多功能血流血氧传感器的研制.doc

多功能血流血氧传感器的研制 第多功能血流血氧传感器的研制蔡克家崔探星乔月印(南开大学物?科学学院生物物?科学与技术系天津300071)摘要生物医学传感器的研制越来越趋向于无创伤、集成化、智能化的方向发展。 研制的多功能血流血氧传感器顺应了这一趋势,它利用先进的激光多普?技术和光谱技术,实现了微循环血流、脉搏血氧饱和度和脑血氧饱和度三种人体生?信号的采集和转换。 该多功能传感器尽?采用小巧而灵敏的元器件,可以根据需要准确地调节光源与信号接收器之间的距离,为医学与生?学研究提供了极大的?利。 关键词激光多普?效应血氧饱和度微循环传感器A Multifunction Sensorfor BloodFlow andOxygen SaturationDetectionCai KejiaCui TanxingQ iaoYueyin(D epartment ofB iophysics,N ankaiU niversity,T ianjin300071,China)AbstractNowadays biomedicalsensors developalong apainless,integrative andintelligent way,and sodoes thedesignedmultifunction sensorfor blood flow andoxygen saturationdetection.Based onadvanced technologyoflaser Dopplerand spectrum,it candetect andtransform threekinds ofhuman physiologyparameters:bloodflow,oxygen saturationof pulseand brain.On theothe hand,it appliessmall andsensitive ponents;and thedistancebetween lightsource andsignal receivercan beadjusted aurately,which mayoffer greatconvenience tomedicaland physiologicalresearch.Key wordsLaserDoppler effectOxygen saturationM icrovascularSensor1引言随着电子技术、激光技术和计算机技术的飞速发展,生物医学仪器也有了长足的进步,研究无创伤、集成化和智能化的生物医学传感器已成为国内外学者关注的热点。 文中成功地使血流参数、脉搏血氧和脑血氧饱和度的检测传感器一体化,研制出多功能血流血氧传感器。 测定组织的血流在微循环基础研究和临床检查中具有重要意义1,目前测定方法有同位素、荧光示踪、局部温度、红外摄像、超声多普?、激光多普?等,其中基于激光多普?技术的传感器以其无创伤、适应范围广、操作简?而得到广泛的应用。 但目前国内外用于临床的该类传感器均存在诸多?足,它们在光源和光电转换元件上分别采用氦氖激光器和光电倍增管,两者均体积庞大,需高压供电,使得整套仪器笨重、?安全、稳定性差。 为解决上述技术问题,多功能血流血氧传感器采用体积小巧、低压省电、长寿命的红光、红外半导体激光器作为光源,光电转换采用小巧、廉价而灵敏度高的达?顿光敏三极管,使之具有小型化、灵敏度高、稳定性好、价格低廉等优点。 血氧饱和度(SaO2)是血液中氧合血红蛋白(HbO2)的容?占全部血红蛋白(氧合血红蛋白HbO2和还原血红蛋白Hb之和)容?的百分比,它直接反映了人体供氧和氧代谢的状况,是呼吸循环系统的重要生?参数。 传统用于血氧饱和度检测的血气分析法有创且步骤繁琐,?能进?连续的监测。 而多功能血流血氧检测传感器则实现了脉搏血氧、脑血氧饱和度的无创实时监测。 26卷第1期仪器仪表学报xx?1月本文于xx?3月收到。 72检测原?2.1血流检测原?血流检测原?基于生物组织中的激光多普?效应。 激光光源产生一定波长的激光束进入人体微循环组织,在测?深度内的活动颗粒(主要是快速移动的血红细胞RBC)表面发生散射,其频率会发生改变,这种现象叫做多普?频移(Doppler Shift)效应2。 多普?频移幅度?f与RBC的运动速度v x成正比,如下式。 ?f=2v x? (1)由于微循环网络分布的复杂性、各微血管中血流速度的差异性以及激光在组织中散射的随机性,传感器检测到的多普?频移信号,并?是单一频率的信号,而是有一定频谱宽度的信号。 利用该信号的功率谱可以计算出各血流参数,如:流?(Q)、流速(V)、移动红细胞浓度(CMBC)等,在局部组织三者有如下关系:Q=CMBC?V (2)2.2血氧检测原?血氧饱和度的检测基于朗伯比尔定?3(TheLambert BeerLaw)和光散射?论,朗伯比尔定?是:w=lgI0I=ECL (3)其中:I 0、I分别表示发射光强和接收光强,C表示物质浓度,L表示光穿过组织的?径长度,E表示组织的吸光系数,w为光吸收度。 HbO2和Hb的吸光系数随波长的变化曲线见图1。 显然在红光谱区(600700nm)HbO2和Hb的吸光系数差别很大,在该波段内,选用合适的波长的激光照射组织,光的吸收程度将很大程度依赖于血氧饱和度;而在红外光谱区(8001000nm),HbO2和Hb的吸光系数差别?大,?使用等吸收波长805nm左右的激光照射组织,光的吸收程度则主要反映了血红蛋白(HbO2和Hb)的总?。 利用氧合和还原血红蛋白吸光系数的差异就可以测?血氧饱和度。 多功能血流血氧传感器采用两只半导体激光器作为光源,发射波长 1、2分别为810nm、660nm,分别位于近红外光谱区和红光谱区。 经推算得到血氧饱和度的计算公式4为:SaO2=A+BR+CR2,R=W2W1 (4)其中:W 1、W2分别为血液对 1、2波长光的吸光度,A、B和C是一定传感器结构和生?条件下的系数,通过对实验数据的统计分析来确定。 图1HbO2和Hb的吸光光谱特性该算法得到的血氧饱和度是静脉和动脉血氧饱和度的混合平均值,而脉搏血氧信号应是其脉动或交流分?,其计算公式5为:S pO2=A p+B pR+C pR2,R=AC2?DC2AC1?DC1 (5)其中:AC 1、AC2分别为在 1、2波长光的照射下接收器检测到的光信号的交流分?;DC 1、DC2则为相应的直流分?。 系数A p、B p和C p通过对实验数据的统计分析来确定。 脉搏血氧的检测只有在动脉搏动的情况下才有意义,而脑血氧传感器测?的是大脑局部的混合血氧饱和度,有其特殊的临床应用范围,可以采集人体在低血压、脉搏搏动减弱甚至心脏停止跳动时的血氧信号。 其计算方法基于图2中的双光源双接收检测模型。 图中,A、B分别为浅部和深部检测光敏三极管,接收两种波长 1、2照射下表层(皮肤、组织、骨骼)和深部脑组织(包括表层组织)的信息,两者之差即为脑组织血氧饱和度的信息。 脑血氧饱和度的计算公式6为:ScO2=A C+B CR+C CR2,R=D2D1 (6)其中:D 1、D2分别是深、浅两接收器在 1、2波长光的照射下检测到的光密度之差。 系数A C、B C和C C同样通过对实验数据的统计分析来确定。 图2脑血氧饱和度检测原?图此计算方法的前提是两接收器检测到的光密度信2仪器仪表学报第26卷第号之差完全脑组织,这就必须限制两接收器到光源的距离,第一个接收器到光源的距离应大于皮肤到脑组织的距离的两倍,经检验距离分别为30mm和40mm能较好地补偿脑组织以外的信号对脑血氧信号的影响7。 3传感器结构设计多功能血流血氧传感器属于反射式光电传感器,检测到的信号都是激光经组织反射或后向散射7的光信号,采用双光源双接收器结构。 双光源分别使用1=810nm,2=660nm的两个半导体激光器(IR和R),双接收器(光敏三极管)分别固定于两个滑块上通过螺杆调节其与光源的距离,其结构图如图3。 图3传感器外形与结构框图图中传感器盒呈四方体形,电?板贴于四方体一侧的壁上,电信号从其相邻壁由电缆输出到计算机主机内的信号放大与处?接口卡。 测?血流参数时使用单光源双接收器,因为近红外光比红光有?深的透过深度,可选择红光或近红外光半导体激光器,并调节接收器与光源的距离以实现?同深度地检测血流参数,测?