專利名稱：人體組織氧合與還原血紅蛋白濃度絕對量的檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
人體組織氧合與還原血紅蛋白濃度絕對量的檢測方法屬于生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
檢測組織氧合與還原血紅蛋白的濃度，并觀察其隨時間變化的規(guī)律，有助于了解缺氧缺血腦病患者及手術(shù)過程中患者局部組織的血容量，對治療效果評定有重要定義。
確定人體組織氧代謝狀況的方法，主要包括對人體有創(chuàng)的檢測方法和基于光學(xué)測量的無損檢測方法。光學(xué)方法可以實現(xiàn)無創(chuàng)監(jiān)測，使用方便安全，穩(wěn)定可靠。本發(fā)明屬于光學(xué)方法的一種。公開號CN 1365649A的文件描述的方法基于經(jīng)典的Lambert-Beer定律，該定律針對無散射的情況；對于具有強(qiáng)散射光學(xué)特性的人體和其他生物組織，這個定律須修正后才能使用。從原理上，在強(qiáng)散射下直接應(yīng)用經(jīng)典的Lambert-Beer定律無法獲得任何正確的結(jié)果。本發(fā)明與公開號US005632273A，CN1333011A和CN1331953A的區(qū)別在于(1)本發(fā)明檢測的是氧合與還原血紅蛋白的濃度絕對量而不是相對變化量，并且包括組織的氧飽和度；(2)本發(fā)明所用的傳感器使用至少三個發(fā)光波長的多波長光源和雙檢測器，目的在于提高檢測的靈敏度和信噪比。(3)本發(fā)明給出了計算氧合與還原血紅蛋白濃度絕對量的公式，適用于人體各種組織中氧合與還原血紅蛋白濃度絕對量的計算。圖1給出了現(xiàn)有方法的檢測示意圖，其中a為光源，b為檢測器，c為探頭，d為另一個檢測器，e為深層待測組織，f為外層組織。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種人體組織氧合與還原血紅蛋白濃度絕對量的檢測方法。
檢測組織氧合與還原血紅蛋白的濃度，并觀察其隨時間變化的規(guī)律，有助于了解缺氧缺血腦病患者及手術(shù)過程中患者局部組織的血容量，對治療效果評定有重要定義。從實現(xiàn)方法來講，盡管利用氧合和還原血紅蛋白的吸收光譜(圖2)是這一領(lǐng)域諸多測試技術(shù)的共同之處，但本專利申請與以往的方法及目前國內(nèi)公開的專利技術(shù)相比其特點(diǎn)及優(yōu)越性在于第一，它采用多個發(fā)光波長的光源以提高檢測靈敏度。第二，與其他專利不同，不僅可以檢測氧合與還原血紅蛋白濃度的相對變化量，而且可以給出其濃度絕對量；進(jìn)而還可以由此算出局部組織的氧飽和度，既反映組織氧代謝的狀況，又表征自主調(diào)節(jié)功能正常與否。第三，光源采用發(fā)光二極管，發(fā)光功率穩(wěn)定，電路易于設(shè)計，能夠保證氧合與還原血紅蛋白濃度絕對量的測量穩(wěn)定、準(zhǔn)確。這些都區(qū)別于國內(nèi)外現(xiàn)有專利中提出的方案。
在圖3中1是與光源LS(可發(fā)出至少三個波長的發(fā)光二極管)距離為r1的光電接收管OPUS1，2是與LS距離為r2的光電接收管OPUS2，3是光源LS，4是第1層組織并用T1表示，5是第2層組織并用T2表示，6是第3層組織并用T3表示。在檢測腦組織血氧的模型中，T1為皮膚，T2為顱骨和腦脊液，T3為腦組織(灰質(zhì)和白質(zhì))。b1，b2為光子遷移的軌跡。為檢測不同深度的組織，需將兩個光電接收管放在與LS不同的距離上，從而使OPUS2檢測T1和T2層的信息，而OPUS1檢測T1，T2和T3層的信息。
本發(fā)明的特征在于它依次含有以下各個步驟(圖4)步驟(1)在待測生物組織表面保持設(shè)定間距的兩個位置上各安放一個光電接收管，分別為OPUS1，OPUS2；在上述兩個光電接收管連線的延長線的一端，安放至少三個不同發(fā)光波長的發(fā)光二極管作為光源(LS)，一般將多個發(fā)光波長對應(yīng)的管芯集成在一個管殼中；兩個光電接收管的中心距在2mm～10mm，各光電接收管與光源的中心距在20mm～50mm；光源發(fā)出紅光或近紅外光； 步驟(2)按以下步驟檢測各光電接收管接收到的散射光強(qiáng)，并依此計算其光密度OD，步驟如下 步驟(2.1)微控制器驅(qū)動上述光源分時發(fā)出波長為λi的光，i≥3，用兩個光電接收管OPUS1，OPUS2依次在0.5ms內(nèi)分別測量對應(yīng)波長的散射光強(qiáng)值； 步驟(2.2)利用光密度的計算公式，由微控制器算出不同檢測距離下，對應(yīng)各個發(fā)光波長的光密度ODkλi 