專利名稱：可修正外層組織影響的組織血氧參數(shù)檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
可修正外層組織影響的組織血氧參數(shù)檢測方法屬于生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
用近紅外雙波長光譜方法檢測生物組織中的合氧(及還原)血紅蛋白的變化量，這本身是國內(nèi)外成熟的技術(shù)。但由于存在外層組織的影響(外層組織是指覆蓋在待測組織之外的組織，如脂肪對肌肉的覆蓋，頭皮、顱骨和腦脊液對腦皮質(zhì)的覆蓋)，因此極大地影響了檢測的精度。對這個問題，國外沒有相關(guān)專利的文獻(xiàn)，國內(nèi)已公開的三個相關(guān)專利(其公開號分別為CN1333001A，CN1331953A，CN1365649A)都是采用在一條直線上排列的與光源不等距離的多個光敏二報管的方法，認(rèn)為離光源近處的信號僅與外層組織有關(guān)，而與距光遠(yuǎn)距離的信號中既包括外層組織和深層待測組織的信息，并用兩個檢測器接收的光強(qiáng)相減的方法以消除外層組織的影響，如圖1所示，其中a為一個光源，b為檢測器，c為探頭，d為檢測器，e為深層待測組織，f為外層組織。這種做法使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、信號弱靈敏度降低。本發(fā)明則采取另外一條思路。即是以外層組織的厚度為參數(shù)，推導(dǎo)出對測試結(jié)構(gòu)進(jìn)行修正的校正系數(shù)。以達(dá)到修正的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種修正外層組織影響的組織血氧檢測方法而且檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，檢測精度也較高。
本發(fā)明的特征在于它使用三個各自能分別發(fā)射波長為λ1的紅光和波長為λ2的紅外光的發(fā)光管與位于一側(cè)的光電接收管組成傳感器，三個發(fā)光光與光電接收器的中心距d至少為30mm，40mm和50mm，檢測時根據(jù)外層組織的類型從中選取具有能夠的中心距的發(fā)光二極管，并只命令此發(fā)光二極管發(fā)光，根據(jù)檢測到的波長分別為λ1、λ2的光密度ODλ1，i＝1，2，來分別計(jì)算兩個相鄰采樣時刻的合氧血紅蛋白濃度的和還原血紅蛋白濃度的改變量ΔCHbO2、ΔCHb，再考慮外層厚度的影響，把所計(jì)算得到的ΔCHbO2、ΔCHb除以小于1的校正因子，便可得到修正外層組織厚度影響后的ΔCHbO2、ΔCHb的值；以上所述的方法依次有以下步驟(1)根據(jù)測試的對象和測試的部位，用超聲方法測定外層組織厚度根據(jù)外層組織的厚度擇定一個與光電接收管的距離d的發(fā)光二極管；(2)檢測在已選定的發(fā)光管的光電接收管的中心距離下光密度值ODλIi=1,2;]]> 其中，I入為光源功率，I出是入射光經(jīng)過生物組織散射之后，光電接收管收到的光功率；(3)檢測血氧狀態(tài)隨時間變化過程中，兩個相鄰采樣間隔的光密度ODλ1之差ODkλiΔODkλi=ODt+1λi-ODtλi]]>其中，ODtλi和ODt+1λi分別為波長為λi時，在t時刻及其后的t+1時刻的光密度之差；(4)血氧狀態(tài)隨時間變化過程中，兩個相鄰采樣時刻下，合氧血紅蛋白的濃度變化是ΔCHbO2和還原血紅蛋白濃度變化是ΔCHb，可用以下公式算出ΔCHbO2=α1ΔODkλ1-α2ΔODkλ2]]>ΔCHb=α3ΔODkλ1-α4ΔODkλ2]]>其中α1-α4為常數(shù)但與波長有關(guān)的，波長為λ1下α1為-1.6～-2.5，α3為2.6～3.85波長為λ2下α2為-2.5～-3.6，α4為0.61.6(5)考慮外層組織厚度的影響，對上述ΔCHbO2、ΔCHb的值進(jìn)行修正，即對其除以小于1的因子yy＝ax2+bx+c其中，x為外層組織的厚度，x≥1mm；a、b、c可分別根據(jù)外層組織的餓類型取值。
