges, respectively, , S2, S3 are the average values of the relative spectral sensitivity of the optical radiation receiver in the first, second and third wavelength ranges, respectively.
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Surgery (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Public Health (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области анализа химического состава материалов и может быть использовано в диагностической медицинской технике для неинвазивного определения концентраций гемоглобина и кислорода, содержащихся в крови. Способ включает поочередное облучение биологической ткани оптическим излучением первого, второго и третьего диапазонов длин волн, включающих значения 700 нм, 880 нм и 960 нм, соответственно, прием отраженного оптического излучения, преобразование его в электрический сигнал, определение концентрации гемоглобина на основании суммы электрических сигналов, полученных при облучении оптическим излучением первого и второго диапазонов, которая уменьшена на значение, определяемое электрическим сигналом, полученным при облучении оптическим излучением третьего диапазона, и определение концентрации кислорода на основании разности электрических сигналов, полученных при облучении оптическим излучением второго и первого диапазонов, которая уменьшена на значение, определяемое электрическим сигналом, полученным при облучении оптическим излучением третьего диапазона. Изобретение обеспечивает снижение погрешности определения концентраций гемоглобина и кислорода, обусловленной наличием в исследуемой биологической ткани воды.
Description
СПОСОБ НЕИНВАЗИВНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИЙ
ГЕМОГЛОБИНА И КИСЛОРОДА В КРОВИ
Область техники
Изобретение относится к области исследования и анализа химического состава материалов и преимущественно может быть использовано в диагностической медицинской технике для неинвазивного определения концентраций гемоглобина и кислорода, содержащихся в крови.
Предшествующий уровень техники
Для неинвазивного определения насыщения крови кислородом и концентрации содержащегося в ней гемоглобина наиболее широко применяются способы и технические средства оптической оксиметрии, которые основаны на использовании различий поглощения оптического излучения гемоглобином, содержащим и не содержащим кислород, поскольку дезоксигемоглобин существенно поглощает красное оптическое излучение, а оксигемоглобин - ближнее инфракрасное.
Так, например, известен способ определения концентрации компонентов крови (RU 2344752 С1 , 2009), который для неинвазивного определения концентрации гемоглобина предусматривает поочередное облучение биологической ткани видимым оптическим излучением с длиной волны, например, равной 590 нм и 650 нм, прием прошедших через биологическую ткань оптических излучений с указанными длинами волн, преобразование их в электрический сигнал и определение концентрации гемоглобина в крови на основании амплитудных значений полученных электрических сигналов.
Известны способы неинвазивного определения насыщения крови кислородом и концентрации содержания в ней гемоглобина, которые осуществлены в известных пульсовых оксиметрах (RU 2175523 С1 , 2001 ; RU 2221485 С2, 2004; RU 2233620 С1 , 2004; RU 2259161 С1 , 2005; RU 2332165 С2, 2008; RU 2496418 С1 , 2013) и в общей для них части предусматривают поочередное облучение биологической ткани красным и ближним инфракрасным оптическим излучением с различной длиной волны, прием прошедших через биологическую ткань красного и ближнего инфракрасного оптических излучений, преобразование их в электрический сигнал и определение концентрации гемоглобина в крови и насыщения ее кислородом на основании амплитудных значений полученных электрических сигналов.
Однако все указанные выше известные способы позволяют осуществлять диагностику оксигенации крови только лишь тех участков биологической ткани, сквозь которые способно пройти оптическое излучение указанных диапазонов
длин волн, что дает возможность их применения для исследования исключительно только таких сравнительно тонких биологических тканей, как палец и мочка уха.
Известен способ, осуществленный в известном пульсовом оксигемометре одноразового применения (RU 2428112 С2, 2011), который включает поочередное облучение биологической ткани красным и ближним инфракрасным оптическим излучением, прием диффузно отраженных биологической тканью красного и ближнего инфракрасного оптических излучений, преобразование их в электрический сигнал и определение концентрации гемоглобина в крови, а также насыщения ее кислородом на основании амплитудных значений полученных электрических сигналов.
Использование в указанном известном способе приема диффузно отраженного биологической тканью оптического излучения существенно расширяет возможности его применения, поскольку позволяет использовать его для исследования не только пальцев или мочек ушей, но и других биологических тканей организма человека, в частности, мягких тканей лба, лобных костей, лобных долей головного мозга.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу неинвазивного определения концентраций гемоглобина и кислорода в крови является оптический способ определения оксигенации крови (RU 2040912 С1 , 1995), который включает поочередное облучение биологической ткани зондирующими оптическими излучениями красного и инфракрасного диапазонов длин волн, прием диффузно рассеянных биологической тканью оптических излучений указанных диапазонов длин волн, преобразование их в электрические сигналы и определение концентраций гемоглобина и кислорода в крови на основании амплитудных значений полученных электрических сигналов.