部位一般为无名指甲皱处。 测?脉搏血氧饱和度时使用双光源单接收器,接收器到光源的距离调到10mm以内,测?时指手指指尖轻轻按在光束出口和接收器上。 测?脑血氧饱和度时使用双光源双接收器,接收器到光源的距离分别调到30mm、40mm处,测?时将传感器盒贴于前额上。 显然,由于接收器到光源距离的可调性为医学与生?学研究和进一步完善测?原?提供了极大的?利。 传感器内部的电?框图见图4。 图中,信号接收器采用小巧而灵敏度高的达?顿光敏三极管。 K为手动双刀双掷微拨开关,装于探头盒侧面,用以选择测?同的生?参数。 计算机总线输出时序脉冲C和D到光源驱动器的输入端,分别控制红光半导体激光器(R)和近红外半导体激光器(IR)的工作状态。 传感器通过光电转换将采集的电信号进?I?V变换等初步处?后最终经电缆输出到信号放大与处?接口卡上。 最后由计算机软件进?计算并显示血流或血氧饱和度的动?学图像。 信号放大与处?接口卡插在计算机内的总线扩展槽中,完成通道选择、信号放大与滤波、函数运算、A?D变换、接收时序脉冲、向总线输出信号等功能。 4临床应用结果采取对照测试方案,检测同一测试对象小臂加压前后的血流?动?学图形。 结果如图5所示。 结果表明,小臂加压影响血液的流动,加压时血液流动受阻,局部血流?明显下降,突然减压后又有明显的射血,表现为幅度的急剧上升。 图4传感器内部电?框图图5局部微循环血流?对比曲线血氧饱和度的检测也有较好的效果,图 6、7分别是脉搏血氧饱和度和脑血氧饱和度的检测实例,图中反映了脉搏血氧随动脉搏动而波动以及脑血氧是局部脑组织血氧饱和度的混合平均值的特性。 371期多功能血流血氧传感器的研制7图6脉搏血氧饱和度检测实例图7脑血氧饱和度检测实例5结论大?的临床应用与实验研究表明,多功能血流血氧传感器能实时有效地检测出各血流参数以及脉搏血氧、脑血氧饱和度的动?学情况,在临床和医学研究方面将有广泛的应用前景。 参考文献1杨玉星,彭涤芳,王左.一种新型的测?血样血氧饱和度的系统.中国医疗器械杂志J,1991,15 (6):331333.2F.Durst,A.M elling,J.H.W hitelaw.Principles andpracticeof laser2doppler anemometryM.A cademicPress,1981.3M arkolfH.N iemz著.张镇西,等译.激光与生物组织的相互作用J.西安:西安交通大学出版社,1999.4王秀章,陈声权.脉搏血氧饱和度检测方法的研究J.中国医学物?学杂志,1995,12 (1):5862.5常昌远,赵宁,魏同立.E2100型血氧饱和度测定仪的研制J.东南大学学报,1998,28 (1):117122.6王强,?淑娟,罗致诚.无创伤红外光谱脑血氧监测仪J.国外医学生物医学工程分册,1998,21 (1):1926.7王强,王跃华,等.反射式红外光谱组织血氧计传感器设计J.中国医疗器械杂志,1999,4 (1):196200.(上接第70页)?明显,原因在于混合气体中的CO2气体在SO2滤光片通带内对红外线吸收很弱,即对SO2浓度测?影响较小。 这并?影响算法的正确性。 本例是对该红外分析仪进?SO2和CO2双组分混合试验标定,当测?其他气体时,只需改变分析仪的滤光片阵列中某些滤光片,根据?程选择?同组合水平的点进?标定,对程序中网络输入矩阵与目标矩阵稍作修改即可很方?地测?其他混合气体。 这样就保证了测?对象种类的可变性及其?程选择的灵活性。 6结论气体传感器阵列与神经网络技术的结合,为解决交叉敏感难题提供了一个新的思?6,7。 利用光学气体传感器阵列对混合气体的多维响应,借助于神经网络技术识别气体的浓度,可有效提高检测精度。 该方法的最大优点是:当存在多种气体时,识别各种气体的标准模式是通过重复训练自动生成的,?需要建立精确的气体响应方程,?需要建立描述规则,这?仅大大减少了工作?,而且可以提高其准确性。 参考文献1刘君华.智能传感器系统.西安:西安电子科技大学出版社,1999.35.2翁桂荣.关于人工神经网络在智能传感器中的应用研究.仪器仪表学报,xx,23 (3):29