吸氧刺激下新生兒腦局部組織氧飽和度的檢測方法
2023-12-07 21:20:01 3
專利名稱：吸氧刺激下新生兒腦局部組織氧飽和度的檢測方法
技術領域：
吸氧刺激下新生兒腦局部組織氧飽和度的檢測方法屬於生物醫學工程技術領域，尤其涉及新生兒腦局部組織血氧參數檢測技術領域。
背景技術：
監測新生兒腦局部組織血運情況，觀察其隨時間變化的規律，對於患有缺氧缺血腦病的嬰兒的給病過程監護、治療效果評定有重要定義。
確定局部組織氧代謝狀況，主要有基於電化學原理的有創組織氧分壓的直接測量方法和基於光學測量的無損檢測方法。而光學方法可以完成無創的監測，使用方便安全，穩定可靠。本發明屬於光學方法中的一種。公開號CN 1365649A的文件中描述的方法基於經典的Lambert-Beer定律，這個經典的定律是針對無散射的情況，對於具有強散射光學特性的人體和其他生物組織，這個定律在此種情況下須修正後才能使用。從原理上，直接在強散射下應用經典的Lambert-Beer定律無法獲得任何正確的結果。與公開號US005632273A、CN1333011A和CN1331953A相比，本發明與其區別在於(1)本發明確是檢測組織血氧飽和度而不是泛指的「血氧參數」。(2)本發明利用多光源和多檢測器的方法區別於單光源和多檢測器的方法，我們的方法在於提高檢測的靈敏度和信噪比。(3)本發明給出了半經驗公式。(4)在短時吸純氧下，獲得局部腦組織血氧飽和度和變化參數。圖1給出現有方法的檢測示意圖，其中a為一個光源，b為檢測器，c為探頭，d為檢測器，e為深層待測組織，f為外層組織。
發明內容
本發明的目的在於提供一種吸氧刺激下新生兒腦局部組織氧飽和度的檢測方法。
監測新生兒腦局部組織血運情況，觀察其隨時間變化的規律，患有缺氧缺血腦病的嬰兒的治療過程監護、治療效果評定有重要意義。從實現方法來講，儘管利用氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白的吸收光譜是這一領域的中諸多測試技術的共同之處，但本專利申請與以往的方法及目前國內公開的專利技術相比其特點及優越在於第一，它測量組織氧飽和度時採用多個光源以提高檢測靈敏度。第二與其他專利不同，在短時吸氧下可檢測新生兒腦局部飽和度及其變化趨勢，給出反應正常新生兒和患有缺氧缺血性腦病的新生兒腦部氧合狀態的一個有效參數。這些都區別於國內外現有專利中所提出的方案。
在圖2中1是與光源LS1、LS2相距距離為r1的光學傳感器OPSU1，2是與與光源LS1、LS2相距距離為r2的光學傳感器OPUS2，3是與與光源LS1、LS2相距距離為r3的光學傳感器OPUS3，4是光源LS1、LS2，5為第1層組織並用T1表示，6為第2層組織並用T2表示7為第3層組織並用T3表示，在新生兒腦血氧測定的組織模型中，T1為皮膚，T2為顱骨和腦脊液，T3為腦組織(灰質和白質)。b1、b2、b3為光子遷移的軌跡。要檢測不同深度的組織，將光傳感器OPUS放在與LS的不同距離上，OPUS3檢測的主要是T1層的信息，OPUS2檢測的是T1和T2層的信息，OPUS1檢測的主要是T1、T2層和T3層的信息。光源OPUS1、OPUS2、OPUS3到LS的距離為r1，r2，r3。
本發明的特徵在於它依次含有以下各個步驟(1)在待測生物組織表面彼此等間距的三個位置上各安放一個光電接收管OPUS。在上述三個光電接收管連線的延長線一端，安放一個用兩個發光二極體LED組成的光源，兩相鄰光電接收管的中心距在2mm～10mm間，諸光電接收管與光源的中心距在20mm～50mm間，在光源中，一個發光二極體發出紅光，另一個發出近紅外光。
(2)在新生兒不吸氧且處於安靜狀態時，按以下步驟檢測各光電接收管接收到同散射光強，並依此計算其光密度值OD。
(2.1)在微控制器控制下，驅動紅光發光二極體LED1發出波長λ1的光，用三個光電接收管OPUS1～OPUS3依次在0.5毫秒內測量散射光強對應的值；再在微控制器控制下，驅動近紅外光發光二極體LED2發出波長λ2的光，用三個光電接收管OPUS1～OPUS3依次測量散射光強對應的值；(2.2)利用光密度計算公式由微控制器算出不同檢測距下對應於不同光波波長的光密度值ODkλiODki=logIoIkr,]]>其中，k＝1，2，3，分別表示從左到右的三個光電接收管，λi＝1，2，i＝1，2，分別表示光波波長λ1，λ2，Ioi為發光二極體LED1或LED2出射的光強，I01，I02分別表示光波波長λ1，λ2的光發出的，Ikr為置於不同位置的光電接收管OPUS檢測到的經過待測生物組織內部散射之後的反射光強；(3)根據步驟(2)測定的ODkλi值，再下式計算局部組以氧飽和度rSO2，顯示並保存記錄先把同一氧狀態下，但不同檢測距離下的光密度值相減，得