Недостатком ближайшего аналога, как и всех рассмотренных выше аналогов, является недостаточно высокая точность определения концентраций гемоглобина и кислорода в крови, что связано с погрешностью измерений, обусловленной значительным содержанием в исследуемой биологической ткани воды, имеющей достаточно различимый спектр поглощения инфракрасного оптического излучения в диапазонах длин волн, используемых в рассмотренных аналогах.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения явилось создание способа неинвазивного определения концентраций гемоглобина и кислорода в крови, который обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в
повышении точности определения концентраций гемоглобина и кислорода.
Поставленная задача решена и технический результат достигнут, согласно настоящему изобретению, тем, что способ неинвазивного определения концентраций гемоглобина и кислорода в крови, включающий, в соответствии с ближайшим аналогом, поочередное облучение биологической ткани в любой последовательности оптическим излучением красного и ближнего инфракрасного диапазона длин волн, прием диффузно отраженного биологической тканью оптического излучения, преобразование принятого оптического излучения в электрический сигнал и определение на основании полученного электрического сигнала концентраций гемоглобина и кислорода, отличается от ближайшего аналога тем, что облучение биологической ткани осуществляют оптическим излучением первого диапазона длин волн, включающего значение 700 нм, оптическим излучением второго диапазона длин волн, включающего значение 880 нм, и оптическим излучением третьего диапазона длин волн, включающего значение 960 нм, определение концентрации гемоглобина осуществляют на основании значения суммы электрических сигналов, полученных при облучении биологической ткани оптическим излучением первого и второго диапазонов, которая уменьшена на значение, определяемое электрическим сигналом, полученным при облучении биологической ткани оптическим излучением третьего диапазона, а определение концентрации кислорода осуществляют на основании значения разности электрических сигналов, полученных при облучении биологической ткани оптическим излучением второго и первого диапазонов, которая уменьшена на значение, определяемое электрическим сигналом, полученным при облучении биологической ткани оптическим излучением третьего диапазона.
При этом определение концентрации гемоглобина в крови осуществляют с использованием экспериментально полученной тарировочной зависимости между концентрацией гемоглобина и полученным суммарным электрическим сигналом, имеющим значение
где Ui , U2, U3 - значения электрических сигналов, полученных при облучении биологической ткани оптическим излучением первого, второго и третьего диапазонов длин волн, соответственно, Κΐ3, к23 - коэффициенты, предварительно полученные на основании совместной обработки известных характеристики относительной спектральной чувствительности используемого приемника оптического излучения и спектра поглощения воды в первом, втором и третьем диапазонах длин волн, соответственно.
Определение концентрации кислорода осуществляют с использованием
экспериментально полученной тарировочной зависимости между концентрацией кислорода и полученным разностным электрическим сигналом, имеющим значение
где Ui, U2, U3 - значения электрических сигналов, полученных при облучении биологической ткани оптическим излучением первого, второго и третьего диапазонов длин волн, соответственно, к , К2з - коэффициенты, предварительно полученные на основании совместной обработки известных характеристики относительной спектральной чувствительности используемого приемника оптического излучения и спектра поглощения воды в первом, втором и третьем диапазонах длин волн, соответственно.
При этом упомянутые коэффициенты при совместной обработке известных характеристики относительной спектральной чувствительности используемого приемника оптического излучения и спектра поглощения воды в первом, втором и третьем диапазонах длин волн определяют предварительно в соответствии с выражениями
где Κι, Кг, Кз - средние значения коэффициентов поглощения воды в первом, втором и третьем диапазонах длин волн, соответственно,
, S2, S3 - средние значения относительной спектральной чувствительности приемника оптического излучения в первом, втором и третьем диапазонах длин волн, соответственно.
С одной стороны, оптическое излучение первого диапазона длин волн, включающего значение 700 нм, в значительно большей степени поглощается дезоксигемоглобином, чем оксигемоглобином. С другой стороны, оптическое излучение второго диапазона длин волн, включающего значение 880 нм, в большей степени поглощается оксигемоглобином, чем дезоксигемоглобином. Поэтому использование в заявляемом способе облучения биологической ткани оптическим излучением первого диапазона длин волн, включающего значение 700 нм, и оптическим излучением второго диапазона длин волн, включающего значение 880 нм, позволяет определить концентрацию гемоглобина в крови на основании значения суммы электрических сигналов, полученных при облучении биологической ткани оптическим излучением первого и второго диапазонов, а также определить концентрацию кислорода в крови на основании значения разности электрических сигналов, полученных при облучении биологической ткани оптическим излучением второго и первого диапазонов.
