一種血氧血容絕對量檢測裝置及其方法
2023-05-06 18:48:26
一種血氧血容絕對量檢測裝置及其方法
【專利摘要】本發明之一種血氧血容絕對量檢測裝置，包括電源、感測探頭、放大濾波電路和時序控制電路以及數據採集模塊，其中該感測探頭在電源支持下通過光照探測人體腦組織血氧血容絕對量並包括光源及光敏探測器，該放大濾波電路同在該電源支持下與所述感測探頭電性連通並將放大濾波的信號輸出給該數據採集模塊，同時該感測探頭、該放大濾波電路及數據採集模塊分別與該時序控制電路電性連通並分別受該時序控制電路控制，以及該數據採集模塊與PC機連接並藉由該PC機控制該檢測裝置且顯示、儲存檢測的數據，藉由前述結構或其構造的結合，實現了該血氧血容絕對量檢測裝置，從而達成了可實時使用、便攜、成本低廉、快速準確對血氧血容絕對量測量的良好效果。
【專利說明】一種血氧血容絕對量檢測裝置及其方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及醫學儀器，尤指一種血氧血容絕對量檢測裝置及其方法。
【背景技術】
[0002]測量人體局部組織血氧的濃度，並觀察其隨時間變化的規律，有助於了解腦疾病患者及手術過程中的患者局部組織血氧的絕對值濃度，為醫生的診斷提供依據。
[0003]相對於廣泛使用的醫學檢測技術:核磁共振成像技術(fMRI)、正電子發射斷層成像(PET)、腦電/時間相關電位(EEG/ERP)，新興的近紅外腦功能光譜術或成像(NIRS/fNIRI)具有可便攜、價格低廉、時間解析度高以及非侵入性檢測等優勢。近紅外光譜術作為一項非侵入式光學監測手段，其應用範圍越來越普遍，主要被用來觀察皮層區域血液動力學變化，具體包括含氧血紅蛋白(ffi02)和脫氧血紅蛋白(Hb)濃度變化，腦血流(cerebralblood flow, CBF)以及腦血容量(cerebral blood volume, CBV)變化。
[0004]然而，本發明基於修正的Lambert-Beer定律，針對具有高散射的人體組織，將使用無損、安全、穩定的近紅外檢測方法，來監測血氧變化。在臨床麻醉手術、重症患者監護應用中為醫生及時提供有效地臨床依據，以及在新生兒、早產兒監護、腦外科和心血管外科等領域採取對人體局部組織血氧絕對值的測量有著重要意義。與本發明相關的專利及其公開案中，大部分是利用光學方法對人體組織血氧的參數進行無創檢測。如ZL200310113534.7中國專 利，提出了在吸氧刺激下新生兒腦部局部組織氧飽和度的檢測方法，是對新生兒的局部腦組織在吸氧刺激下的血氧飽和度變化的相對量測量，但難以滿足絕對量測量，從而難以反映病人與正常人之間的差異，或者病變區域與正常區域的差異-M如ZL 200610112598.9中國專利，其提供的人體組織氧合與還原血紅蛋白絕對量的檢測方法，也只做到了對人體組織氧合與還原血紅蛋白的相對量測量，也不能提供基線的準確測量，因此也無法實現絕對量的檢測；再如已發表的相關技術文獻中，多數是利用頻域的方法對人體組織的血氧參數進行測量。如M.A.McIntosh團隊，就通過多距離頻域測量(FDMD)的方法對腦組織的含氧血紅蛋白進行了絕對量的測量，但該方法使用光纖束，成本過高。
[0005]綜上，本發明相對於上述專利案及其公開的文獻，最突出的創新在於在降低成本的基礎上實現了絕對量測量，使得用戶可以定量比較不同人或不同區域的血液動力學參數差異，大大提高檢測診斷的可靠性與可行性。具體來講，與上述專利案及其相關文獻的區別是:
1.本發明測量的是人體局部組織血氧濃度的絕對值含量而不是相對變化量；2.本發明選用多波長LED作為光源，使用連續波，價格低、信號穩定、方法易實現，可快速普及；
