專利名稱：漫射光的生物組織血氧代謝的無損監測方法及其系統的制作方法
技術領域：
基于漫射光的生物組織血氧代謝的無損監測方法屬于光譜技術應用和生物醫學工程領域。
背景技術：
監測局部組織(包括腦和肌肉)的血運情況，觀察其隨時間變化的規律，對于手術過程中的病人、危重病人及患有缺氧缺血腦病的嬰兒和對組織移植后成活率的監護有重要意義。
確定局部組織氧代謝狀況，主要有基于電化學原理的有創組織氧分壓的直接測量方法和基于光學測量的無損檢測方法。而光學方法可以完成無創的監測，使用方便安全，穩定可靠。本發明屬于光學方法中的一種。公開號CN1365649A的文件中描述的方法基于經典的Lambert-Beer定律，這個經典的定律是針對無散射的情況，對于具有強散射光學特性的人體和其他生物組織，這個定律在此種情況下須修正后才能使用。從原理上，直接在強散射下應用經典的Lambert-Beer定律無法獲得任何正確的結果。公開號US005632273A使用的方法為基于半無限大均勻介質，其采用的穩態空間分辨的計算算法對于具有外層組織時檢測深層組織的血氧飽和度有影響，公開號CN1333011A和CN1331953A的專利中使用的方法為沒有確定性的算法步驟和檢測值，不能準確檢測組織血氧飽和度，且信號弱影響檢測精度，系統結構復雜。與公開號US005632273A、CN1333011A和CN1331953A相比，本發明與其區別在于(1)本專利明確是檢測組織血氧飽和度而不是泛指的“血氧參數”。(2)本專利利用多光源和單檢測器的方法區別于單光源和多檢測器的方法，信噪比高，檢測精度高，系統結構簡單。(3)本發明給出了可用的、存在外層組織條件下準確檢測組織血氧飽和度值的經驗公式。圖1給出現有專利的檢測示意圖，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。
發明內容
本發明申請與以往的方法及目前國內公開的專利技術相比其特點及優越在于第一它明確給出被測量是血氧飽和度的絕對值而非“血氧”參數這樣含糊的概念。知道了組織血氧飽和度的絕對值才能夠確切判斷患者血運狀態是否正常，因而這參數更具有臨床意義。第二，外層組織的厚度往往是引起血氧參數誤差的重要因素，但本專利的方法可以消除這種影響。從實現方法來講，盡管利用氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白的吸收光譜是這一領域的中諸多測試技術的共同之處，但本專利的特點在于第一，采用了排列在一條直線上的多個光源和單個檢測器的方法，它可提高檢測精度并便于調整；第二，考慮了生物組織的高度散射性，提出了半經驗公式，這些都區別于國內外現有專利中所提出的方案。
在圖2中1是與光學傳感器OPSU相距距離為r1的光源LS1，2是與光學傳感器OPUS相距距離為r2的光源LS2，3是與光學傳感器OPUS相距距離為r3的光源LS3，4是光學傳感器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(灰質和白質)。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發光由OPUS檢測的主要是T1層的信息，LS2發光由OPUS檢測的是T1和T2層的信息，LS1發光由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。
本發明提出的近紅外多光源生物組織血氧飽和度檢測方法其特征在于它使三個不同位置上且每一個均可分別發出兩個波長的光的發光二極管LED依次在小于0.5ms的時間間隔內順序發光，再由一個位于上述三個發光二極管一側的光電檢測器依次檢測來自上述三個發光二極管的通過深層結構組織而漫射出光的光強，并由此通過計算光密度值OD來算出深層局部待測組織的血氧飽和度，這種無損監測方法依次含有以下步驟(1)通過計算機利用光密度的公式檢測光電檢測器不同檢測距離下的光密度ODk，并保存。
(1.1)把三個光源固定在三個不同位置上。
(1.2)在微控制器控制下驅動各光源順序發光，并依時序測量散射光強對應的值。