Вместе с тем, биологические ткани содержат значительное количество воды.
Вода имеет наиболее выраженный спектр поглощения оптического излучения в диапазоне длин волн от 650 нм до 1 00 нм с максимумом вблизи
длины волны 960 нм. Поэтому наличие в биологической ткани воды приводит к искажению полезного сигнала, проявляющемуся в увеличении электрического сигнала из-за поглощения водой оптического излучения как первого диапазона длин волн, так и в существенно большей степени второго диапазона длин волн, что вносит существенную погрешность определения как концентрации гемоглобина, так и концентрации кислорода.
Для оценивания и учета погрешности измерения, обусловленной наличием воды в исследуемой биологической ткани, согласно настоящему изобретению, предложено перед, после или между облучением оптическим излучением первого диапазона длин волн, включающего значение 700 нм, и оптическим излучением второго диапазона длин волн, включающего значение 880 нм, обеспечивающими получение полезного сигнала для определения концентраций гемоглобина и кислорода, осуществлять облучение биологической ткани оптическим излучением третьего диапазона длин волн, включающего значение 960 нм, в котором расположен максимум спектра поглощения воды, и в результате приема диффузно отраженного биологической тканью оптического излучения третьего диапазона длин волн получать электрический сигнал, который определяется преимущественно текущим значением концентрации воды в исследуемой биологической ткани.
Поэтому определение концентрации гемоглобина в крови на основании значения суммы электрических сигналов, полученных при облучении биологической ткани оптическим излучением первого и второго диапазонов длин волн, которая уменьшена на значение, определяемое электрическим сигналом, полученным при облучении биологической ткани оптическим излучением третьего диапазона длин волн, позволяет учесть погрешность, обусловленную наличием в исследуемой биологической ткани воды, и, тем самым, повысить точность определения концентрации гемоглобина.
Кроме того, определение концентрации кислорода на основании значения разности электрических сигналов, полученных при облучении биологической ткани оптическим излучением второго и первого диапазонов длин волн, которая уменьшена на значение, определяемое электрическим сигналом, полученным при облучении биологической ткани оптическим излучением третьего диапазона длин волн, также позволяет учесть погрешность, обусловленную наличием в исследуемой биологической ткани воды, и, тем самым, повысить точность определения концентрации кислорода.
Отмеченное свидетельствует о решении декларированной выше задачи и достижение сформулированного выше технического результата настоящего
изобретения благодаря наличию у способа неинвазивного определения концентраций гемоглобина и кислорода в крови перечисленных выше отличительных признаков.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показана структурная схема устройства, которое позволяет наилучшим образом осуществить заявляемый способ неинвазивного определения концентраций гемоглобина и кислорода в крови, где 1 - блок светодиодов, 2 - приемник оптического излучения, 3 - усилитель, 4 - аналого-цифровой преобразователь, 5 - контроллер, 6 - блок индикации и 7 - биологическая ткань.
На фиг. 2 показаны спектры поглощения оптического излучения оксигемоглобина, дезоксигемоглобина и воды в диапазоне длин волн от 600 нм до 1100 нм.
Предпочтительный вариант осуществления изобретения Устройство, которое позволяет наилучшим образом осуществить заявляемый способ неинвазивного определения концентраций гемоглобина и кислорода в крови, содержит последовательно соединенные приемник 2 оптического излучения, усилитель 3, аналого-цифровой преобразователь 4, контроллер 5 и блок 6 индикации, а также блок 1 светодиодов, подключенный к выходу контроллера 5.
Блок 1 светодиодов содержит, по меньшей мере, один светодиод, выполненный с возможностью испускания оптического излучения в первом диапазоне длин волн 680-720 нм, включающем значение 700 нм, например светодиод типа L-132XHT фирмы Kingbright, по меньшей мере, один светодиод, выполненный с возможностью испускания оптического излучения во втором диапазоне длин волн 860-900 нм, включающем значение 880 нм, например светодиод типа BL-314IR фирмы BetLux, и, по меньшей мере, один светодиод, выполненный с возможностью испускания оптического излучения в третьем диапазоне длин волн 940-980 нм, включающем значение 960 нм, например светодиод типа TSUS4400 фирмы Vishay.
В качестве приемника 2 оптического излучения использован фотодиод, чувствительный к оптическому излучению в диапазоне длин волн от 570 нм до 100 нм, например, фотодиод типа BPW34 фирмы Vishay.