OD2i=OD2i-OD1i,]]>OD1i=OD3i-OD2i,]]>再按下列經驗公式計算rSO2rSO2=C(OD11OD12)2+B1(OD11OD12)+B2(OD21OD22)+A,]]>其中，C取值在0.16～0.25，B1取值在-1.66～-2.5，B2取值在-0.13～-0.25，A取值在1.8～2.7；(4)讓新生兒吸氧一段時間，再用上述方法測量、計算並紀錄rSO2；(5)吸氧一段時間後停止供氧，再經一段時間用以上所述的方法測量、計算並紀錄rSO2，終止測量。
試驗證明它能明顯檢測出正常兒與患兒在組織氧飽和度的明顯差異，顯示其變化過程，局部檢測靈敏度高。
圖1.現有檢測方法示意圖。
圖2.本發明檢測方法示意圖。
圖3.本發明得到的血紅蛋白吸收光譜。
圖4.本發明所述方法的程序流程圖。
圖5.按本發明設計的檢測裝置的外觀示意圖。
圖6.按本發明設計的系統的電路原理框圖。
圖7.正常新生兒與患兒的rSO2曲線圖。
具體實施例方式
在短時吸純氧條件下，檢測組織血氧飽和度和其變化的參數方法依次含有以下步驟。
①準備好氧氣面罩或氧氣通氣管，新生兒處於安靜狀態，記錄其不吸氧時的基礎值，檢測各距離上的OD值並記錄。
②依據①中測試的結果，計算局部組織氧飽和度rSO2，顯示並保存結果。
③用氧氣面罩或直接用氧氣通氣管以2L/min流量讓新生兒吸氧60秒，記錄並顯示rSO2。
④吸氧60秒後將氧氣面罩或氧氣通氣管去掉，記錄120是秒局部組織氧飽和度rSO2，數據保存後結束測試。
所述的在短時吸純氧條件下，檢測組織血氧飽和度和其變化幅度值的參數的步驟①中依次含有以下步驟所述的無損檢測血氧的步驟①中依次含有以下步驟1)將光電檢測器OPUS1、OPUS 2、OPUS 3放置在適當的位置上。
2)在微控制器控制下驅動LS1和LS2中的第1波長發光，並依時序用OPUS1-OPUS3測量散射光強對應的值；在微控制器控制下驅動LS1和LS2中的第2波長發光，並依時序用OPUS1-OPUS3測量散射光強對應的值(見圖2)。
3)利用光密度的公式計算出不同檢測距離下的光密度ODkODk=logI0Ikr--(1)]]>k＝1，2，3表示不同光電檢測器的腳標，Ikr為置于于不同位置的光電檢測器OPUS檢測到經過組織內部散射之後的反射光強。I0為光源(圖2中的LS1和LS2)出射時的光強。
所述的無損檢測血氧的步驟②中可以計算局部組織氧飽和度，將含有以下步驟。
為了在計算局部組織氧飽和度，將接近的時間區間內(小於0.5ms)、近似同一血氧狀態下但r分別不同距離情況下的光密度表達式相減，於是得到OD2j=OD2j-OD1j]]>OD1j=OD3j-OD2j--(2)]]>j＝1，2表示波長1和2在這裡，用rSO2表示局部組織氧飽和度，以區別與動脈血氧飽和度，並用經驗公式(3)表示。
rSO2=C(OD11OD12)+B1(OD11OD12)+B2(OD21OD22)+A--(3)]]>C取值在0.16~0.25之間，B1取值在-1.66~-2.5之間，B2取值在-0.13~-0.25之間，A取值在1.8~2.7之間。
按本發明設計的系統由傳感器、前置放大器電路、A/D轉換器、嵌入式微控制器、外部SRAM、液晶顯示器構成，如圖6所示。
依據漫射光原理設計出的典型的硬體裝置，如圖6所示。光源LS用2個LED(每個LED具有兩個波長)與3個OPUS在不同的距離上(成一條線)，由OPUS檢測光強變化，OPUS採用2CU30S。OPUS連至前置放大器TLC27L4，微控制器AT89C52控制採樣保持器LF398工作並啟動A/D TLC2543轉換，對轉換結果讀取並記錄採樣值。微控制器驅動光源LS發光，並將由OPUS檢測值的A/D轉換值保存到存儲晶片6264，上述優點；通道的一致性很好，使數據有可比性。
本發明中裝置中的探頭中有2個LED用來提高信噪比，r2、r3處的2個OPUS用於校正外層組織的影響。在整個組織中，由於生物組織的吸收有一定的特徵，只有選擇合適的波長，才能較好地計算出局部組織氧飽和度和血氧濃度改變。不同組織的測量中波長選擇有些不同，腦組織檢測時的780nm/840nm，因此我們780nm/840nm組件LED。為了對生物組織不產生任何傷害，LED的光功率應小於10mW。
通過上述硬體結構和工作原理之介紹，系統信號流程可歸納為(1)微控制器向LS驅動單元發出控制信號，LED發光(2)光經組織(圖1中的5T1、6T2、7T3)從檢測部位出射(3)OPUS1、OPUS2、OPUS3檢測光強連至前置放大器(4)3路採樣保持器對信號採樣保持，A/D轉換器進行轉換，由微控制器控制將轉換結果讀入SRAM保存。(5)由微控制器中計算並顯示局部組織氧飽和度rSO2。
在微控制器中計算3個距離上的OD值，利用公式，解算出rSO2。
實驗效果利用本發明測試正常嬰兒和患腦病的嬰兒在安靜狀態下吸氧過程，組織氧飽和度和變化過程，如圖7所示，經過Aspin-Welch檢驗正常與患兒差異顯著(P＜0.005)。
本發明實施後帶來的效果可歸納為(1)由於採用雙光源使檢測靈敏度、信噪比提高，使組織氧飽和度參數檢測穩定可靠(2)在短時吸氧下可檢測新生兒腦局部飽和度及其變化幅度值，給出反應正常新生兒和患有缺氧缺血性腦病的新生兒腦部氧合狀態的一個有效參數，及時反映新生兒腦局部循環狀況。
權利要求
1.吸氧刺激下新生兒腦局部組織氧飽和度的檢測方法，含有近紅外生物組織血氧參數的檢測步驟，其特徵在於，它依次含有以下各個步驟(1)在待測生物組織表面彼此等間距的三個位置上各安放一個光電接收管OPUS。在上述三個光電接收管連線的延長線一端，安放一個用兩個發光二極體LED組成的光源，兩相鄰光電接收管的中心距在2mm～10mm間，諸光電接收管與光源的中心距在20mm～50mm間，在光源中，一個發光二極體發出紅光，另一個發出近紅外光。(2)在新生兒不吸氧且處於安靜狀態時，按以下步驟檢測各光電接收管接收到同散射光強，並依此計算其光密度值OD。(2.1)在微控制器控制下，驅動紅光發光二極體LED1發出波長λ1的光，用三個光電接收管OPUS1～OPUS3依次在0.5毫秒內測量散射光強對應的值；再在微控制器控制下，驅動近紅外光發光二極體LED2發出波長λ2的光，用三個光電接收管OPUS1～OPUS3依次測量散射光強對應的值；(2.2)利用光密度計算公式由微控制器算出不同檢測距下對應於不同光波波長的光密度值ODkλiODki=logIoIkr,]]>其中，k＝1，2，3，分別表示從左到右的三個光電接收管，λi＝1，2，i＝1，2，分別表示光波波長λ1，λ2，Ioi為發光二極體LED1或LED2出射的光強，I01，I02分別表示光波波長λ1，λ2的光發出的，Ikr為置於不同位置的光電接收管OPUS檢測到的經過待測生物組織內部散射之後的反射光強；(3)根據步驟(2)測定的ODkλi值，再下式計算局部組以氧飽和度rSO2，顯示並保存記錄先把同一氧狀態下，但不同檢測距離下的光密度值相減，得OD2i=OD2i-OD1i,]]>OD1i=OD3i-OD2i,]]>再按下列經驗公式計算rSO2rSO2=C(OD11OD12)2+B1(OD11OD12)+B2(OD21OD22)+A,]]>其中，C取值在0.16～0.25，B1取值在-1.66～-2.5，B2取值在-0.13～-0.25，A取值在1.8～2.7；(4)讓新生兒吸氧一段時間，再用上述方法測量、計算並紀錄rSO2；(5)吸氧一段時間後停止供氧，再經一段時間用以上所述的方法測量、計算並紀錄rSO2，終止測量。
全文摘要
吸氧刺激下新生兒腦部局部組織氧飽和度的檢測方法屬於生物醫學工程技術領域，其特徵在於用共同安放在一條直線上的三個光電接收管和含有兩個發光二極體的光源作為傳感器，基於組織氧代謝中氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白具有不同的光譜特性，根據光在組織中的吸收與散射的規律，計算出局部組織血氧飽和度rSO
文檔編號G01N21/25GK1544919SQ20031011353
公開日2004年11月10日 申請日期2003年11月14日 優先權日2003年11月14日
發明者黃嵐, 丁海曙, 王廣志, 李嶽, 趙軍, 騰軼超, 黃 嵐 申請人:清華大學