专利名称：一种去血氧波动干扰的肝储备功能检测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于脉搏分光光度原理的用于肝储备功能检测的色素稀释和排泄试验方法及检测装置。通过将血氧吸收光谱与色素浓度谱进行分离处理，抑制低血氧和血氧波动对色素浓度测量的干扰，实现对静脉注入吲哚氰绿色素的稀释浓度曲线的准确测量，达到无创和连续测量色素血浆消失率K和15分钟滞留率R15等心血管及肝脏血流动力学参数的目的。
背景技术：
肝病是呈全球性分布的人类重要疾病，全世界现有肝病患者3. 5亿，每年死于肝病的人数超过100万。肝脏储备功能是指肝细胞最大功能的总和，直接反映肝脏功能潜力的大小。在医学临床上，通过检查肝脏储备功能水平，准确预测手术的风险性，选择适当的治疗方式，可以有效降低手术病死率和术后并发症的发生。当前，采用吲哚氰绿ICGdndocyanine Green)指示剂进行浓度稀释和排泄试验的色素浓度测量方法，是国内外医学临床普遍采用的肝脏储备功能检测技术手段。ICG经静脉注入血液后能迅速与血浆蛋白结合，随动脉血分布全身，只被肝细胞吸收并排泄至胆汁中， 其在血液中的浓度呈指数规律下降，下降趋势的斜率即为血浆消失率K(Aiin)，它表示血液中的ICG浓度每分钟减少的速度，15分钟滞留率R15表示ICG给药15分钟后，血液中ICG 残留比例，两者为相反的关系，均反映出肝脏的异物排泄能力。ICG指示剂的光谱吸收峰在 805nm波长。由于不被肾脏等其它肝外器官吸收，通过测量动脉血中ICG的色素浓度变化， 就可以进行ICG血浆消失率K和15分钟滞留率R15等肝功能参数的检测，进而评估肝脏储备功能。CN87107376公开了一种“肝功能检查装置”，通过静脉将色素注入人体，由肝脏对其进行摄取和排泄，利用两种特定波长的光源照射生物组织，其中一种光源的发射光被色素吸收，另一种不被吸收。透射光脉冲由光电接收器接收，并转换为数字信号进行采样处理。根据采样数据中的吸光度变化量，获得与血液中色素浓度相对应的测量参数，最终求得色素血浆消失率和滞留率。该装置虽然实现了色素浓度的连续测量，但并未考虑血液中血红蛋白成分改变，亦即血氧波动对色素浓度测量的影响，因此肝功能检测的准确性和可靠性有限。CN1991367公开了一种“肝功测试”方法，将一定剂量的有色荧光胆汁酸衍生物通过静脉注入患者体内，在被肝脏吸收后，按一定时间间隔采集包含该胆汁酸衍生物的血样， 进行分光光度测量(分光光度测量是当血液中有两种不同的吸光物质时，通过用两个不同的波长照射组织获得透射光脉动，求出血液中两吸光物质浓度比)，目的是测定血浆中胆汁酸衍生物的颜色或荧光强度，获得血浆清除曲线，从而计算血浆消失率参数。该方法虽然能够实现血浆消失率这项肝功能参数的测量，但作为一种有创伤的非连续测量方法，实际操作过程复杂、精度不易控制，很难在医学临床得到广泛应用。CN1047571公开了一种“肝功能测试仪”，使用双波长的脉冲光源和特殊的染料指示剂，当患者被染料可吸收的第一种光和不可吸收的第二种光分时照射时，透射光脉冲经光电接收元件转换成两路信号，并由脉动检测装置检测其中的脉动分量，送至运算单元，计算得到血浆消散速率和滞留速率。该仪器虽然实现了非采血的肝功能测试，但在肝功能测试的计算中，只考虑了透射光的脉动成分，并没有包括人体皮肤和肌肉组织吸收的直流成分，也没有考虑到动脉血液中血红蛋白发生的氧合和去氧反应对吸光度的影响，因此测量结果存在系统性误差。现有技术中尚没有将作为指示剂的ICG色素的浓度谱与血氧吸收光谱进行分离处理，在低血氧和血氧波动的干扰情况下，实现肝脏储备功能的无创伤及连续检测的光电脉搏色素密度方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有肝功能检测技术的不足，提供一种在低血氧和血氧波动的干扰情况下，将ICG色素稀释和排泄试验的浓度谱与血氧吸收光谱进行分离处理，完成肝脏储备功能的无创伤连续检测的光电脉搏色素密度方法，并实现临床可用的去血氧波动干扰的肝储备功能检测装置。