Приемник 2 оптического излучения и светодиоды блока 1 светодиодов установлены на общем основании (на фиг. 1 не показано), которое выполнено с возможностью прижатия к исследуемой биологической ткани 7, причем светодиоды размещены вокруг приемника 2 оптического излучения.
В качестве усилителя 3 может быть использован прецизионный
операционный усилитель, например, типа AD8604 фирмы Analog Devices.
В качестве аналого-цифрового преобразователя 4 может быть использован, высокоскоростной аналого-цифровой преобразователь большой разрядности (от 12 бит), например, аналого-цифровой преобразователь типа AD7655 фирмы Analog Devices.
В качестве контроллера 5 может быть использован любой микроконтроллер, обладающий необходимыми ресурсами для управления внешним аналого-цифровым преобразователем и достаточным быстродействием, например, типа ATXmega128A4U фирмы Atmel, снабженный постоянным и оперативным запоминающими устройствами.
Устройство, которое позволяет осуществить заявляемый способ неинвазивного определения концентраций гемоглобина и кислорода в крови, работает следующим образом.
Для определения концентраций гемоглобина и кислорода в крови основание с приемником 2 оптического излучения и светодиодами блока 1 светодиодов прижимают к исследуемой биологической ткани 7.
При включении устройства светодиоды блока 1 светодиодов оптического излучения не испускают. Электрический сигнал с приемника 2 оптического излучения, определяемый его темновым током, усиливается усилителем 3 и преобразуется аналого-цифровым преобразователем 4 в цифровой код, который поступает в контроллер 5 и запоминается в его оперативном запоминающем устройстве.
Затем по сигналам с контроллера 5 поочередно подается напряжение на светодиоды блока 1 светодиодов. Для осуществления заявляемого способа последовательность включения светодиодов не принципиальна.
Например, при подаче напряжения на светодиод блока 1 светодиодов, выполненный с возможностью испускания оптического излучения в первом диапазоне длин волн 680-720 нм, последний испускает оптическое излучение указанного диапазона длин волн в направлении исследуемой биологической ткани 7. Часть падающего оптического излучения поглощается, преимущественно, дезоксигемоглобином, а часть диффузно отражается и падает на приемник 2 оптического излучения, который преобразует эту часть оптического излучения в электрический сигнал, определяемый в большей степени концентрацией дезоксигемоглобина в исследуемой биологической ткани 7 и в меньшей степени - оксигемоглобином и водой (см. фиг. 2). Этот электрический сигнал усиливается усилителем 3 и после преобразования аналого-цифровым преобразователем 4 в цифровой код поступает в контроллер 5, который с целью учета погрешности
измерения, обусловленной темновым током приемника 2 оптического излучения вычитает из этого цифрового кода хранящийся в оперативном запоминающем устройстве цифровой код, соответствующий электрическому сигналу, обусловленному темновым током приемника 2 оптического излучения, и заносит в оперативное запоминающее устройство полученную разность, которая соответствует электрическому сигналу ui , значение которого определяется преимущественно концентрацией дезоксигемоглобина в исследуемой биологической ткани 7.
Затем ранее включенный светодиод выключается, но в результате подачи напряжения, например, на светодиод блока 1 светодиодов, выполненный с возможностью испускания оптического излучения во втором диапазоне с длинами волн 860-900 нм, последний испускает оптическое излучение указанного диапазона длин волн в направлении исследуемой биологической ткани 7. Аналогичным образом приемник 2 оптического излучения преобразует диффузно отраженное оптическое излучение в электрический сигнал, который определяется преимущественно концентрацией оксигемоглобина в исследуемой биологической ткани 7 и в меньшей степени - дезоксигемоглобином и водой (см. фиг. 2). Этот электрический сигнал усиливается усилителем 3 и после преобразования аналого-цифровым преобразователем 4 в цифровой код поступает в контроллер 5, который с целью учета погрешности измерения, обусловленной темновым током приемника 2 оптического излучения вычитает из этого цифрового кода хранящийся в оперативном запоминающем устройстве цифровой код, соответствующий электрическому сигналу, обусловленному темновым током приемника 2 оптического излучения, и заносит в оперативное запоминающее устройство полученную разность, которая соответствует электрическому сигналу иг, значение которого определяется преимущественно концентрацией оксигемоглобина в исследуемой биологической ткани 7.
