血紅蛋白濃度和血氧飽和度測定儀及測定方法
2023-06-01 06:30:41 2
專利名稱：血紅蛋白濃度和血氧飽和度測定儀及測定方法
技術領域：
本發明涉及一種醫療檢測技術領域，特別涉及一種血紅蛋白濃度和血氧飽和度的測定裝置，以及測定血紅蛋白濃度和血氧飽和度的方法。
背景技術：
現有的雷射人體組織血氧儀，採用連續波雷射測量技術，該技術只能簡單地測量血紅蛋白對雷射的吸收係數，不能測到血紅蛋白對雷射的散射係數。人體不同部位的組織， 對雷射具有不同的散射係數；而從人體組織返回的光信號，同時含有紅血球對光子的吸收和散射的信號。對於吸收信號，通過光譜分析，可近似得到含氧血紅蛋白和去氧血紅蛋白的比值，也就是血氧飽和度的相對趨勢值；但是，現有產品使用的技術中卻不能測定散射係數，原因在於人體組織本身的光學特性而言是不均勻的，光在人體組織內經過的各個光程不能準確測定確定，因而不能準確測量光的散射係數，也就不能準確測量人體組織的血氧值。
有一種雷射射頻調製方式，宣稱理論上可解決上述問題。採用該方式的該裝置主要由主機和光傳感器兩個部分組成；主機包括雷射源、雷射調製單元、光檢測器單元、數據採集單元和數據處理及顯示單元組成，雷射調製單元將雷射和經調製後的高頻電磁波發送給光傳感器，光傳感器將雷射和高頻電磁波發射到人體組織，經過紅血球的吸收和散射作用，經過人體內一定路程後，散射雷射和高頻電磁波再被光傳感器接收，然後經光檢測器單元被數據採集單元採集數據，再通過數據處理及顯示單元顯示出來。數據處理的原理隨雷射經過人體的高頻電磁波經過人體內一段路程後不僅會產生強度衰減，而且會產生相位偏差；假設人體被測部位的光學特性為各向同性，這樣就假設被測部位的雷射散射特性是個常數，並據此假定來測對雷射的吸收光譜，從而計算血紅蛋白的含氧飽和度。這個假設是不準確的，因而所測和所表示的血氧值肯定是不準確、不正確的，而且也不能測得血紅蛋白濃度。實際使用時，進入人體的雷射強度、高頻電磁波的初始相位、光檢測器單元的靈敏度等等，通常都是變動量，不容易精確測得。因此，基於雷射射頻調製技術的雷射血氧儀，需要在臨床使用前利用特殊製作的光學標準件對這些變量進行定量標定。這是一種繁瑣而且也不完全準確的方法，在實際檢測過程中很難實施。發明內容
本發明的目的是提供一種血紅蛋白濃度和血氧飽和度測定方法及測定儀，以減小或消除光電器件特性、指標變動對顯示結果所帶來的影響，使得血紅蛋白濃度和血氧飽和度測定更加準確、更加精確。
為解決上述技術問題，本發明的技術方案如下一種血紅蛋白濃度和血氧飽和度測定儀，包括雷射調製單元、控制和數據採集單元、光檢測器單元、數據處理及顯示單元、光傳感器；所述雷射調製單元的輸出端經光纖連接光傳感器，光傳感器與光檢測單元的輸入端經光纖相連，光檢測單元與控制和數據採集單元經雙向信號相連；控制和數據採集單元與雷射調製單元經雙向信號相連；控制和數據採集單元與數據處理及顯示單元經雙向信號相連；每個光傳感器上具有至少一個向人體組織發送光信號的光發射口和接收光信號的光接收口，所述雷射調製單元包括可發出兩個以上波長的近紅外光雷射源、至少兩個不同頻率的射頻信號源和多路復用光開關，射頻信號源逐一接入各雷射源對每個波長的雷射進行調製，雷射源的輸出端經多路復用光開關與光傳感器的輸入端相連；光檢測器單元檢測不同射頻調製過的光經過被測對象一段光學距離後的強度衰減以及射頻相位移動，通過控制和數據採集單元採集數據後，送入數據處理及顯示單元，經計算獲得血紅蛋白的吸收和散射係數，再經換算得到血紅蛋白濃度及血氧飽和度存儲並顯示出來。
每個雷射源為一個多波長雷射器或者由多個單波長雷射器組合而成。每個雷射源發出的多波長雷射，通過光學器件稱合成一路複合光源。