(1.3)利用下述光密度公式計算離光電檢測器不同檢測距離下的光密度ODkODk=logIkIkr,]]>其中，k＝1，2，3，表示三個不同光源的腳標；Ikr為不同位置的光源發出的光經過組織內部散射之后由光電檢測品檢測到反射光強，Ik為三個光源出射的光強；(2)依據上述測試結果，計算深層局部待測組織的氧飽和度rSO2，顯示并保存；(2.1)把同一檢測周期內但不同檢測距離下檢測到的光密度相減求差
ΔOD2λj=OD2λj-ODλjλj,]]>ΔOD1λj=OD3λj-OD2,]]>其中，j＝1，2，分別表示不同的波長，即λ1、λ2分別表示不同波長下的光波波長ΔOD2λj表示第2個光源發出的其波長為λj的光的光密度與第1個光源發出的其波長為λj的光的光密度之差；ΔOD1λj表示第3個光源發出的其波長為λj的光的光密度與第2個光源發出的其波長為λj的光的光密度之差(2.2)用以下經驗公式用計算機算出深層局部待測組織的氧飽和度rSO2rSO2=C(ΔOD1λ1ΔOD1λ2)2+B1(ΔOD1λ1ΔOD1λ2)+B2(ΔOD2λ1ΔOD2λ2)+A]]>其中C0.16～0.25；B1-1.66～-2.5B2-0.13～-0.25；A1.8～2.7。
所述的三個光源與光電檢測器處于同一直線上。
兩相鄰光源的中心距在5mm～10mm之間，光電檢測器與諸光源的中心距在30mm～50mm之間。
所述的諸光源是可分別發出紅光和近紅外光。
本發明提出的近紅外多光源生物組織血氧飽和度檢測系統其特征在于它含有三個光源和一個光電檢測器的傳感器，經三路發光的二極管驅動電路與諸諸光源相連的微控制器；其中微處理器又依次經過相互串接的A/D轉換器、采樣保持電路前置放大器和上述光電檢測輸出端相連。
圖1通用監測方法的示意圖。
圖2本發明監測方法原理圖。
圖3血紅蛋白吸收光譜。
圖4本發明提出的檢測生物組織血氧代謝的程序流程圖。
圖5硬件裝置結構圖。
圖6傳感器外觀圖。
圖7本發明硬件裝置外觀圖。
圖8實驗結果。
具體實施例方式
它含有分布在與光電檢測器不同的距離上的3個紅外光源LS，1個光電檢測器OPUS，它們成線性排列，構成探頭8，如圖6所示。本發明根據在不同位置上測到的多個光密度值，并經過對其進行給出的經驗公式進行代數運算得到局部區域的組織氧飽和度。系統由傳感器、前置放大電路、A/D轉換器、嵌入式微控制器，外部SRAM、液晶顯示器和觸摸屏組成系統，如圖5所示。所述之微控制器采用AT89C52，所采用的OPUS為硅光電池，液晶顯示器分辨率為320*240和一個1024*1024的觸摸屏。外觀如圖7所示，探頭8將插頭9連至儀器10上，11為液晶和觸摸屏，12為復位按鈕。
依據漫射光原理設計出的典型的硬件裝置，如圖5所示。光源LS用3個LED與1個OPUS在不同的距離上(成一條線，LED分別)，3個LED分別光電檢測器OPUS相距20mm、30mm、40mm，由光電檢測器OPUS檢測光強變化。硅光電池OPUS連至前置放大器TLC27L4，微控制器AT89C52控制采樣保持器LF398工作并啟動A/D TLC2543轉換，對轉換結果讀取并記錄采樣值。微控制器驅動光源LS發光，并將由OPUS檢測值的A/D轉換值保存到存儲芯片6264，上述優點通道的一致性很好，使數據有可比性。
本發明中裝置中的探頭中有3個LED，r2、r3處的2個LED用于校正外層組織的影響。在整個組織中，由于生物組織的吸收有一定的特征，只有選擇合適的波長，才能較好地計算出局部組織氧飽和度和血氧濃度改變。不同組織的測量中波長選擇有些不同，肌肉血氧檢測700/880nm，頭部的780nm/840nm，我們使用的是700/880、780nm/840nm組件LED。為了對生物組織不產生任何傷害，LED的光功率應小于10mW。
通過上述硬件結構和工作原理之介紹，系統信號流程可歸納為(1)微控制器向LS驅動單元發出控制信號，3個LED順序發光(2)光經組織(圖2中的5T1、6T2、7T3)從檢測部位出射(3)OPUS檢測光強連至前置放大器(4)1路采樣保持器對信號采樣保持，A/D轉換器進行轉換，由微控制器控制將轉換結果讀入SRAM保存。(5)由微控制器中計算并顯示局部組織氧飽和度rSO2。
在微控制器中計算3個距離上的OD值，利用公式，解算出rSO2。