Далее ранее включенный светодиод выключается, но в результате подачи напряжения на светодиод блока 1 светодиодов, выполненный с возможностью испускания оптического излучения в третьем диапазоне длин волн 940-980 нм, последний испускает оптическое излучение указанного диапазона длин волн в направлении исследуемой биологической ткани 7. Аналогичным образом приемник 2 оптического излучения преобразует диффузно отраженное оптическое излучение в электрический сигнал, который в большей степени определяется концентрацией воды в исследуемой биологической ткани 7 и в меньшей степени - оксигемоглобином и дезоксигемоглобином (см. фиг. 2). Этот электрический сигнал усиливается усилителем 3 и после преобразования
аналого-цифровым преобразователем 4 в цифровой код поступает в контроллер 5, который с целью учета погрешности измерения, обусловленной темновым током приемника 2 оптического излучения вычитает из этого цифрового кода хранящийся в оперативном запоминающем устройстве цифровой код, соответствующий электрическому сигналу, обусловленному темновым током приемника 2 оптического излучения, и заносит в оперативное запоминающее устройство полученную разность, которая соответствует электрическому сигналу из, значение которого определяется преимущественно концентрацией воды в исследуемой биологической ткани 7.
Затем рассмотренные процессы поочередного включения по сигналам с контроллера 5 светодиодов блока 1 светодиодов, преобразования отраженного оптического излучения в электрический сигнал приемником 2 оптического излучения и обработки контроллером 5 полученных цифровых кодов неоднократно повторяются. В результате этого в оперативном запоминающем устройстве контроллера 5 накапливаются выборки цифровых значений электрических сигналов Ui , иг и из, которые для фильтрации случайных погрешностей измерений статистически обрабатываются контроллером 5, в результате чего формируются усредненные цифровые значения электрических сигналов Ui , U2 и 11з, соответственно, и запоминаются в оперативном запоминающем устройстве контроллера 5.
На основании полученных усредненных значений Ui , U2 и U3 электрических сигналов контроллер 5 вычисляет значение суммарного электрического сигнала в соответствии со следующим выражением:
где Ui , U2, U3 - усредненные значения электрических сигналов, полученных при облучении биологической ткани 7 оптическим излучением первого, второго и третьего диапазонов длин волн, соответственно;
Κΐ 3, к2з - коэффициенты, предварительно полученные на основании совместной обработки известных характеристики относительной спектральной чувствительности используемого приемника 2 оптического излучения и спектра поглощения воды в первом, втором и третьем диапазонах длин волн, соответственно, и хранящиеся в постоянном запоминающем устройстве контроллера 5.
На основании полученных усредненных значений Ui , U2 и U3 электрических сигналов контроллер 5 вычисляет значение разностного электрического сигнала в соответствии со следующим выражением:
UPA3H=U2-U1-U3(K13+K23),
где Ui, U2, U3 - усредненные значения электрических сигналов, полученных при облучении биологической ткани 7 оптическим излучением первого, второго и третьего диапазонов длин волн, соответственно;
κΐ3, Кгз - коэффициенты, предварительно полученные на основании совместной обработки известных характеристики относительной спектральной чувствительности используемого приемника 2 оптического излучения и спектра поглощения воды в первом, втором и третьем диапазонах длин волн, соответственно, и хранящиеся в постоянном запоминающем устройстве контроллера 5.
Указанные выше коэффициенты, хранящиеся в постоянном запоминающем устройстве контроллера 5, определяют предварительно при совместной обработке известных характеристики относительной спектральной чувствительности используемого приемника 2 оптического излучения и спектра поглощения воды в первом, втором и третьем диапазонах длин волн в соответствии с выражениями:
где Κι, Кг, Кз - средние значения коэффициентов поглощения воды в первом, втором и третьем диапазонах длин волн, соответственно;
Si, S2, S3 - средние значения относительной спектральной чувствительности приемника 2 оптического излучения в первом, втором и третьем диапазонах длин волн, соответственно.
Концентрацию гемоглобина в крови контроллер 5 определяет на основании полученного значения суммарного электрического сигнала 1)СУМ с использованием тарировочной зависимости между концентрацией гемоглобина и полученным суммарным электрическим сигналом 11СУМ, которая была экспериментально получена предварительно и записана в постоянное запоминающее устройство контроллера 5.
Концентрацию кислорода в крови контроллер 5 определяет на основании полученного значения разностного электрического сигнала 11РАЗН С использованием тарировочной зависимости между концентрацией кислорода и полученным разностным электрическим сигналом ирдзн, которая была экспериментально получена предварительно и записана в постоянное запоминающее устройство контроллера 5.
Полученные значения концентраций гемоглобина и кислорода в крови из контроллера 5 поступают в блок 6 индикации, который отображает это значение оператору устройства.