本发明的目的是通过以下技术方案实现的光电指夹传感器在光源驱动电路的驱动下输出测量入射光，由接收器接收透射光信号，经信号分离电路、信号放大电路、A/D转换送入微处理器处理并储存，通过无线通讯将脉搏波数据发送给上位机；上位机将接收到的脉搏波信号进行最终的分析处理并计算相关的肝储备功能参数。一种去血氧波动干扰的肝储备功能检测装置，是由光电指夹传感器经光源驱动电路和微处理器分别与数据存储和液晶显示模块连接，光电指夹传感器经信号分离电路、信号放大电路和A/D转换电路与微处理器连接，微处理器与无线通讯模块连接，计算机通过蓝牙与无线通讯模块连接构成。信号放大电路是由前置放大电路经分离电路分别连接三个滤波电路I，三个滤波电路I分别连接三个主放大电路，三个主放大电路分别连接三个滤波电路II构成。信号分离电路是由输入信号经二阶有源高通滤波器、增益可调放大器、四阶有源低通滤波器和抬升电路与反相电路连接构成。一种去血氧波动干扰的肝储备功能检测装置，上位计算机的分析包括以下顺序和步骤a、开始一显示界面；b、驱动蓝牙建立连接，连接不成功返回，重新连接；C、连接成功一接收数据一接收完毕一数据存储；d、载入数据；e、计算肝储备参数及波形显示；f、是否退出或重新载入新数据；g、退出。上位机根据血红蛋白Hb的吸光系数与血氧饱和度在940nm波长点的关系曲线4；° (S)修正色素浓度的测量结果，实现血氧吸收光谱与ICG色素浓度谱的分离，去除血氧波动对色素浓度测量的干扰。上位机将测得的ICG色素浓度C1从血氧测量中剔除，消除色素注入和色素残留对血氧测量的影响。本发明与采血进行分光光度比色测量的ICG排泄试验法不同，是基于脉搏分光光度原理的色素浓度方法，传统的脉搏色素浓度检测理论是以假设血氧饱和度Sp02 = 100% 的条件为基础的，但在临床，低血氧和血氧波动改变了血红蛋白Hb的吸光系数，导致产生色素浓度测量误差，而且血氧值越低，该误差越大；本发明基于的脉搏分光光度原理，是通过将ICG浓度谱与脉搏血氧吸收光谱进行分离的方法，揭示血红蛋白Hb的吸光系数与血氧饱和度的相关性规律，解决血氧波动对ICG色素浓度测量之间相互干扰问题，并在此基础上实现血浆消失率K和15分钟滞留率R15等肝脏血流动力学参数的无创伤连续测量。光电指夹传感器用于测量人体的脉搏波信号；光源驱动电路用于驱动光电指夹传感器中发射器的三个波长的测量入射光，产生测量光源；微处理器用于控制其他模块，对脉搏波信号进行采样，对数据进行储存和输出到液晶显示，并通过无线通讯将脉搏波数据发送给上位机；信号分离电路，主要用于将接收器接收到的透射光交、直流混合信号进行分离，将交流信号AC单独分离出来，以方便计算吸光度比值Φ ；信号放大电路用于将接收的三个波长透射光分离，并把微弱的脉搏波信号进行滤波和放大，以提供给A/D转换器进行模数转换，转换后的数字量由微处理器进行下一步的分析处理和存储，并通过无线通讯将脉搏波数据发送给上位机；上位机软件用于在将接收到的脉搏波信号进行最终的分析处理之后对肝储备功能参数的计算。有益效果本发明将血氧吸收光谱与色素浓度谱进行分离处理，抑制低血氧和血氧波动对色素浓度测量的干扰，实现对静脉注入ICG色素的稀释浓度曲线的准确测量，达到无创和连续测量色素血浆消失率K和15分钟滞留率R15等心血管及肝脏血流动力学参数的目的，在医学临床应用上，通过检查肝脏储备功能水平，准确预测手术的风险性，选择适当的治疗方式，可以有效降低手术病死率和术后并发症的发生。
图1一种去血氧波动干扰的肝储备功能检测装置结构框图2附图1中信号放大电路结构框图3附图1中信号分离电路结构框图4是上位机软件流程图5将ICG浓度谱与血氧吸收光谱进行分离处理的流程图6氧合血红蛋白02Hb、还原血红蛋白RHb和ICG色素的光谱曲线；
图7是ICG色素的稀释和排泄循环曲线；
图8是交、直流分离前后的940nm波长和805nm波长的交、直流信号波形
图9是02Hb、RHb和ICG在测量波长的吸光系数；