當(dāng)外層組織為頭皮、顱骨、腦脊液的情況下，在測成人腦氧時，d至少為50mm；在測嬰兒腦氧時，d至少30mm。
當(dāng)外層組織為肌肉的脂肪層厚度的情況下，在檢測肌肉血氧參數(shù)而脂肪厚度大于15mm時，d值至少為50mm，否則至少為40mm。
當(dāng)外層組織為頭皮、顱骨和腦脊液時，在校正因子y的計(jì)算公式中，a的取值為0.0015-0.0018，b取值為-0.08--0.093，c取值為1.01-1.05。
在檢測肌肉血氧參數(shù)時，在校正因子y的計(jì)算公式中，a的取值為0.0012-0.0014，b取值為-0.093--0.097，c取值為1.01-1.05。
實(shí)驗(yàn)證明本發(fā)明提出的方法把外層組織對深層的信號影響減小，同時還提高了光信號的強(qiáng)度，有利于提高檢測精度，而且檢測系統(tǒng)的電路也得到簡化。


圖1現(xiàn)有檢測方法示意圖。
圖2本發(fā)明檢測方法示意圖。
圖3傳感器外觀布置圖。
圖4本發(fā)明提出的組織血氧參數(shù)檢測中修正外層組織影響的的程序流程圖。
圖5硬件裝置結(jié)構(gòu)圖。
圖6為人體前臂阻斷測試圖。
圖7全阻斷的血氧變化和校正結(jié)果。
具體實(shí)施例方式為將外層組織對檢測精度的影響減到最少。本發(fā)明首先要求根據(jù)待測對象外層組織的類型和厚度適當(dāng)?shù)卮_定傳感器上的光源到檢測器距離d。外層組織的厚度可由常規(guī)的超聲技術(shù)獲得。當(dāng)外層組織愈厚，則距離應(yīng)取較大的值，以保證光子能深入到待測的組織，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)測成人腦氧，d取50mm，測嬰兒腦d取30mm。當(dāng)測肌肉而脂肪厚度大于15mm時，d取50mm，否則取40mm為宜。多層組織結(jié)構(gòu)如圖2所示。在圖2中1是與光學(xué)傳感器OPSU相距距離為r1的光源LS1，2是與光學(xué)傳感器OPUS相距距離為r2的光源LS2，3是與光學(xué)傳感器OPUS相距距離為r3的光源LS3，4是光學(xué)傳感器OPSU，5為第1層組織并用T1表示，6為第2層組織并用T2表示7為第3層組織并用T3表示，在人體肌肉組織血氧測定的組織模型中，T1為皮膚，T2肌肉皮下組織，T3為肌肉組織；在人體腦血氧測定的組織模型中，T1為皮膚，T2為顱骨，T3為腦組織(灰質(zhì)和白質(zhì))。b1、b2、b3為光子遷移的軌跡。要檢測不同深度的組織，將LS放在與光傳感器OPUS的不同距離上，LS3發(fā)光由OPUS檢測的主要是T1層的信息，LS2發(fā)光由OPUS檢測的是T1和T2層的信息，LS1發(fā)光由OPUS檢測的主要是T1、T2層和T3層的信息。光源LS1、LS2、LS3到OPUS的距離為r1，r2，r3。
如圖3所示，傳感器上的三個發(fā)光管1LED1、2LED2、3LED3與4光電接收管OPUS的中心距分別為50mm，40mm和30mm。在使用時根據(jù)肌肉的脂肪層厚度或腦部表皮和顱骨的厚度擇定這三個距離中的一個距離并令此發(fā)光二極管發(fā)光，其余兩個發(fā)光二極管則不發(fā)光。每個發(fā)光管應(yīng)能分別發(fā)射兩種波長的光。波長分別為紅光及近紅外光，下邊以λ1，λ2表示不同波長。通過兩波長對應(yīng)的光密度OD的改變量計(jì)算出氧合血紅蛋白變化量ΔHbO2與還原血紅蛋白變化量ΔHb。
由于存在外層組織影響，因此計(jì)算所得的ΔCHbO2和ΔCHb都要小于實(shí)際的值。為此要除一個小于1的系數(shù)y。y的值取決于外層組織的厚度，其關(guān)系可以由仿真計(jì)算得到，也可以由實(shí)驗(yàn)得到。本發(fā)明認(rèn)為它可以用二次曲線來進(jìn)行表示。方程中的系數(shù)由實(shí)驗(yàn)事先決定。
本發(fā)明實(shí)施之后帶來的效果可歸納為(1)將使得不同外層組織厚度的受試者其測得的參數(shù)具有可比性，因而據(jù)此得出的結(jié)論才是可靠的，為正確的確定本發(fā)明經(jīng)驗(yàn)公式中的a、b、c系數(shù)，是基于大量的仿真和實(shí)驗(yàn)工作。(2)在不同組織和相應(yīng)的外層組織厚度下?lián)穸ê线m的檢測距離。
本發(fā)明所述的程序流程框圖見圖4。
應(yīng)用本發(fā)明所述方法構(gòu)成的檢測系統(tǒng)電路原理框圖見圖5.
依據(jù)漫射光原理設(shè)計(jì)出的典型硬件裝置如圖5所示。在使用時，首先利用超聲方法測出外層組織厚度并將厚度值輸入儀器。系統(tǒng)從三個發(fā)光二極管LED 1LS、2LS、3LS中選擇其中的一個，選擇的原則為測成人腦氧，選LS1，嬰兒取LS3，測肌肉當(dāng)脂肪原大于15mm時，選LS1，小于15mm取LS2。由光電檢測器4OPUS檢測光強(qiáng)變化，OPUS選擇2CU30S，4OPUS連至前置放大器TLC27L2將信號放大，在微控制器AT89C52控制下信號進(jìn)入采樣保持器LF398通過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC TLC2543進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果存入存儲器。由方法中給出的算法和步驟，計(jì)算出氧合血紅蛋白變化量(ΔHbO2)與還原血紅蛋白變化量(ΔHb)并進(jìn)行校正。
檢測了人體前臂靜脈、動脈全阻斷情況。獲得ΔCHbO2、ΔCHb，用以模擬人體組織缺氧的狀況和生理改變過程。圖6為人體前臂阻斷測試圖。阻斷壓力為240mHg以上，系統(tǒng)穩(wěn)定110秒后開始迅速加壓，在阻斷230秒后結(jié)束阻斷。圖7為全阻斷的血氧變化結(jié)果，顯示校正外層組織影響后的結(jié)果前臂全阻斷的ΔCHbO2、ΔCHb的變化曲線；*代表校正前的ΔCHb；o代表校正后的ΔCHb；+代表校正前的ΔCHbO2；+代表校正后的ΔCHbO2(皮膚和脂肪厚度＝5mm)。圖8為現(xiàn)有方法未校正的曲線。
權(quán)利要求
1.可校正外層組織影響的組織血氧參數(shù)檢測方法，包括用近紅外雙波長光譜方法檢測生物組織中的合氧及還原的血紅蛋白的變化量，其特征在于它使用三個各自能分別發(fā)射波長為λ1的紅光和波長為λ2的紅外光的發(fā)光管與位于一側(cè)的光電接收管組成傳感器，三個發(fā)光光與光電接收器的中心距d至少為30mm，40mm和50mm，檢測時根據(jù)外層組織的類型從中選取具有能夠的中心距的發(fā)光二極管，并只命令此發(fā)光二極管發(fā)光，根據(jù)檢測到的波長分別為λ1、λ2的光密度ODλi，i＝1，2，來分別計(jì)算兩個相鄰采樣時刻的合氧血紅蛋白濃度的和還原血紅蛋白濃度的改變量ΔCHbO2、ΔCHb，再考慮外層厚度的影響，把所計(jì)算得到的ΔCHbO2、ΔCHb除以小于1的校正因子，便可得到修正外層組織厚度影響后的ΔCHbO2、ΔCHb的值；以上所述的方法依次有以下步驟(1)根據(jù)測試的對象和測試的部位，用超聲方法測定外層組織厚度根據(jù)外層組織的厚度擇定一個與光電接收管的距離d的發(fā)光二極管；(2)檢測在已選定的發(fā)光管的光電接收管的中心距離下光密度值ODλii＝1，2； 其中，I入為光源功率，I出是入射光經(jīng)過生物組織散射之后，光電接收管收到的光功率；(3)檢測血氧狀態(tài)隨時間變化過程中，兩個相鄰采樣間隔的光密度ODλi之差ODkλiΔODkλi=ODt+1λi-ODtλi]]>其中，OD1λi和ODt+1λi分別為波長為λi時，在t時刻及其后的t+1時刻的光密度之差；(4)血氧狀態(tài)隨時間變化過程中，兩個相鄰采樣時刻下，合氧血紅蛋白的濃度變化是ΔCHbO2和還原血紅蛋白濃度變化是ΔCHb，可用以下公式算出ΔCHbO2=α1ΔODkλ1-α2ΔODkλ2]]>ΔCHb=α3ΔODkλ1-α4ΔODkλ2]]>其中α1-α4為常數(shù)但與波長有關(guān)的，波長為λi下α1為-1.6～-2.5，α3為2.6～3.85波長為λ2下α2為-2.5～-3.6，α4為0.6～1.6(5)考慮外層組織厚度的影響，對上述ΔCHbO2、ΔCHb的值進(jìn)行修正，即對其除以小于1的因子yy＝ax2+bx+c其中，x為外層組織的厚度，x≥1mm；a、b、c可分別根據(jù)外層組織的餓類型取值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可修正外層組織影響的組織血氧參數(shù)檢測方法，其特征在于當(dāng)外層組織為頭皮、顱骨、腦脊液的情況下，在測成人腦氧時，d至少為50mm；在測嬰兒腦氧時，d至少30mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可能修正外層組織影響的組織血氧參數(shù)檢測方法，其特征在于當(dāng)外層組織為肌肉的脂肪層厚度的情況下，在檢測肌肉血氧參數(shù)而脂肪厚度大于15mm時，d值至少為50mm，否則至少為40mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可修正外層組織影響的組織血氧參數(shù)檢測方法其特征在于當(dāng)外層組織為頭皮、顱骨和腦脊液時，在校正因子y的計(jì)算公式中，a的取值為0.0015-0.0018，b取值為-0.08--0.093，c取值為1.01-1.05。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可修正外層組織影響的組織血氧參數(shù)檢測方法其特征在于在檢測肌肉血氧參數(shù)時，在校正因子y的計(jì)算公式中，a的取值為0.0012-0.0014，b取值為-0.093--0.097，c取值為1.01-1.05。
全文摘要
可修正外層組織影響的組織血氧參數(shù)檢測方法屬于生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，其特征在于針對不同測試對象(成人和嬰兒)和生物組織(包括腦組織和肌肉組織)氧合血紅蛋白變化量(ΔHbO
文檔編號A61B5/145GK1542434SQ20031010319
公開日2004年11月3日 申請日期2003年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月7日
發(fā)明者黃嵐, 王廣志, 丁海曙, 田豐華, 趙軍, 黃 嵐 申請人:清華大學(xué)