Промышленная применимость
Авторами настоящего изобретения был разработан и испытан опытный образец устройства, которое позволяет осуществить заявляемый способ неинвазивного определения концентраций гемоглобина и кислорода в крови. Испытания опытного образца устройства показали, во-первых, его работоспособность, а, во-вторых, возможность достижения технического результата, заключающегося в повышении точности определения концентраций гемоглобина и кислорода за счет снижения погрешности измерений, обусловленной наличием в исследуемой биологической ткани воды, на 10-12%.
Claims
1. Способ неинвазивного определения концентраций гемоглобина и кислорода в крови, включающий поочередное облучение биологической ткани в любой последовательности оптическим излучением красного и ближнего инфракрасного диапазона длин волн, прием диффузно отраженного биологической тканью оптического излучения, преобразование принятого оптического излучения в электрический сигнал и определение на основании полученного электрического сигнала концентраций гемоглобина и кислорода, отличающийся тем, что облучение биологической ткани осуществляют оптическим излучением первого диапазона длин волн, включающего значение 700 нм, оптическим излучением второго диапазона длин волн, включающего значение 880 нм, и оптическим излучением третьего диапазона длин волн, включающего значение 960 нм, определение концентрации гемоглобина осуществляют на основании значения суммы электрических сигналов, полученных при облучении биологической ткани оптическим излучением первого и второго диапазонов, которая уменьшена на значение, определяемое электрическим сигналом, полученным при облучении биологической ткани оптическим излучением третьего диапазона, а определение концентрации кислорода осуществляют на основании значения разности электрических сигналов, полученных при облучении биологической ткани оптическим излучением второго и первого диапазонов, которая уменьшена на значение, определяемое электрическим сигналом, полученным при облучении биологической ткани оптическим излучением третьего диапазона.
2. Способ по п. 1 , отличающийся тем, что определение концентрации гемоглобина в крови осуществляют с использованием экспериментально полученной тарировочной зависимости между концентрацией гемоглобина и полученным суммарным электрическим сигналом, имеющим значение
где Ui , U2, U3 - значения электрических сигналов, полученных при облучении биологической ткани оптическим излучением первого, второго и третьего диапазонов длин волн, соответственно, κι3, кгз - коэффициенты, предварительно полученные на основании совместной обработки известных характеристики относительной спектральной чувствительности используемого приемника оптического излучения и спектра поглощения воды в первом, втором и третьем диапазонах длин волн, соответственно.
3. Способ по п. 1 , отличающийся тем, что определение концентрации кислорода в крови осуществляют с использованием экспериментально полученной тарировочной зависимости между концентрацией кислорода в крови и
полученным разностным электрическим сигналом, имеющим значение
Ui-U3(Ki3+K23), где Ui , U2, U3 - значения электрических сигналов, полученных при облучении биологической ткани оптическим излучением первого, второго и третьего диапазонов длин волн, соответственно, κι3, к2з - коэффициенты, предварительно полученные на основании совместной обработки известных характеристики относительной спектральной чувствительности используемого приемника оптического излучения и спектра поглощения воды в первом, втором и третьем диапазонах длин волн, соответственно.
4. Способ по п. 2 или 3, отличающийся тем, что упомянутые коэффициенты при совместной обработке известных характеристики относительной спектральной чувствительности используемого приемника оптического излучения и спектра поглощения воды в первом, втором и третьем диапазонах длин волн определяют предварительно в соответствии с выражениями
где Κι , Кг, Кз - средние значения коэффициентов поглощения воды в первом, втором и третьем диапазонах длин волн, соответственно, Si , S2, S3 - средние значения относительной спектральной чувствительности приемника оптического излучения в первом, втором и третьем диапазонах длин волн, соответственно.