實驗效果利用本發明測試正常嬰兒和患腦病的嬰兒在安靜狀態下，組織氧飽和度的基礎值；血液模型中的有外層組織時利用本發明檢測的血氧飽和度變化值和公開號US005632273A使用的方法的對比，US005632273A使用的方法在測量范圍有限，為18％-98％如圖8所示。
本專利發明實施后帶來的效果可歸納為(1)它是無損的、同時又是定量的，在存在外層組織時準確反映血氧飽和度。(2)本發明提供的組織血氧飽和度的絕對值這個參數是能夠判斷組織血運狀態是否正常的主要指標(與其它血氧指標的變化量相比)。
本發明的主要特點1、提出了局部組織氧飽和度的檢測方法，并給出存在外層組織條件下準確檢測組織血氧飽和度值的經驗公式，結果準確，無須校準。
2、依據1的方法采用3個光源和一個光電檢測器檢測，每個光源線性排列在與光電檢測器的不同距離上。信噪比高，檢測精度高，系統結構簡單。
權利要求
1.基于漫射光的生物組織血氧代謝無損監方測法包含使用位于深層待測組織表面的光源和檢測來監測來自深層局部待測組織的漫射光的步驟，其特征在于它使三個不同位置上且每一個均可分別發出兩個波長的光的發光二極管LED依次在小于0.5ms的時間間隔內順序發光，再由一個位于上述三個發光二極管一側的光電檢測器依次檢測來自上述三個發光二極管的通過深層結構組織而漫射出光的光強，并由此通過計算光密度值OD來算出深層局部待測組織的血氧飽和度，這種無損監測方法依次含有以下步驟(1)通過計算機利用光密度的公式檢測光電檢測器不同檢測距離下的光密度ODk，并保存。(1.1)把三個光源固定在三個不同位置上。(1.2)在微控制器控制下驅動各光源順序發光，并依時序測量散射光強對應的值。(1.3)利用下述光密度公式計算離光電檢測器不同檢測距離下的光密度ODkODk=logIkIkr,]]>其中，k＝1，2，3，表示三個不同光源的腳標；Ikr為不同位置的光源發出的光經過組織內部散射之后由光電檢測品檢測到反射光強，Ik為三個光源出射的光強；(2)依據上述測試結果，計算深層局部待測組織的氧飽和度rSO2，顯示并保存；(2.1)把同一檢測周期內但不同檢測距離下檢測到的光密度相減求差ΔOD2λi=OD2λi-ODλjλj,]]>ΔOD1λj=OD3λj-OD2,]]>其中，j＝1，2，分別表示不同的波長，即λ1、λ2分別表示不同波長下的光波波長ΔOD2λj表示第2個光源發出的其波長為λj的光的光密度與第1個光源發出的其波長為λj的光的光密度之差；ΔOD1λj表示第3個光源發出的其波長為λj的光的光密度與第2個光源發出的其波長為λj的光的光密度之差(2.2)用以下經驗公式用計算機算出深層局部待測組織的氧飽和度rSO2rSO2=C(ΔOD1λ1ΔOD1λ2)2+B1(ΔOD1λ1ΔOD1λ2)+B2(ΔOD1λ1ΔOD2λ2)+A]]>其中C0.16～0.25；B1-1.66～-2.5B2-0.13～-0.25；A1.8～2.7。
2.根據權利要求1所述的基于漫射光的生物組織血氧代謝無損監測方法其特征在于所述的三個光源與光電檢測器處于同一直線上。
3.根據權利要求1所述的基于漫射光的生物組織血氧代謝監測方法，其特征在于兩相鄰光源的中心距在5mm～10mm之間，光電檢測器與諸光源的中心距在30mm～50mm之間。
4.根據檢測要求1所述的基于漫射光的生物組織血氧代謝監測方法，其特征在于所述的諸光源是可分別發出紅光和近紅外光。
5.基于漫射光的生物組織血氧監測方法及其特征在于它含有三個光源和一個光電檢測器的傳感器，經三路發光的二極管驅動電路與諸諸光源相連的微控制器；其中微處理器又依次經過相互串接的A/D轉換器、采樣保持電路前置放大器和上述光電檢測輸出端相連。
全文摘要
基于漫射光的生物組織血氧代謝無損監測方法及其系統屬于生物醫學工程技術領域，其特征在于它使三個不同位置上且每一個均可分別發出兩個波長光的發光二極管依次在小于0.5ms的時間間隔內順序發光，再由一個位于上述三個發光二極管一側的光電檢測器依次檢測來自上述三個發光二極管的經過深層組織的漫射出的光的光強，并由此依次計算出光密度OD及待測組織的血氧飽和度，它可精確地給出組織血氧飽和度，系統結構簡單更適合實用要求。
文檔編號A61B5/145GK1540314SQ20031010305
公開日2004年10月27日 申請日期2003年10月31日 優先權日2003年10月31日
發明者丁海曙, 黃嵐, 王廣志, 騰軼超, 李岳 申請人:清華大學