具体实施例方式下面结合附图和实施例做进一步的详细说明。抗血氧波动干扰的肝脏储备功能检测装置是由光电指夹传感器、光源驱动电路、微处理器、信号分离电路、信号放大电路、A/D转换电路、上位机软件以及无线通讯、数据存储和液晶显示模块组成，如图1所示。光电指夹传感器用于测量人体的脉搏波信号；光源驱动电路用于驱动光电指夹传感器中发射器的三个波长的入射光，产生测量光源；微处理器用于控制其他模块，对信号进行采样和处理，对数据进行储存和输出到液晶显示，并通过无线通讯将脉搏波数据发送给上位机；信号分离电路，主要用于将接收器接收到的透射光中的交、直流混合信号进行分离，将交流信号AC单独分离出来，以方便计算吸光度比值Φ ；信号放大电路用于将接收的三个波长透射光分离，并把微弱的脉搏波信号进行滤波和放大， 以提供给A/D转换器进行模数转换，转换后的数字量由微处理器进行下一步的分析处理和存储，并通过无线通讯将脉搏波数据发送给上位机；上位机软件用于在将接收到的脉搏波信号进行最终的分析处理之后对肝储备功能参数的计算。光电指夹传感器设计成透射式的、由发射器和接收器构成的一体化结构形式。其中，发射器包括中心波长分别为660nm、805nm和940nm的三个发光二极管LED，它们共用一个光电管接收器。脉搏波传感器在微处理器的控制下，由光源驱动电路分时输出上述三个波长的测量入射光，在手指另一端，由光电管在每一个脉搏周期内接收透射光信号，此处光电管接收的透射光信号是交、直流混合在一起的信号，为方便计算吸光度比值Φ，本装置在透射光信号进行模数转换之前对其进行交直流信号分离，将交流信号AC单独分离出来，交直流分离后的微弱信号再经过滤波和放大，A/D转换器对其进行模数转换，转换后的数字量由微处理器进行下一步的分析处理和存储，并通过无线通讯将脉搏波数据发送给上位机。微处理器是整个装置的核心，控制光源驱动电路、信号分离电路、信号放大电路、 A/D转换电路以及无线蓝牙、数据存储和液晶显示模块。其中信号分离电路如图6所示，用于将接收器接收到的透射光交、直流混合信号进行分离，信号经过二阶有源高通滤波器、增益可调放大器、四阶有源低通滤波器、抬升电路和反向电路后，交流信号AC被单独分离出来，分离效果如图7所示。图5所示的信号放大电路包括三个信号通道660nm、805nm和 940nm三个波长的透射光信号分别放大处理。光电指夹传感器的接收器接收的信号经过前置放大电路和分离电路，三个波长的透射光信号分别经过滤波电路I、主放大电路和滤波电路II，完成对微弱脉搏波信号的滤波和放大。数据存储模块采用大容量SD存储器，容量可达8G，可连续存储多个病人的信号；无线通讯模块采用低功耗、高速率的无线蓝牙技术，在微处理器的控制下将脉搏波信号传输给上位计算机进行分析处理和肝储备功能参数的计笪弁。上位计算机的分析软件是由MATLAB平台开发，软件是由用户命令通过蓝牙连接微处理器，软件流程图如图4所示。该软件包括以下处理顺序和步骤a、开始一显示界面；b、驱动蓝牙建立连接，连接不成功返回，重新连接；C、连接成功一接收数据一接收完毕一数据存储；d、载入数据；e、计算肝储备参数及波形显示；f、是否退出或重新载入新数据；g、退出；
脉搏分光光度法原理光电脉搏色素浓度谱以动脉血中的血红蛋白Hb (包括氧合血红蛋白O2Hb与还原血红蛋白RHb)和ICG色素为测量对象，图2是这几种物质的光谱特性曲线。在图中下垂线所示的3个特征吸收波长上，805nm是ICG的吸收峰波长，同时也是O2Hb和RHb的等吸光点；而在940nm波长上，ICG的吸光系数为零。从工作原理上分析，现有的脉搏色素浓度测量方法，是选择805nm和940nm两个波长点，将805nm视为O2Hb和RHb的等吸光点，以假设血氧饱和度SpO2 = 100%为基础实现的。实际上，当血氧偏低或发生波动时，现有的脉搏色素浓度测量方法将会产生原理性测量误差，而且血氧饱和度越低，ICG的浓度测量误差就越大。此外，色素注入和色素残留，也影响到血氧饱和度的读数精度。光电脉搏色素浓度法的理论基础是基于朗伯-比尔定律(Lamber-Bill’ s Law)的分光光度测量原理。当一束平行光从手指或鼻翼等人体易透光部位入射时，它同时被搏动性血液，以及脂肪、肌肉等组织吸收，但这两者的透射光的光强形式不同搏动性动脉血吸收的光强度，随动脉脉搏的变化而改变，称为交流成分AC;而组织吸收的光强度不随脉搏改变，保持稳定，称为直流成分DC。当血液中仅有两种吸光物质存在时，利用两个不同波长入工和λ2的光源照射，得到透射光的脉动量的比值φ，如公式(1)定义，就可以计算出脉动血中这两种吸光物质的浓度比。这样，在其中一种物质的浓度为已知的条件下，就可以计算出另外一种物质的浓度。
AC1 /DC,h 三 ~^~^(1)
AC ^ I DC ^根据朗伯-比尔定律，当强度为Itl、波长为λ的平行光通过均勻介质后，透射光强度为I，有Αλ = Iog^ = S1CD(2)式中，Αλ定义为吸光度，ε λ为吸光系数，D为均勻介质的厚度，C为其浓度。当动脉血随脉搏发生搏动，厚度增加AD时，透射光强减小为Ι-ΔΙ，吸光度的变化量为ΛΑΛ ^ logy^jj = SaCAD(3)在光线的传导过程中，如果发生散射将导致能量损失。通过上式中吸光度变化量 ΔΑλ的引入，可使入射光强和透射光强的消散同时发生，亦即通过对吸光物质的搏动成分的计算，显著提高了测量精度。在公式(3)中，由于透射光中交流成分占直流成分的百分比远小于1，该公式可改写为AAa ^ = SzCAD(4)在注入ICG色素后，色素浓度谱测量系统通过指夹式光电传感器利用近红外波段中心波长为805nm和940nm的LED光源，对动脉血中的ICG色素和血红蛋白Hb这两种吸光物质，进行连续的吸光度测量。在波长λ点，血红蛋白Hb的吸光系数可表示为
权利要求
1.一种去血氧波动干扰的肝储备功能检测装置，其特征在于，是由光电指夹传感器经光源驱动电路和微处理器分别与数据存储和液晶显示模块连接，光电指夹传感器经信号分离电路、信号放大电路和A/D转换电路与微处理器连接，微处理器与无线通讯模块连接，计算机通过蓝牙与无线通讯模块连接构成。
2.按照权利要求1所述的一种去血氧波动干扰的肝储备功能检测装置，其特征在于， 信号放大电路是由前置放大电路经分离电路分别连接三个滤波电路I，三个滤波电路I分别连接三个主放大电路，三个主放大电路分别连接三个滤波电路II构成。
3.按照权利要求1所述的一种去血氧波动干扰的肝储备功能检测装置，其特征在于， 信号分离电路是由输入信号经二阶有源高通滤波器、增益可调放大器、四阶有源低通滤波器和抬升电路与反相电路连接构成。
4.一种去血氧波动干扰的肝储备功能检测装置，其特征在于，上位计算机的分析包括以下顺序和步骤a、开始一显示界面；b、驱动蓝牙建立连接，连接不成功返回，重新连接；C、连接成功一接收数据一接收完毕一数据存储；d、载入数据；e、计算肝储备参数及波形显示；f、是否退出或重新载入新数据；g、退出。
5.按照权利要求4所述的一种去血氧波动干扰的肝储备功能检测装置，其特征在于，上位机根据血红蛋白Hb的吸光系数与血氧饱和度在940nm波长点的关系曲线4；° (S)修正色素浓度的测量结果，实现血氧吸收光谱与ICG色素浓度谱的分离，去除血氧波动对色素浓度测量的干扰。
6.按照权利要求4所述的一种去血氧波动干扰的肝储备功能检测装置，其特征在于， 上位机将测得的ICG色素浓度C1从血氧测量中剔除，消除色素注入和色素残留对血氧测量的影响。
全文摘要
本发明涉及一种去血氧波动干扰的肝储备功能检测装置。是由光电指夹传感器经光源驱动电路和微处理器分别与数据存储和液晶显示模块连接，光电指夹传感器经信号分离电路、信号放大电路和A/D转换电路与微处理器连接，微处理器与无线通讯模块连接，计算机通过蓝牙与无线通讯模块连接构成。将作为指示剂的吲哚氰绿(ICG)色素的浓度谱与血氧吸收光谱分离处理，抑制低血氧和血氧波动对色素浓度测量的干扰，实现对静脉注入ICG色素的稀释浓度曲线准确测量，达到无创和连续测量色素血浆消失率K和15分钟滞留率R15等心血管及肝脏血流动力学参数的目的，通过检测肝脏储备功能水平，准确预测手术的风险性，选择适当的治疗方式，可有效降低手术病死率和术后并发症的发生。
文档编号A61B5/1455GK102488525SQ201110416139
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月14日 优先权日2011年12月14日
发明者刘光达, 包泽民, 卢蒙蒙, 张晓枫, 李飞, 杨宇, 焦阳, 辛桂杰, 金晟来, 黄敬涛 申请人:吉林大学