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US16/336,688 US20210369154A1 (en) | 2016-10-04 | 2017-10-02 | Method for noninvasive determination of hemoglobin and oxygen concentrations in the blood |
| EA201800608A EA036184B1 (ru) | 2016-10-04 | 2017-10-02 | Способ неинвазивного определения концентрации гемоглобина в крови |
| CN201780064340.2A CN109890287B (zh) | 2016-10-04 | 2017-10-02 | 无创测定血液中血红蛋白浓度和氧浓度的方法 |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016139018A RU2645943C1 (ru) | 2016-10-04 | 2016-10-04 | Способ неинвазивного определения концентраций компонентов крови |
| RU2016139018 | 2016-10-04 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2018067034A1 true WO2018067034A1 (ru) | 2018-04-12 |
Family
ID=61568456
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/RU2017/000731 WO2018067034A1 (ru) | 2016-10-04 | 2017-10-02 | Способ неинвазивного определения концентраций гемоглобина и кислорода в крови |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20210369154A1 (ru) |
| CN (1) | CN109890287B (ru) |
| EA (2) | EA036184B1 (ru) |
| RU (1) | RU2645943C1 (ru) |
| WO (1) | WO2018067034A1 (ru) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023068954A1 (ru) * | 2021-10-19 | 2023-04-27 | Олег Олегович ТИХОНЕНКО | Способ неинвазивного определения состава крови |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2040912C1 (ru) * | 1993-01-05 | 1995-08-09 | Научно-инженерный центр биомедицинской радиоэлектроники института радиотехники и электроники РАН | Оптический способ определения оксигенации крови и устройство для его осуществления |
| US6149481A (en) * | 1996-01-29 | 2000-11-21 | Ntc Technology, Inc. | Extended life disposable pulse oximetry sensor and method of making |
| RU2173082C1 (ru) * | 2000-01-11 | 2001-09-10 | Государственное унитарное предприятие "НПО Астрофизика" | Способ неинвазивного измерения насыщения крови кислородом |
| EA001936B1 (ru) * | 1995-10-23 | 2001-10-22 | Сайтометрикс, Инк. | Способ измерения характеристик поглощающего объекта и устройство для его осуществления |
| RU2233620C1 (ru) * | 2003-06-23 | 2004-08-10 | Закрытое акционерное общество "МИКАРД-ЛАНА" | Пульсовой оксиметр |
| RU2574571C1 (ru) * | 2014-12-22 | 2016-02-10 | Эдвард Владимирович Крыжановский | Способ неинвазивного определения концентрации глюкозы в крови |
Family Cites Families (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7239902B2 (en) * | 2001-03-16 | 2007-07-03 | Nellor Puritan Bennett Incorporated | Device and method for monitoring body fluid and electrolyte disorders |
| US8135448B2 (en) * | 2001-03-16 | 2012-03-13 | Nellcor Puritan Bennett Llc | Systems and methods to assess one or more body fluid metrics |
| RU2221485C2 (ru) * | 2002-03-27 | 2004-01-20 | Государственное унитарное предприятие "НПО Астрофизика" | Устройство для неинвазивного измерения насыщения крови кислородом |
| JP3884036B2 (ja) * | 2004-08-25 | 2007-02-21 | 株式会社日立製作所 | 血糖値測定装置 |
| JP4989628B2 (ja) * | 2006-03-24 | 2012-08-01 | アークレイ株式会社 | グリコヘモグロビン濃度測定方法および濃度測定装置 |
| DE102007015173A1 (de) * | 2006-04-12 | 2007-10-31 | Weinmann Geräte für Medizin GmbH & Co. KG | Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von mindestens zwei Inhaltsstoffen einer Körperflüssigkeit |
| US20090098315A1 (en) * | 2007-10-12 | 2009-04-16 | Masanori Matsuda | Photoreactive adhesive composition and liquid crystal panel prepared by using the same |
| US20090326342A1 (en) * | 2008-06-27 | 2009-12-31 | The General Electric Company | Method, arrangement and sensor for non-invasively monitoring blood volume of a subject |
| CN101853070B (zh) * | 2010-05-13 | 2012-07-11 | 天津大学 | 前额脑电与血氧信息融合的人机交互装置 |
| CN102175624A (zh) * | 2011-03-16 | 2011-09-07 | 上海大学 | 一种水汽透过率的测试方法 |
| JP6116117B2 (ja) * | 2011-12-22 | 2017-04-19 | 株式会社堀場製作所 | 水分濃度測定装置の校正方法及び校正装置 |
| JP6152111B2 (ja) * | 2012-09-28 | 2017-06-21 | シスメックス株式会社 | 非侵襲生体計測装置 |
| CN103610467B (zh) * | 2013-11-05 | 2016-08-03 | 李鲁亚 | 并行近红外光电传感装置及动物器官组织检测系统与方法 |
| CN103622703A (zh) * | 2013-12-05 | 2014-03-12 | 深圳市奥博莱特科技有限公司 | 人体组织血氧饱和度绝对量检测装置及其方法 |
| JP6385865B2 (ja) * | 2014-03-28 | 2018-09-05 | 日本光電工業株式会社 | パルスフォトメータ |