3.本發明可以給臨床醫生提供病人腦氧含量的一個基線，讓醫生對病人的身體情況做出更準確的判斷；便於醫生對病人與正常人血氧參量差異進行量化比較；對不同病人的病情差異進行量化判定。4.本發明採用無創測量，在對被試者不造成痛苦/任何不適的情況下，實現了實時、便攜、成本低廉、快速、準確的測量。
【發明內容】
[0006]為解決上述技術問題，本發明的主要目的在於提供一種血氧血容絕對量檢測裝置及其方法，其是對現有的人體局部組織血氧血容測量的裝置及方法的改進和優化，從而提出一種能夠工業再現，且檢測結果相對準確，對實用對象包括患者無創傷、無不適現象的檢測。
[0007]為達成上述目的，本發明應該的技術方案是:一種血氧血容絕對量檢測裝置，包括電源、感測探頭、放大濾波電路和時序控制電路以及數據採集模塊，其中:該感測探頭在電源支持下通過光照探測人體腦組織血氧血容絕對量並包括光源及光敏探測器，該放大濾波電路同在該電源支持下與所述感測探頭電性連通並將放大濾波的信號輸出給該數據採集模塊，同時該感測探頭、該放大濾波電路及數據採集模塊分別與該時序控制電路電性連通並分別受該時序控制電路控制，以及該數據採集模塊與PC機連接並藉由該PC機控制該檢測裝置且顯示、儲存檢測的數據。
[0008]在本實施例中優選，該光敏探測器至少為20個，其中兩個一組，至少五組呈一排並形成相對的上下兩排。
[0009]在本實施例中優選，該上下兩排光敏探測器中間排列所述光源。
[0010]在本實施例中優選，該光源為至少可發出兩種波長近紅外光的集成LED。
[0011]在本 實施例中優選，該集成LED至少為4個並呈一字形等距排列。
[0012]在本實施例中優選，該光源與該光敏探測器的排列形式是以單個光源為交點，而上下兩排中的臨近4組光敏探測器則形成為X態勢的等距端點。
[0013]在本實施例中優選，該光源與該光敏探測器的排列形式為臨近單個光源的上下兩組光敏探測器呈等腰三角的端點配置，同樣臨近單個光源的上排兩組光敏探測器或者下排兩組光敏探測器也呈等腰三角的端點配置。
[0014]在本實施例中優選，一種用於如權利要求1所述的血氧血容絕對量檢測裝置的方法是:該光源照射到人體大腦皮層上，該光敏探測器探測光源反射回來的光強弱信號，通過該信號的強弱變化來間接反映腦血氧血容的動態，再通過該放大濾波電路對該信號放大和濾波後，經該數據採集模塊輸送到PC機，其中:步驟一:通過感測探頭照射並接收光的強弱來反映腦血氧血容的動態信號，即將4個多波長近紅外光源並排放在一條直線上，每個多波長近紅外光源周圍圍繞著8個光敏探測器用於探測反射回來的光強；步驟二:感測探頭反映的動態信號輸出到所述放大濾波電路，所述感測探頭具有驅動控制模塊及運算處理模塊，工作時，同步採集光強信號並同步將光強信號輸入到運算處理模塊，將運算得出的局部腦組織血氧血容參數傳輸到所述數據採集模塊，以及步驟三:經該數據採集模塊對信號轉換為血氧血容絕對量數據並傳輸到PC機呈現或存儲，以備供醫務人員在診療時參考。
[0015]在本實施例中優選，該感測探頭包括單通道檢測與多通道檢測，所述單通道檢測既採用至少發出兩種近紅外段波長光的光源和至少兩個光敏探測器組配且光敏探測器均在該光源一側相鄰緊挨，又採用一組光敏探測器和至少兩顆發出兩種近紅外段波長光的光源組配且光源均在光敏探測器一側相鄰緊挨，而所述多通道檢測所包含的各個通道為單通道，所包含的通道檢測空間各不相同，但相鄰通道可共用光敏探測器或光源。
[0016]在本實施例中優選，該光敏探測器與所述光源形成有多個間距，其多個間距取值範圍在2.5cm至4.5cm之間，相鄰的光敏探測器或相鄰的光源的中心間距取值小於或等於lcm，相鄰的兩光敏探測器相對於光源的夾角小於或等於13.5度，或相鄰的兩光源相對於光敏探測器的夾角小於或等於13.5度。