本發明還提供了一種利用上述裝置進行血紅蛋白濃度和血氧飽和度的測定方法， 包括如下步驟1)雷射調製將可發出兩個以上波長的近紅外光雷射源用至少兩個不同頻率的射頻信號進行調製，不同頻率的射頻信號逐一加載到雷射上形成電調製光信號；2)將電調製光信號經光傳感器發送至被測生物對象表面，光傳感器在被測生物對象表面的另一位置接收經過衰減的散射光信號；並將接收的信號發送至光檢測器單元；3)光檢測器單元檢測不同射頻調製過的光的強度衰減以及射頻相位移動，通過控制和數據採集單元採集數據後，送入數據處理及顯示單元進行運算；4)數據處理及顯示單元通過射頻的相位移動計算出散射係數和吸收係數，通過散射係數和吸收係數計算出血紅蛋白濃度和血氧飽和度；數據處理及顯示單元再將血紅蛋白濃度和血氧飽和度儲存和顯示。
經調製後的多路複合光信號經過被測生物對象(如人體組織、離體的血液等)後， 經過紅血球的吸收和散射作用、再在被光傳感器接收，光強度有很大衰減，而隨雷射經過被測生物對象的高頻電磁波也產生強度衰減、並且產生相位偏差；利用這個過程中產生的雷射直流成分、高頻調製成分、高頻電磁波相位的偏差，可以根據含氧和去氧(也稱為脫氧) 的血紅蛋白對近紅外雷射的吸收和散射光譜、通過相關算法和數據處理，計算出雷射所經過的被測生物對象的含氧血紅蛋白濃度[HbO]、去氧血紅蛋白濃度[Hb]以及血氧飽和度 [S02]，血紅蛋白濃度=含氧血紅蛋白濃度+去氧血紅蛋白濃度；血氧飽和度=含氧血紅蛋白濃度/血紅蛋白濃度。與現有技術相比，本發明可消除光電器件固有參數的不穩定性、 不確定性、應用條件和環境不同等因素帶來的對所測血紅蛋白濃度以及血氧飽和度等生物指標的影響，不但能實現測試數據最精確、功能和性能最穩定，還能實現最小光學傳感器尺寸，使得本發明的血紅蛋白濃度和血氧飽和度測定儀可應用於各種臨床檢測監測、健康護理等領域，以獲得相關數據用作醫療評估依據。
圖I為本發明一種血紅蛋白濃度和血氧飽和度測定儀的結構圖。
圖2為雷射調製單元的結構和工作原理圖。
圖3為光傳感器工作原理圖。
圖4為光傳感器的一種結構。
圖5為一種血紅蛋白濃度和血氧飽和度測定方法的工作原理框圖。
具體實施方式
如圖I所示，為一種血紅蛋白濃度和血氧飽和度測定儀，包括雷射調製單元110、 控制和數據採集單元150、光檢測器單元140、數據處理及顯示單元160、光傳感器120 ;雷射調製單元110的輸出端經光纖130連接光傳感器120，光傳感器120與光檢測單元140的輸入端經光纖131相連，光檢測單元140與控制和數據採集單元150經雙向信號相連；控制和數據採集單元150與雷射調製單元110經雙向信號相連；控制和數據採集單元150與數據處理及顯示單元160經雙向信號相連；上述雙向信號均具有控制信號和相關的反饋信號；每個光傳感器120上具有至少一個向人體組織發送光信號的光發射口和接收強度衰減了的散射光信號的光接收口。光檢測器單元140檢測不同射頻調製過的光的強度衰減以及射頻相位移動，通過控制和數據採集單元150採集數據後，送入數據處理及顯示單元160經計算獲得血紅蛋白的吸收和散射係數，換算得到血紅蛋白濃度及血氧飽和度存儲並顯示出來。
如圖2所示,雷射調製單元110為多信道高頻雷射調製(MRFM)單元,其包括 I)M (M3 I)個近紅外光雷射源，每個光源含有兩個以上的波長，每個光源可以是一個多波長雷射器、也可以是多個單波長的雷射器輸出的光通過光學器件、比如稜鏡、透鏡、 光纖等耦合到一路形成的一個複合波長的光源。本實施例中，將以使用兩個波長(分別記作入1和入2)的雷射為例，所使用光源記作5111入1和5111入2(111=1，2，…，M)。
2) N (N ^ 2)個射頻(RF)信號源(也稱為高頻電磁波)；每個射頻的頻率各不相同，記作fn (n=l, 2，…，N)，各射頻信號源逐一接入各雷射源對每個波長的雷射進行調製。
3)多路復用光開關210 :雷射源的輸出端經光纖132連接多路復用光開關210，再經多路復用光開關210與光傳感器120的輸入端相連。多路復用光開關210可依序接通光源和光傳感器。
多個射頻波信號源(即射頻振蕩器)，分別記作RF1、RF2，, RFN，射頻波的頻率各不相同，其波形可以是正弦波、也可以是其它波形。這些不同頻率的射頻信號用以按序調製M個雷射源(M3 1)，每個光源包含兩個以上的波長，在使用雙波長光源的情況下，這些雙波長光源可以記作SmA I和SmA 2。圖4顯示一個使用雙雷射源、4個光檢測器單元的實例，相應的光學埠形成一個矩陣形狀，光傳感器120使用光纖發送和接收光，光纖也可以採用其他傳送光的媒介或光器件替代。
光檢測器單元有K (K彡I)個，記作Dk(k=l，2，…，K)。
光傳感器有I個或多個，用以通過光纖或其它光學傳輸器件，將光源的雷射傳送到人體被測部位的皮膚表面、接收經過人體內血紅蛋白吸收和散射後穿出人體皮膚表面的光、並送往所有的光檢測器單元。因此，每個光傳感器有M X K個光學埠，這些埠可以根據實際應用的需要或校準的要求而製作成線性、矩陣、圓形等不同組合形狀。
數據處理和顯示單元160可以是一個計算機，也可以是由一個嵌入式處理器單元或嵌入式處理器模塊及其配套器件組成的數據處理和顯示系統，用以計算、分析和顯示含氧血紅蛋白濃度[HbO]、去氧血紅蛋白濃度[Hb]以及血氧飽和度[S02]的絕對值和變化趨CN 102920464 A書明說4/6頁勢，以提供準確的數據用於醫療評估分析。
利用上述裝置測定血紅蛋白濃度和血氧飽和度方法，其步驟如下1)雷射調製將可發出兩個以上波長的近紅外光雷射源用至少兩個不同頻率的射頻信號進行調製，不同頻率的射頻信號逐一加載到雷射上形成電調製光信號；2)將電調製光信號經光傳感器發送至被測生物對象表面，光傳感器在被測生物對象表面的另一位置接收經過衰減的散射光信號；並將接收的信號發送至光檢測器單元；3)光檢測器單元檢測不同射頻調製過的光的強度衰減以及射頻相位移動，通過控制和數據採集單元採集數據後，送入數據處理及顯示單元進行運算；4)數據處理及顯示單元通過射頻的相位移動計算出散射係數和吸收係數，通過散射係數和吸收係數計算出血紅蛋白濃度和血氧飽和度；數據處理及顯示單元再將血紅蛋白濃度和血氧飽和度儲存和顯示。
具體而言，雷射調製單元110可以產生多個不同頻率的射頻信號，比如高頻正弦波，這些射頻信號按序調製雷射的強度。經過射頻調製的雷射通過光纖130送往光傳感器 120、從光傳感器的光纖出口到達人體被測組織的表面並進入人體組織125 (或被測血液)， 這個進入人體的雷射稱為入射光。這裡提到的人體組織也包括顱腔內的大腦。入射光在人體組織內經過血紅蛋白的吸收和散射，有一部分光子經過一段距離後從人體組織的另一部位穿透人體表面而被光傳感器120接收並經由光纖131被送往光檢測單元140，這部分光子的總量在本發明裡稱為接收光。接收光含有人體組織125對入射光的光學特性的信息、可以用來通過吸收和散射光譜計算血紅蛋白的生物信息，包括含氧血紅蛋白濃度[HbO]、去氧 (脫氧)血紅蛋白濃度[Hb]以及血氧飽和度[S02]的絕對值，這些絕對值是現有其它技術尚未能準確測得的。為了計算上述血紅蛋白的生物信息，光檢測器單元140將接收光轉換為因血紅蛋白的影響而使得振幅和相位都發生變化的高頻電信號。這些高頻電信號在控制和數據處理單元150進行解調和數位訊號處理，再由電腦程式通過光電生物算法，計算血紅蛋白的生物信息、並由計算機進行存儲和顯示。
圖3顯示本發明基本原理中光程的重要部分雷射發射和接收的光路過程。光傳感器120將高頻一一調製過的光經傳感器送往人體，在光發射口 310進入人體組織125。入射光在人體組織內經過不同的散射路徑320、321到達人體表面，從光接收口 330、331出來的散射光340和341被光傳感器120接收並被送往各光檢測器單元140。類似的發射和接收的傳輸路徑，可以在多個入射光源和一個光檢測器之間形成、也可以在一個入射雷射源和多個光檢測器之間形成，或者在多個入射雷射源和多個光檢測器之間形成。
圖4中的這個光傳感器有兩個光發射口 350、351，四個光接收口 360 363，對每個波長的光而言，光程有8路。光源發射口可以是光纖的一端,也可以是其它光學器件的光輸出口。同樣，光傳感器的光接收口 360 363,可以是光纖的一端,也可以是其它光學器件的光輸入口。實際使用時，光傳感器上的光發射口 350和351，光接收口 360 363和被測人體組織表面接觸。光傳感器使用光纖作為傳輸媒介時，通過多根光纖組成的光纜300，把射頻調製單元光源110的光發射到被測人體組織125、把在人體內經過一段距離後散射出來的光送往光檢測器單元140。每個光發射口發射的光，至少含有兩個不同的波長。每個波長依次被多個不同頻率的射頻波調製。雷射從進入人體組織的一個光發射口 350或351到經過散射到達一個光接收口 360 363中的一個所走過的路程，稱為光程，是一個光子所經·6路程的統計量度，其長度跟光波長、被測人體組織的光特性等等有關。光程的數目，跟光傳感器光發射口和光接收口的組合數目有關，通過多路光程可測得多組信號，這些信號經解析和計算後獲得的相應數據會形成一個數據結合，統計其相對集中的數值，即可獲得更為精確的數據。
如圖5所示，本發明具有進行自校準的功能，以真正實現對人體組織血紅蛋白生物特性測量的精確性和準確性。自校準方法裡包括一個或多個下列步驟首先，對每一個光源依次用頻率不同的射頻波(步驟402)進行調製。
經過射頻調製的雷射通過光傳感器送往人體組織(步驟404)。
入射到人體組織內部的雷射由於血紅蛋白對光的散射作用，經過一段光程後，到達人體組織表面的另一個部位、在此被光傳感器的光接收口所接收、並被送往各光檢測器單元(步驟406)。
各光檢測器單元將所檢測到的散射光轉換成電信號(步驟408). 各電信號經高頻解調、對信號強度和相位的自校準處理、數據處理後送往計算機，以根據血紅蛋白的吸收光譜和散射光譜計算出血紅蛋白的光學特性數據(步驟410)。
根據自校準後算出的血紅蛋白的光學特性參數，計算出血紅蛋白的生物指標 [HbO], [Hb]和[S02]的絕對值或變化趨勢(步驟412)，。
許多因素可以影響射頻調製雷射信號的檢測精度，這些因素包括但不限於光源強度和相位的變化、在光源和人體組織之間以及人體組織和光檢測器單元之間耦合效率的差異、在不同的光探測器靈敏度的不一致性、製造誤差帶來的光源和光探測器間距的誤差、人體組織對近紅外光的光學不均勻性等等。這些因素可能會導致測量的準確性和有效性，甚至會對臨床應用帶來嚴重影響。
本發明的一個重要的優點在於本發明的自校準(步驟412)僅利用一個單一光程也可實現。單光路校準是通過發射一路雷射、該光源含有兩個以上的波長，每個波長的光源由不同頻率的多頻射頻信號進行調製、從一個光發射口送進被測人體組織、並在另一個單個光接收口接收散射回來的光信號，該光源和光檢測器單元之間只形成一路光程。
在具體實施方案中，本發明的雷射組織血氧飽和度測定儀可採用的最簡單的光傳感器來實現，其包括一個單一的光發射送埠和光接收口，這樣射頻調製光的光源和散射光在被測人體組織內就形成一路光程。
本發明可減小或消除各種隨機變化因素的影響，這些隨機變化因素包括但不限於各光源光強的不確定性和不穩定性、各光檢測器單兀靈敏度的不均一'I"生、各光纖傳輸特性的不一致性、雷射和光學器件包括光纖的耦合係數的不均一性、各光電器件特性的不一致性、光源和光檢測器單元之間的物理間隔的不一致和不準確性比如製造誤差、甚至光傳感器與人體表面間的油膩、毛髮等帶來的影響。該裝置可實現自校準，可以利用一個單一的光學路徑結構來表述。從原理上記述，一個光檢測器單元檢測到的光強度可以簡單表示為Ic (f) = Io*Sc%(/，d, P a, P s)方程(I)Ic (f)是在光接收口 C檢測到的光強度，Io是射頻調製過的雷射源輸出的強度，/是射頻波的頻率，V是光源和光檢測器單元之間的距離間隔，Sc代表光檢測靈敏度、耦合效率、 噪音等綜合影響；對檢測到的光強度，// a和// s分別為吸收和散射係數，g是一個上述因素的複雜函數。
在本發明所中，每個光發射送埠或進入活體組織的光入射點的近紅外雷射要被至少兩個不同頻率的射頻波所調製，在兩個射頻波調製的情況下，如果將這兩個射頻波的頻率記作/I和/2，兩個射頻波調製過的光在被測生物體內經過一段路徑後在光接收口 C 被檢測到的光強分別記為Ic(Zl)和Ic(f2)，從Eqn. (I)，這兩個光強的比值可記為Ic(Zl)/ Ic (/2)= g(fl, d, Pa, Ps)/ g{f2, d, Pa, P s)方程(2)這個比值不依賴於Io和Sc，即不受光學路徑變量的變化、製造誤差、噪音等誤差的影響，也就是說，通過使用這種多重射頻(RF)調製方式，本發明發明的近紅外雷射譜儀或雷射人體組織血氧儀對光學和機械誤差、隨時間變化的參數偏差、不同的器件參數變化的影響等等，可以具有進行自校準的功能。此外，不同RF頻率調製的雷射，在被測生物體內經過相同的光學路徑、所受電子噪聲和機械誤差的影響也大致相同，電子器件的內部噪聲和系統噪聲、光電子器件的噪聲等等可以被消除或大為減少。因此，製造誤差、光源和探測器距離即光學路徑的製造誤差以及上述各種噪聲和誤差影響至少可以減少到一半以下。
本發明通過測量不同射頻調製過的光經過人體組織後的強度衰減(直流和交流分量)以及射頻相位移動，可以同時檢測人體任意部位血紅蛋白的吸收和散射光譜，從而能夠準確測量血紅蛋白濃度及其含氧飽和度，沒有任何各向同性假設的需要，而且本發明也大大減小了光傳感器的物理尺寸，使得其使用方便。為了定量測量含氧和脫氧血紅蛋白對不同波長的吸收光譜和散射光譜，必須準確定量雷射在人體組織內所經過的光程(光路長度)。由於人體組織內血紅蛋白對雷射散射效應，光程並不是簡單的光入射點和光接收口之間的直接幾何距離。實際上，每路光程會因被測人體部位的不同而不同，會隨不同的人而不同。這種光程的不確定性會影響所測血紅蛋白光學特性的精度和準確性，從而影響根據所測光學特性而計算出來的血紅蛋白生物信息的準確性和精度。當射頻信號和雷射信號經過調製後，其從同一光發射送埠發出，再經同一個光接收口或接收，該射頻信號和雷射信號所經過路程是一樣的，通過射頻信號的變化可測得信號所經過的路程，再與雷射散射信號結合，從而測得血紅蛋白的吸收和散射係數，並據此計算得到血紅蛋白的生物信息。
本發明公開和闡述了很多細節，但這些細節並不是對本發明覆蓋範圍的限制，也不對本發明所要宣稱的以及可以被宣稱的內容有任何限制；這些細節只是作為對具體系統實現案例及其特徵功能的描述。本發明中所描述的多個系統單元實體的功能可以集成到一個單一系統單元實體裡去。反過來，本發明所闡述的單一系統單元的各種特徵功能，也可分別在複合系統單元、或複合系統單元的子系統裡實現。此外，雖然總體功能可如上所述，在某些系統單元組合裡標稱可用的特徵功能中的一個或多個，有時可根據系統實際使用的要求而置閒不用，而系統單元組合也可直接當作一個子系統單元組合或多種子系統單元組合使用。
權利要求
1.一種血紅蛋白濃度和血氧飽和度測定儀，包括雷射調製單元、控制和數據採集單元、 光檢測器單元、數據處理及顯示單元、光傳感器；所述雷射調製單元的輸出端經光纖連接光傳感器，光傳感器與光檢測單元的輸入端經光纖相連，光檢測單元與控制和數據採集單元經雙向信號相連；控制和數據採集單元與雷射調製單元經雙向信號相連；控制和數據採集單元與數據處理及顯示單元經雙向信號相連；每個光傳感器上具有至少一個向人體組織發送光信號的光發射口和接收光信號的光接收口，其特徵在於所述雷射調製單元包括可發出兩個以上波長的近紅外光雷射源、至少兩個不同頻率的射頻信號源和多路復用光開關，射頻信號源逐一接入各雷射源對每個波長的雷射進行調製，雷射源的輸出端經多路復用光開關與光傳感器的輸入端相連；光檢測器單元檢測不同射頻調製過的光經過被測對象一段光學距離後的強度衰減以及射頻相位移動，通過控制和數據採集單元採集數據後，送入數據處理及顯示單元，經計算獲得血紅蛋白的吸收和散射係數，再經換算得到血紅蛋白濃度及血氧飽和度存儲並顯示出來。
2.根據權利要求I所述的血紅蛋白濃度和血氧飽和度測定儀，其特徵在於每個雷射源為一個多波長雷射器或者由多個單波長雷射器組合而成。
3.根據權利要求2所述的血紅蛋白濃度和血氧飽和度測定儀，其特徵在於每個雷射源發出的多波長雷射，通過光學器件稱合成一路複合光源。
4.一種血紅蛋白濃度和血氧飽和度測定方法，其特徵在於包括如下步驟1)雷射調製將可發出兩個以上波長的近紅外光雷射源用至少兩個不同頻率的射頻信號進行調製，不同頻率的射頻信號逐一加載到雷射上形成電調製光信號；2)將電調製光信號經光傳感器發送至被測生物對象表面，光傳感器在被測生物對象表面的另一位置接收經過衰減的散射光信號；並將接收的信號發送至光檢測器單元；3)光檢測器單元檢測不同射頻調製過的光的強度衰減以及射頻相位移動，通過控制和數據採集單元採集數據後，送入數據處理及顯示單元進行運算；4)數據處理及顯示單元通過射頻的相位移動計算出散射係數和吸收係數，通過散射係數和吸收係數計算出血紅蛋白濃度和血氧飽和度；數據處理及顯示單元再將血紅蛋白濃度和血氧飽和度儲存和顯示。
全文摘要
本發明公開了醫療檢測技術領域內的血紅蛋白濃度和血氧飽和度測定儀及測定方法，包括雷射調製單元、控制和數據採集單元、光檢測器單元、數據處理及顯示單元、光傳感器；雷射調製單元可發出兩個以上波長的近紅外雷射，每個波長的雷射被至少兩個不同頻率的射頻信號分別調製，雷射源的輸出端經多路復用光開關與光傳感器的輸入端相連；光檢測器單元檢測不同射頻調製過的光的強度衰減以及射頻相位移動，採集數據後，送入數據處理及顯示單元經計算獲得血紅蛋白的吸收和散射係數，經換算得到血紅蛋白濃度及血氧飽和度的信息，再進行存儲並顯示出來。本發明可減小或消除各種幹擾對計算結果的影響，使得血紅蛋白濃度和血氧飽和度測定更加精確。
文檔編號A61B5/1455GK102920464SQ20121048123
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月23日 優先權日2012年11月23日
發明者王明 申請人:揚州奧泰光電生物技術有限公司