| US9872621B2 (en) * | 2014-12-17 | 2018-01-23 | Intel Corporation | Multispectral measurement for improved biological signal acquisition |
| BR112017013630B1 (pt) * | 2014-12-22 | 2022-10-04 | Artem Sergeevich Adzhemov | Método para determinar de modo não invasivo a concentração de glicose no sangue |
-
2016
- 2016-10-04 RU RU2016139018A patent/RU2645943C1/ru active IP Right Revival
-
2017
- 2017-10-02 EA EA201800608A patent/EA036184B1/ru unknown
- 2017-10-02 WO PCT/RU2017/000731 patent/WO2018067034A1/ru active Application Filing
- 2017-10-02 EA EA202000203A patent/EA038257B1/ru unknown
- 2017-10-02 US US16/336,688 patent/US20210369154A1/en active Pending
- 2017-10-02 CN CN201780064340.2A patent/CN109890287B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2040912C1 (ru) * | 1993-01-05 | 1995-08-09 | Научно-инженерный центр биомедицинской радиоэлектроники института радиотехники и электроники РАН | Оптический способ определения оксигенации крови и устройство для его осуществления |
| EA001936B1 (ru) * | 1995-10-23 | 2001-10-22 | Сайтометрикс, Инк. | Способ измерения характеристик поглощающего объекта и устройство для его осуществления |
| US6149481A (en) * | 1996-01-29 | 2000-11-21 | Ntc Technology, Inc. | Extended life disposable pulse oximetry sensor and method of making |
| RU2173082C1 (ru) * | 2000-01-11 | 2001-09-10 | Государственное унитарное предприятие "НПО Астрофизика" | Способ неинвазивного измерения насыщения крови кислородом |
| RU2233620C1 (ru) * | 2003-06-23 | 2004-08-10 | Закрытое акционерное общество "МИКАРД-ЛАНА" | Пульсовой оксиметр |
| RU2574571C1 (ru) * | 2014-12-22 | 2016-02-10 | Эдвард Владимирович Крыжановский | Способ неинвазивного определения концентрации глюкозы в крови |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109890287B (zh) | 2021-11-02 |
| RU2645943C1 (ru) | 2018-02-28 |
| EA038257B1 (ru) | 2021-07-30 |
| CN109890287A (zh) | 2019-06-14 |
| EA036184B1 (ru) | 2020-10-12 |
| EA201800608A1 (ru) | 2019-04-30 |
| EA202000203A1 (ru) | 2020-10-02 |
| US20210369154A1 (en) | 2021-12-02 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6393310B1 (en) | Methods and systems for clinical analyte determination by visible and infrared spectroscopy | |
| US9949675B2 (en) | Noninvasive blood measurement platform | |
| Schmitt et al. | Optical determination of dental pulp vitality | |
| CN1946336A (zh) | 使用水对近红外线的吸收的脉冲血氧计运动伪影消除 | |
| WO2018064569A1 (en) | Multi-modal depth-resolved tissue status and contact pressure monitor | |
| CN102389313A (zh) | 一种方波调制光电容积脉搏波测量装置和测量方法 | |
| JP3928051B2 (ja) | 心理状態評価装置 | |
| US20080144004A1 (en) | Optical Spectrophotometer | |
| CN103381094A (zh) | 胎儿脉搏血氧饱和度监测系统及方法 | |
| CN107320112B (zh) | 微循环的多参数成像检测方法及装置 | |
| CN102258366A (zh) | 一种正交方波调制光电容积脉搏波测量装置和测量方法 | |
| Nirupa et al. | Non-invasive measurement of hemoglobin content in blood | |
| JP6125821B2 (ja) | 酸素飽和度測定装置及び酸素飽和度算出方法 | |
| Yamakoshi et al. | A new non-invasive method for measuring blood glucose using instantaneous differential near infrared spectrophotometry | |
| JP2009261458A (ja) | 信号処理方法及びそれを用いたパルスフォトメータ | |
| Zahra | Technological advancements to reduce the influence of absorption and scattering on the optical imaging | |
| RU2645943C1 (ru) | Способ неинвазивного определения концентраций компонентов крови | |
| CN106419861A (zh) | 抬高电平的正交方波调制光电容积脉搏波测量装置和方法 | |
| Timm et al. | Non-invasive optical real-time measurement of total hemoglobin content | |
| JPH07132120A (ja) | 不連続性放射を使用した検体濃度の無侵襲的測定法と装置 | |
| JP4399847B2 (ja) | パルスオキシメータ | |
| EP3434182B1 (en) | System for monitoring the blood supply to the transplanted organ | |
| CN104605863A (zh) | 血氧饱和度的测量 | |
| JP3635331B2 (ja) | 物質計測装置 | |
| Marani et al. | Design and Prototyping of a Miniaturized Sensor for Non-Invasive Monitoring of Oxygen Saturation in Blood |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 17858801 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
| 32PN | Ep: public notification in the ep bulletin as address of the adressee cannot be established |
Free format text: NOTING OF LOSS OF RIGHTS PURSUANT TO RULE 112(1) EPC (EPO FORM 1205A DATED 30.08.19) |
|
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 17858801 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |