专利名称：人体组织氧合与还原血红蛋白浓度绝对量的检测方法
技术领域：
人体组织氧合与还原血红蛋白浓度绝对量的检测方法属于生物医学工程技术领域。
背景技术：
检测组织氧合与还原血红蛋白的浓度，并观察其随时间变化的规律，有助于了解缺氧缺血脑病患者及手术过程中患者局部组织的血容量，对治疗效果评定有重要定义。
确定人体组织氧代谢状况的方法，主要包括对人体有创的检测方法和基于光学测量的无损检测方法。光学方法可以实现无创监测，使用方便安全，稳定可靠。本发明属于光学方法的一种。公开号CN 1365649A的文件描述的方法基于经典的Lambert-Beer定律，该定律针对无散射的情况；对于具有强散射光学特性的人体和其他生物组织，这个定律须修正后才能使用。从原理上，在强散射下直接应用经典的Lambert-Beer定律无法获得任何正确的结果。本发明与公开号US005632273A，CN1333011A和CN1331953A的区别在于(1)本发明检测的是氧合与还原血红蛋白的浓度绝对量而不是相对变化量，并且包括组织的氧饱和度；(2)本发明所用的传感器使用至少三个发光波长的多波长光源和双检测器，目的在于提高检测的灵敏度和信噪比。(3)本发明给出了计算氧合与还原血红蛋白浓度绝对量的公式，适用于人体各种组织中氧合与还原血红蛋白浓度绝对量的计算。图1给出了现有方法的检测示意图，其中a为光源，b为检测器，c为探头，d为另一个检测器，e为深层待测组织，f为外层组织。
发明内容
本发明的目的在于提供一种人体组织氧合与还原血红蛋白浓度绝对量的检测方法。
检测组织氧合与还原血红蛋白的浓度，并观察其随时间变化的规律，有助于了解缺氧缺血脑病患者及手术过程中患者局部组织的血容量，对治疗效果评定有重要定义。从实现方法来讲，尽管利用氧合和还原血红蛋白的吸收光谱(图2)是这一领域诸多测试技术的共同之处，但本专利申请与以往的方法及目前国内公开的专利技术相比其特点及优越性在于第一，它采用多个发光波长的光源以提高检测灵敏度。第二，与其他专利不同，不仅可以检测氧合与还原血红蛋白浓度的相对变化量，而且可以给出其浓度绝对量；进而还可以由此算出局部组织的氧饱和度，既反映组织氧代谢的状况，又表征自主调节功能正常与否。第三，光源采用发光二极管，发光功率稳定，电路易于设计，能够保证氧合与还原血红蛋白浓度绝对量的测量稳定、准确。这些都区别于国内外现有专利中提出的方案。
在图3中1是与光源LS(可发出至少三个波长的发光二极管)距离为r1的光电接收管OPUS1，2是与LS距离为r2的光电接收管OPUS2，3是光源LS，4是第1层组织并用T1表示，5是第2层组织并用T2表示，6是第3层组织并用T3表示。在检测脑组织血氧的模型中，T1为皮肤，T2为颅骨和脑脊液，T3为脑组织(灰质和白质)。b1，b2为光子迁移的轨迹。为检测不同深度的组织，需将两个光电接收管放在与LS不同的距离上，从而使OPUS2检测T1和T2层的信息，而OPUS1检测T1，T2和T3层的信息。
本发明的特征在于它依次含有以下各个步骤(图4)步骤(1)在待测生物组织表面保持设定间距的两个位置上各安放一个光电接收管，分别为OPUS1，OPUS2；在上述两个光电接收管连线的延长线的一端，安放至少三个不同发光波长的发光二极管作为光源(LS)，一般将多个发光波长对应的管芯集成在一个管壳中；两个光电接收管的中心距在2mm～10mm，各光电接收管与光源的中心距在20mm～50mm；光源发出红光或近红外光； 步骤(2)按以下步骤检测各光电接收管接收到的散射光强，并依此计算其光密度OD，步骤如下 步骤(2.1)微控制器驱动上述光源分时发出波长为λi的光，i≥3，用两个光电接收管OPUS1，OPUS2依次在0.5ms内分别测量对应波长的散射光强值； 步骤(2.2)利用光密度的计算公式，由微控制器算出不同检测距离下，对应各个发光波长的光密度ODkλi 