[0017]本發明與現有技術相比，其有益的效果是:相對於上述專利及其公開的文獻，最突出的創新在於在降低成本的基礎上實現了絕對量測量，使得用戶可以定量比較不同人或不同區域的血液動力學參數差異，大大提高檢測診斷的可靠性與可行性。具體來講，與上述專利案及其相關文獻的區別:一是測量的是人體局部組織血氧濃度的絕對值含量而不是相對變化量；二是選用多波長LED作為光源，使用連續波，價格低、信號穩定、方法易實現，可快速普及；三是可以給臨床醫生提供病人腦氧含量的一個基線，讓醫生對病人的身體情況做出更準確的判斷；便於醫生對病人與正常人血氧參量差異進行量化比較；對不同病人的病情差異進行量化判定；四是採用無創測量，在對被試者不造成痛苦/任何不適的情況下，實現了實時、便攜、成本低廉、快速、準確的測量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1是本發明實施例之方框結構示意圖。
[0019]圖2是圖1中感測探頭不同波長吸收光譜的示意圖。
[0020]圖3是圖1中光源、光敏探測器在同一直線上的光譜術示意圖。
[0021]圖4是圖1中光源與兩個光敏探測器不在同一直線上光譜術示意圖。
[0022]圖5是圖1中光源與 三個光敏探測器不在同一直線上光譜術示意圖。
[0023]圖6是圖1中雙光源不同直線上雙探頭四通道成像示意圖。
[0024]圖7是圖1中感測探頭放大示意圖。
[0025]圖8是圖7中同一直線上雙探頭雙通道成像示意圖。
[0026]圖9是圖7中不同直線上雙探頭雙通道成像示意圖。
[0027]圖10是圖7中同一直線上三探頭雙通道成像示意圖。
[0028]圖11是圖7中不同直線上三探頭雙通道成像示意圖。
[0029]圖12是圖7中同一直線上雙探頭三通道成像示意圖。
[0030]圖13是圖7中同一直線上雙探頭四通道成像示意圖。
[0031]圖14是圖7中不同直線上雙探頭四通道成像示意圖。
[0032]圖15是圖7中雙探頭六通道成像示意圖。
[0033]圖16是圖7中雙光源同一直線上雙探頭四通道成像示意圖。
【具體實施方式】
[0034]下面結合附圖對本發明作進一步的說明。
[0035]請參閱圖1並結合參閱圖2所示，本發明之一種血氧血容絕對量檢測裝置，包括電源10、感測探頭20、放大濾波電路30和時序控制電路40，以及數據採集模塊50，其中:
該感測探頭20在電源10的支持下通過光照探測人體腦組織血氧血容絕對量，並包括光源21及光敏探測器22，在本實施例中，所述光源21為集成LED ；
該放大濾波電路30在電源10的支持下與所述感測探頭20電性連接，其接收該感測探頭20輸入的信號進行放大、濾波處理後輸出至該數據採集模塊50，同時該感測探頭20、該放大濾波電路30及數據採集模塊50分別與該時序控制電路40電性連通，並分別受該序控制電路40控制，以及
該數據採集模塊50與PC機連接，因PC機為現有技術且並非本發明的設計重點，恕不做詳細贅述。
[0036]在本發明之實施例中，所述光源21為4個呈「一」字等距排列，所述光敏探測器22為20個，其中:兩個一組，五組呈一排，即形成相對的上下兩排，在該上下兩排光敏探測器22的中間排列該光源21，在本實施例中，當視一排光源21中的單個光源21為交點時，而上下兩排光敏探測器22中有4組光敏探測器22可形成等距端點，即上下兩組光敏探測器22與中間的單個光源21的排列位置呈等腰三角態勢；在本實施例中，該光源21及光敏探測器22的排列數量可因實際需要設置，如探頭長度可據患者額頭的大小來調節，一般約為12~16cm，這樣可以保證探測器對前額葉的血氧血容變化做出響應。
[0037]請結合參閱圖3所示，是本發明之光源os，其集成LED至少可發出兩種波長近紅外光，其中:2是與光源距離為pi的光敏探測器Pl ；3是與光源距離為p2的光敏探測器p2，即2、3這樣的兩個光敏探測器組成了一對光敏探測器通路；4是第一層組織，並用Tl表示；5是第二層組織，並用T2表示；6是第三層組織，並用T3表示。在這裡，Tl為皮膚，T2為顱骨和腦脊液，T3為腦組織(白質和灰質)。bl，b2為光子的運動軌跡。改變光源與光敏探測器的距離，可以測得不同組織層的信息。光敏探測器與光源位置可互換。
[0038]請結合參閱圖4及圖5所示，在皮膚表面，就一對光敏探測器而言，可以有不同的排列方式，如圖4中光源os，與光源距離為pi的光敏探測器pl，與光源距離為p2的光敏探測器P2不在同一條直線上，新增的a是以os為中心，Pl與p2所成的夾角。在這裡，
a的取值範圍應滿足0 < a < 13.5=,典型值為4.9: <a< 9.5: ;P1與p2之間的中心間距小於
Icm0如圖5中，有三個光敏探測器，a是以os為中心，pl與P2所成的夾角^是以os
為中心，p2與p3所成的夾角。在這裡a、P取值範圍應滿足0<4' (或釘Sm,典型
值為。6) < o C,-- ,P:、P:、P 2的取值範圍應滿足是2.5 cm < P , < 4.5 cm ,典型值為
3,0 cni < ￡ ; < 3.5 an 0
[0039]現就近紅外光譜術的成像方法的探頭排列進行`說明:如圖6為在有兩個光源的情況下四通道的排列狀態；圖7為圖1中感測探頭20的放大示意圖；圖8~圖11是雙通道狀態下的絕對值測量的不同排列方法；圖12為三通道狀態；圖13和圖14為四通道狀態；圖15為六通道狀態；圖16為在有兩個光源的情況下四通道的排列狀態。除了上述的排列方式外，單光源多通道的排列、多光源和多通道的排列還可以進行推廣。
[0040]在本發明中，腦組織血氧血容絕對值測量的實現方法是:
1.近紅外光源，照射到大腦皮層上；
2.光敏探測器用來探測反射回來的光強，光信息發生的改變間接反映了腦血氧血容的改變；3.放大和濾波電路用於對光敏探測器輸出的信號進行放大和濾波，放大和濾波後的信號經數據採集卡輸入到PC機，並包括:
步驟一:感測探頭既是單通道檢測探頭，又是多通道檢測探頭。單通道檢測適於絕對量血氧血容檢測，既是至少發出兩種近紅外段波長光的光源21 (如一顆集成LED)和至少兩個光敏探測器22，且光敏探測器22均在LED的一側並相鄰緊挨；又是一個光敏探測器22和至少兩顆發出兩種近紅外段波長光的光源21，且光源21均在光敏探測器22的一側並相鄰緊挨。光敏探測器22與光源21的多個間距取值範圍在2.5 cm至4.5 cm之間。相鄰的光敏探測器22，或相鄰的光源21的中心間距取值小於或等於lcm。相鄰的兩光敏探測器22相對於光源21的夾角小於或等於13.5度；或相鄰的兩光源21相對於光敏探測器22的夾角小於或等於13.5度。然而，多通道檢測適於絕對量血氧血容檢測，所包含的各個通道為單通道；所包含的通道檢測空間各不相同，但相鄰的通道可共用光敏探測器22或光源21。具體地講，如圖6所示，將4個多波長近紅外光源21並排放在一條直線上，每個多波長近紅外光源21周圍圍繞著8個光敏探測器22用於探測反射回來的光強。如圖7所示，LEDll光源os，5~24為光敏探測器p。光源21中心間距為40mm左右，光源21中心與光敏探測器22中心間距為28mm左右，兩相鄰的光敏探測器22間距為2mm左右。感測探頭20的總長度在16cm左右，選擇的光源21為735nm/805nm/850nm的多波長近紅外集成LED。
[0041]步驟二:所述感測探頭具有驅動控制模塊(未圖示)及運算處理模塊(未圖示)，該驅動控制模塊工作時，同步採集存儲光信號並同步將光信號輸入到運算處理模塊，將運算得出的局部腦組織血氧血容參數傳輸到設有的顯示單元(未圖示)或存儲單元(未圖示)進行顯示或存儲。
[0042]步驟三:對單個或每個檢測通道，以光源探測器22距離P為橫坐標X軸，以光密度為軸坐標Y軸，繪製不同間距下光密度的變化分布，計算各個波長下光密度隨間距變化
的斜率S和截距In，並求出光擴散因子D、光衰減因子ut' ,其中:
一是通過光敏探測器測得透射光強為I，由於光源與光敏探測器的距離不同，所測得的
I值也不同。通過I值，計算出光密度OD,由下式:
【權利要求】
1.一種血氧血容絕對量檢測裝置，包括電源、感測探頭、放大濾波電路和時序控制電路以及數據採集模塊，其特徵在於:該感測探頭在電源支持下通過光照探測人體腦組織血氧血容絕對量並包括光源及光敏探測器，該放大濾波電路同在該電源支持下與所述感測探頭電性連通並將放大濾波的信號輸出給該數據採集模塊，同時該感測探頭、該放大濾波電路及數據採集模塊分別與該時序控制電路電性連通並分別受該時序控制電路控制，以及該數據採集模塊與PC機連接並藉由該PC機控制該檢測裝置且顯示、儲存檢測的數據。
2.如權利要求1所述的血氧血容絕對量檢測裝置，其特徵在於:該光敏探測器至少為20個，其中兩個一組，至少五組呈一排並形成相對的上下兩排。
3.如權利要求2所述的血氧血容絕對量檢測裝置，其特徵在於:該上下兩排光敏探測器中間排列所述光源。
4.如權利要求3所述的血氧血容絕對量檢測裝置，其特徵在於:該光源為至少可發出兩種波長近紅外光的集成LED。
5.如權利要求4所述的血氧血容絕對量檢測裝置，其特徵在於:該集成LED至少為4個並呈一字形等距排列。
6.如權利要求5所述的血氧血容絕對量檢測裝置，其特徵在於:該光源與該光敏探測器的排列形式是以單個光源為交點，而上下兩排中的臨近4組光敏探測器則形成為X態勢的等距端點。
7.如權利要求5所述的血氧血容絕對量檢測裝置，其特徵在於:該光源與該光敏探測器的排列形式為臨近單個光源的上下兩組光敏探測器呈等腰三角的端點配置，同樣臨近單個光源的上排兩組光敏探測器或者下排兩組光敏探測器也呈等腰三角的端點配置。
8.一種用於如權利要求1所述的血氧血容絕對量檢測裝置的方法是:該光源照射到人體大腦皮層上，該光敏探測器探測光源反射回來的光強弱信號，通過該信號的強弱變化來間接反映腦血氧血容的動態，再通過該放大濾波電路對該信號放大和濾波後，經該數據採集模塊輸送到PC機，其特徵在於:步驟一:通過感測探頭照射並接收光的強弱來反映腦血氧的動態信號，即將4個多波長近紅外光源並排放在一條直線上，每個多波長近紅外光源周圍圍繞著8個光敏探測器用於探測反射回來的光強；步驟二:感測探頭反映的動態信號輸出到所述放大濾波電路，所述感測探頭具有驅動控制模塊及運算處理模塊，工作時，同步採集光強信號並同步將光強信號輸入到運算處理模塊，將運算得出的局部腦組織血氧血容參數傳輸到所述數據採集模塊，以及步驟三:經該數據採集模塊對信號轉換為血氧血容絕對量數據並傳輸到PC機呈現或存儲，以備供醫務人員在診療時參考。
9.如權利要求8所述的血氧血容絕對量檢測裝置的方法，其特徵在於:該感測探頭包括單通道檢測與多通道檢測，所述單通道檢測既採用至少發出兩種近紅外段波長光的光源和至少兩個光敏探測器組配且光敏探測器均在該光源一側相鄰緊挨，又採用一組光敏探測器和至少兩顆發出兩種近紅外段波長光的光源組配且光源均在光敏探測器一側相鄰緊挨，而所述多通道檢測所包含的各個通道為單通道，所包含的通道檢測空間各不相同，但相鄰通道可共用光敏探測器或光源。
10. 如權利要求9所述的血氧血容絕對量檢測裝置的方法，其特徵在於:該光敏探測器與所述光源形成有多個間距，其多個間距取值範圍在2.5cm至4.5cm之間，相鄰的光敏探測器或相鄰的光源的中心間距取值小於或等於1cm，相鄰的兩光敏探測器相對於光源的夾角小於或等於13.5度， 或相鄰的兩光源相對於光敏探測器的夾角小於或等於13.5度。
【文檔編號】A61B5/1455GK103610468SQ201310644994
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年12月5日 優先權日:2013年12月5日
【發明者】李婷 申請人:深圳市奧博萊特科技有限公司