其中，k＝1，2分別表示從左到右的兩個光電接收管OPUS1和OPUS2， λi表示發(fā)光波長，其中i≥3， I0i為光源發(fā)出的第i個波長的光強(qiáng)，Iki為第k個位置的光電接收管檢測到的經(jīng)過待測生物組織內(nèi)部散射之后的第i個波長的出射光強(qiáng)； 步驟(3)根據(jù)步驟(2)測定的ODkλi，微控制器按以下步驟計算氧合血紅蛋白HbO2與還原血紅蛋白Hb的濃度絕對量，顯示并保存記錄 先把對應(yīng)同一波長，在不同檢測位置得到的光密度相減 再按下列公式計算HbO2與Hb的濃度絕對量 其中 a1＝-0.3M，a2＝0.25M， b1＝0.85M，b2＝-0.05M 這里M＝DP(r1-r2)；DP為常數(shù)，肌肉組織取4，新生兒腦組織可取3；r1為光源到光電接收管OPUS1的直線距離，r2為光源到光電接收管OPUS2的直線距離；HbO2和Hb的單位為μmol/l； 步驟(4)由HbO2與Hb的濃度絕對量計算人體局部組織的氧飽和度rSO2 利用本發(fā)明測試了5例新生兒腦組織HbO2與Hb的濃度絕對量，以及其腦組織的氧飽和度rSO2，如表1。表1 5例新生兒腦組織HbO2與Hb的濃度絕對量 本發(fā)明的實施效果可歸納為(1)采用多波長光源和雙檢測器，提高了檢測靈敏度和信噪比；光源采用發(fā)光二極管，其發(fā)光功率穩(wěn)定，電路易于設(shè)計；這些都使組織HbO2與Hb濃度絕對量的檢測結(jié)果穩(wěn)定可靠；(2)由HbO2與Hb的濃度絕對量，可以計算出人體局部組織的氧飽和度rSO2，從而及時反映局部組織的血液循環(huán)狀況；(3)適用于人體不同組織的氧合與還原血紅蛋白濃度絕對量的無損、實時、連續(xù)測量。



圖1現(xiàn)有檢測方法示意圖。
圖2Hb與HbO2的吸收光譜

Hb；

HbO2。
圖3本發(fā)明所述檢測方法的示意圖。
圖4本發(fā)明所述檢測方法的流程圖。
圖5按本發(fā)明設(shè)計的系統(tǒng)的電路原理框圖。

具體實施例方式 上述無損檢測氧合與還原血紅蛋白濃度絕對量的步驟(1)中依次含有以下步驟 將兩個光電接收管OPUS1，OPUS2和3個發(fā)光波長的光源LS放置在適當(dāng)?shù)奈恢蒙稀?br> 上述無損檢測氧合與還原血紅蛋白濃度絕對量的步驟(2)中依次含有以下步驟 微控制器驅(qū)動光源分時發(fā)出三個不同波長的光，并依時序在0.5ms內(nèi)用OPUS1和OPUS2測量對應(yīng)的散射光強(qiáng)值(圖3)； 利用光密度的公式計算出不同檢測距離下的光密度ODkλi k＝1，2表示光電接收管OPUS1和OPUS2；I0i為光源發(fā)出的第i個波長的光強(qiáng)，Iki為置于第k個檢測位置的光電接收管檢測到的經(jīng)過待測組織內(nèi)部散射之后的第i個波長的出射光強(qiáng)，i＝1，2，3。
上述無損檢測氧合與還原血紅蛋白濃度絕對量的步驟(3)中依次含有以下步驟 為計算氧合血紅蛋白HbO2與還原血紅蛋白Hb的濃度絕對量，將上述步驟(2)中兩個光電接收管得到的兩個檢測距離處對應(yīng)各個波長的光密度相減，即得到 微控制器再按以下公式計算HbO2與Hb的濃度絕對量 其中 a1＝-0.3M，a2＝0.25M， b1＝0.85M，b2＝-0.05M 這里M＝DP(r1-r2)；DP為常數(shù)，肌肉組織取4，新生兒腦組織可取3；r1為光源到光電接收管OPUS1的直線距離，r2為光源到光電接收管OPUS2的直線距離；HbO2和Hb的單位為μmol/l。
上述無損檢測氧合與還原血紅蛋白濃度絕對量的步驟(4)中依次含有以下步驟 由HbO2與Hb的濃度絕對量計算出人體局部組織的氧飽和度rSO2 按本發(fā)明設(shè)計的系統(tǒng)由傳感器，發(fā)光驅(qū)動電路，前置放大器電路，A/D轉(zhuǎn)換器，微控制器，EEPROM和液晶顯示器構(gòu)成，如圖5所示。傳感器由光源LS(三個波長的發(fā)光二極管，圖3中的3)和2個光電接收管OPUS1，OPUS2(圖3中的1，2)組成，且LS與OPUS1，OPUS2以一定距離置于一條直線上。OPUS采用2CU30S，用于檢測出射光強(qiáng)。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(zhuǎn)換，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果并記錄采樣值。微控制器驅(qū)動光源LS發(fā)光，并將A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果保存到存儲芯片6264上。上述設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)是通道的一致性很好，從而數(shù)據(jù)有可比性。
本發(fā)明裝置的傳感器上r2處的1個OPUS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特性，只有選擇合適的波長，才能較好地計算出局部組織HbO2與Hb的濃度絕對量。對不同的被測組織應(yīng)當(dāng)選擇不同的發(fā)光波長，檢測腦組織時三個發(fā)光波長選擇為730nm/840nm/810nm，因此我們使用發(fā)光波長為730nm/840nm/810nm的發(fā)光二極管。為了不對生物組織產(chǎn)生任何傷害，光源的平均發(fā)光功率應(yīng)小于10mW。
根據(jù)上述硬件結(jié)構(gòu)及其原理，該系統(tǒng)的工作流程可歸納為(1)微控制器向LS驅(qū)動單元發(fā)出控制信號，驅(qū)動三波長光源發(fā)光；(2)光經(jīng)過被測組織(圖3中的T1，T2，T3)從檢測部位出射；(3)OPUS1，OPUS2檢測出射光，并經(jīng)前置放大器放大；(4)放大后的信號經(jīng)2路采樣/保持，然后由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，微控制器將轉(zhuǎn)換結(jié)果讀入SRAM保存；(5)由微控制器計算并顯示HbO2與Hb的濃度絕對量，以及組織的rSO2。
權(quán)利要求
1.人體組織氧合與還原血紅蛋白濃度絕對量及組織氧飽和度的檢測方法，其特征在于依次含有以下各個步驟
步驟(1)在待測生物組織表面保持設(shè)定間距的兩個位置上各安放一個光電接收管，分別為(OPUS1)，(OPUS2)；在上述兩個光電接收管連線的延長線的一端，安放至少三個不同發(fā)光波長的發(fā)光二極管作為光源(LS)，一般將多個發(fā)光波長對應(yīng)的管芯集成在一個管殼中；兩個光電接收管的中心距在2mm～10mm，各光電接收管與光源的中心距在20mm～50mm；光源發(fā)出紅光或近紅外光；
步驟(2)按以下步驟檢測各光電接收管接收到的散射光強(qiáng)，并依此計算其光密度OD，步驟如下
步驟(2.1)微控制器驅(qū)動上述光源分時發(fā)出波長為λi的光，i≥3，用兩個光電接收管(OPUS1)，(OPUS2)依次在0.5ms內(nèi)分別測量對應(yīng)波長的散射光強(qiáng)值；
步驟(2.2)利用光密度的計算公式，由微控制器算出不同檢測距離下，對應(yīng)各個發(fā)光波長的光密度ODkλi
其中，k＝1，2分別表示從左到右的兩個光電接收管(OPUS1)和(OPUS2)，
λi表示發(fā)光波長，其中i≥3，
I01為光源發(fā)出的第i個波長的光強(qiáng)，Iki為第k個位置的光電接收管檢測到的經(jīng)過待測生物組織內(nèi)部散射之后的第i個波長的出射光強(qiáng)；
步驟(3)根據(jù)步驟(2)測定的ODkλi，微控制器按以下步驟計算氧合血紅蛋白HbO2與還原血紅蛋白Hb的濃度絕對量，顯示并保存記錄
先把對應(yīng)同一波長，在不同檢測位置得到的光密度相減
再按下列公式計算HbO2與Hb的濃度絕對量
其中
a1＝-0.3M，a2＝0.25M
b1＝0.85M，b2＝-0.05M，
這里M＝DP(r1-r2)；DP為常數(shù)，肌肉組織取4，新生兒腦組織可取3；r1為光源到光電接收管(OPUS1)的直線距離，r2為光源到光電接收管(OPUS2)的直線距離；HbO2和Hb的單位為μmol/l；
步驟(4)由HbO2與Hb的濃度絕對量計算人體局部組織的氧飽和度rSO全文摘要
本發(fā)明屬于生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于傳感器由兩個光電接收管和至少三個不同發(fā)光波長的光源組成，基于組織氧代謝中氧合與還原血紅蛋白及組織本底的不同光譜特性，根據(jù)光在組織中吸收與散射的規(guī)律，計算出局部組織氧合與還原血紅蛋白的濃度。所述至少三個波長的光源與兩個光電接收管以一定間距排列于一條直線上，光源可分別發(fā)出紅光和近紅外光。它可很靈敏地檢測人體組織氧合與還原血紅蛋白的濃度絕對量，同時也可得到被測組織的氧飽和度。
文檔編號G01N21/17GK1911172SQ200610112598
公開日2007年2月14日 申請日期2006年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月25日
發(fā)明者丁海曙, 黃嵐, 騰軼超, 李岳 申請人:清華大學(xué)