其中，k＝1，2分别表示从左到右的两个光电接收管OPUS1和OPUS2， λi表示发光波长，其中i≥3， I0i为光源发出的第i个波长的光强，Iki为第k个位置的光电接收管检测到的经过待测生物组织内部散射之后的第i个波长的出射光强； 步骤(3)根据步骤(2)测定的ODkλi，微控制器按以下步骤计算氧合血红蛋白HbO2与还原血红蛋白Hb的浓度绝对量，显示并保存记录 先把对应同一波长，在不同检测位置得到的光密度相减 再按下列公式计算HbO2与Hb的浓度绝对量 其中 a1＝-0.3M，a2＝0.25M， b1＝0.85M，b2＝-0.05M 这里M＝DP(r1-r2)；DP为常数，肌肉组织取4，新生儿脑组织可取3；r1为光源到光电接收管OPUS1的直线距离，r2为光源到光电接收管OPUS2的直线距离；HbO2和Hb的单位为μmol/l； 步骤(4)由HbO2与Hb的浓度绝对量计算人体局部组织的氧饱和度rSO2 利用本发明测试了5例新生儿脑组织HbO2与Hb的浓度绝对量，以及其脑组织的氧饱和度rSO2，如表1。表1 5例新生儿脑组织HbO2与Hb的浓度绝对量 本发明的实施效果可归纳为(1)采用多波长光源和双检测器，提高了检测灵敏度和信噪比；光源采用发光二极管，其发光功率稳定，电路易于设计；这些都使组织HbO2与Hb浓度绝对量的检测结果稳定可靠；(2)由HbO2与Hb的浓度绝对量，可以计算出人体局部组织的氧饱和度rSO2，从而及时反映局部组织的血液循环状况；(3)适用于人体不同组织的氧合与还原血红蛋白浓度绝对量的无损、实时、连续测量。
图1现有检测方法示意图。
图2Hb与HbO2的吸收光谱
Hb；
HbO2。
图3本发明所述检测方法的示意图。
图4本发明所述检测方法的流程图。
图5按本发明设计的系统的电路原理框图。
具体实施例方式 上述无损检测氧合与还原血红蛋白浓度绝对量的步骤(1)中依次含有以下步骤 将两个光电接收管OPUS1，OPUS2和3个发光波长的光源LS放置在适当的位置上。
上述无损检测氧合与还原血红蛋白浓度绝对量的步骤(2)中依次含有以下步骤 微控制器驱动光源分时发出三个不同波长的光，并依时序在0.5ms内用OPUS1和OPUS2测量对应的散射光强值(图3)； 利用光密度的公式计算出不同检测距离下的光密度ODkλi k＝1，2表示光电接收管OPUS1和OPUS2；I0i为光源发出的第i个波长的光强，Iki为置于第k个检测位置的光电接收管检测到的经过待测组织内部散射之后的第i个波长的出射光强，i＝1，2，3。
上述无损检测氧合与还原血红蛋白浓度绝对量的步骤(3)中依次含有以下步骤 为计算氧合血红蛋白HbO2与还原血红蛋白Hb的浓度绝对量，将上述步骤(2)中两个光电接收管得到的两个检测距离处对应各个波长的光密度相减，即得到 微控制器再按以下公式计算HbO2与Hb的浓度绝对量 其中 a1＝-0.3M，a2＝0.25M， b1＝0.85M，b2＝-0.05M 这里M＝DP(r1-r2)；DP为常数，肌肉组织取4，新生儿脑组织可取3；r1为光源到光电接收管OPUS1的直线距离，r2为光源到光电接收管OPUS2的直线距离；HbO2和Hb的单位为μmol/l。
上述无损检测氧合与还原血红蛋白浓度绝对量的步骤(4)中依次含有以下步骤 由HbO2与Hb的浓度绝对量计算出人体局部组织的氧饱和度rSO2 按本发明设计的系统由传感器，发光驱动电路，前置放大器电路，A/D转换器，微控制器，EEPROM和液晶显示器构成，如图5所示。传感器由光源LS(三个波长的发光二极管，图3中的3)和2个光电接收管OPUS1，OPUS2(图3中的1，2)组成，且LS与OPUS1，OPUS2以一定距离置于一条直线上。OPUS采用2CU30S，用于检测出射光强。OPUS连至前置放大器TLC27L4，微控制器AT89C52控制采样保持器LF398工作并启动A/D TLC2543转换，读取转换结果并记录采样值。微控制器驱动光源LS发光，并将A/D转换的结果保存到存储芯片6264上。上述设计的优点是通道的一致性很好，从而数据有可比性。
本发明装置的传感器上r2处的1个OPUS用于校正外层组织的影响。在整个组织中，由于生物组织的吸收特性，只有选择合适的波长，才能较好地计算出局部组织HbO2与Hb的浓度绝对量。对不同的被测组织应当选择不同的发光波长，检测脑组织时三个发光波长选择为730nm/840nm/810nm，因此我们使用发光波长为730nm/840nm/810nm的发光二极管。为了不对生物组织产生任何伤害，光源的平均发光功率应小于10mW。
根据上述硬件结构及其原理，该系统的工作流程可归纳为(1)微控制器向LS驱动单元发出控制信号，驱动三波长光源发光；(2)光经过被测组织(图3中的T1，T2，T3)从检测部位出射；(3)OPUS1，OPUS2检测出射光，并经前置放大器放大；(4)放大后的信号经2路采样/保持，然后由A/D转换器转换为数字信号，微控制器将转换结果读入SRAM保存；(5)由微控制器计算并显示HbO2与Hb的浓度绝对量，以及组织的rSO2。
权利要求
1.人体组织氧合与还原血红蛋白浓度绝对量及组织氧饱和度的检测方法，其特征在于依次含有以下各个步骤
步骤(1)在待测生物组织表面保持设定间距的两个位置上各安放一个光电接收管，分别为(OPUS1)，(OPUS2)；在上述两个光电接收管连线的延长线的一端，安放至少三个不同发光波长的发光二极管作为光源(LS)，一般将多个发光波长对应的管芯集成在一个管壳中；两个光电接收管的中心距在2mm～10mm，各光电接收管与光源的中心距在20mm～50mm；光源发出红光或近红外光；
步骤(2)按以下步骤检测各光电接收管接收到的散射光强，并依此计算其光密度OD，步骤如下
步骤(2.1)微控制器驱动上述光源分时发出波长为λi的光，i≥3，用两个光电接收管(OPUS1)，(OPUS2)依次在0.5ms内分别测量对应波长的散射光强值；
步骤(2.2)利用光密度的计算公式，由微控制器算出不同检测距离下，对应各个发光波长的光密度ODkλi
其中，k＝1，2分别表示从左到右的两个光电接收管(OPUS1)和(OPUS2)，
λi表示发光波长，其中i≥3，
I01为光源发出的第i个波长的光强，Iki为第k个位置的光电接收管检测到的经过待测生物组织内部散射之后的第i个波长的出射光强；
步骤(3)根据步骤(2)测定的ODkλi，微控制器按以下步骤计算氧合血红蛋白HbO2与还原血红蛋白Hb的浓度绝对量，显示并保存记录
先把对应同一波长，在不同检测位置得到的光密度相减
再按下列公式计算HbO2与Hb的浓度绝对量
其中
a1＝-0.3M，a2＝0.25M
b1＝0.85M，b2＝-0.05M，
这里M＝DP(r1-r2)；DP为常数，肌肉组织取4，新生儿脑组织可取3；r1为光源到光电接收管(OPUS1)的直线距离，r2为光源到光电接收管(OPUS2)的直线距离；HbO2和Hb的单位为μmol/l；
步骤(4)由HbO2与Hb的浓度绝对量计算人体局部组织的氧饱和度rSO全文摘要
本发明属于生物医学工程技术领域，其特征在于传感器由两个光电接收管和至少三个不同发光波长的光源组成，基于组织氧代谢中氧合与还原血红蛋白及组织本底的不同光谱特性，根据光在组织中吸收与散射的规律，计算出局部组织氧合与还原血红蛋白的浓度。所述至少三个波长的光源与两个光电接收管以一定间距排列于一条直线上，光源可分别发出红光和近红外光。它可很灵敏地检测人体组织氧合与还原血红蛋白的浓度绝对量，同时也可得到被测组织的氧饱和度。
文档编号G01N21/17GK1911172SQ200610112598
公开日2007年2月14日 申请日期2006年8月25日 优先权日2006年8月25日
发明者丁海曙, 黄岚, 腾轶超, 李岳 申请人:清华大学