利用近红外光谱检测多层组织血氧饱和度的研究_图文

1、 第11期光谱学与光谱分析2923大和滤波处理后,所得信号呈现两个部分信号特点(交流信号和直流信号,被称为光电脉搏波(photoplethysmography, PPG信号8。其中交流(alternating current,AC信号主要随血管内血液脉动而变化;直流(direct current,Dc信号值比较大,这部分是相对恒定的电压部分,主要由光路径中材料性质决定。研究表明动脉血液中氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白对红光(660nm和红外光(940rim这两个波段上的吸收度有很大差别。利用了化学中分光光度技术,采用朗伯一比尔定律的连续方程求解获得动脉血氧饱和度方程9。通过大量自愿者的医学实验结果

2、总结出接收到红光和红外光的交流部分与直流部分的比值与动脉血氧饱和度呈线性关系1,如(1式。式中,ac660和口o分别代表了红光660nln和红外光940EffTI 在通过生物体时,随光路径上组织血管中血液脉动的变化量;由公式(1可见,口f660和口铀。这两个交流变化量的比值与生物组织氧合状况(血氧饱和度成正比关系。Sp(2=11025R(1其中斌rati。=船针对生物组织结构为多层结构特点,本文提出采用反射式脉搏血氧饱和度监测技术,设计对输入红光、红外光光强进行调节电路结构来检测多层组织氧合状况的方法。通过调节入射光强来改变光在生物体内通过的光路径深度,获得不同层次组织的光电脉搏波信号,从而推

3、算出各层次生物组织的血液氧合情况。1.2手指的生理学构造在手指上采用近红外光谱技术测虽脉搏血氧饱和度的方法,主要依据手指上有丰富的毛细血管床。图1显示一个典型的分布毛细管床指端解剖图【l¨。采用传统透射方式在任何位置都可以得到较好的光电脉搏波信号。这是目前临床通用检测方法。但透射式检测方法并不能获得不同层面组织氧合情况,具有局限性。Fig.1Anatomy in f'mger tops从指端的截面来看,手指由皮肤、指骨、动脉和中动脉,静脉和肌腱非均匀混合而成,其复杂程度可以模拟生物体内多层组织结构。针对解剖学特点:手指背毛细血管分布少于手指面,而指骨、皮肤和肌腱中没有脉动血,

4、即对光电脉搏波交流信号部分没有影响。本文实验据此建立由手指背和手指面两个方向的反射式脉搏血氧饱和度检测方案,通过实验数据对比研究光强、被探测部位结构和PPG信号之l日J关系。2多层检测装置设计整个脉搏血氧饱和度多层检测装置硬件部分主要完成信号采集和实时处理。特点是入射光强控制部分,要实现入射光强度町调功能。采用数模转换器控制改变临床常用Nellcor 传感器中入射光强和开关频率;信号采集部分由于光电探测器得到电流信号微弱,需要转为电压信号后放大,再数字化。选择DDCll2作电流信号采集电路实现电流电压转换和模数转换功能;PPG信号的检出基于Matlab软件完成。整体设计集成度高,抗干扰能力强。

5、3人体实验测量及结果针对手指解剖学中不同层面组织结构特点,光路径通过不同的组织结构必将带来不同PPG信号,实验要求分别从手指背(a和手指面(b两个方向进行测最,改变入射光强后再次测量。实验中测量位置如图2所示。Fig.2Experimental design传感器兼容Nellcor光电传感器,采用红光和红外光两波段作为光源,发光点与探测点之间距离:2clrl。另外,实验中将常规临床检测仪应用到另一只手检测进行对比。实验中由发光管控制电压的变化得到不同的入射光强。建立四组控制电压如表1,从而得到四组不同入射光强度下所采集的PPG信号。Table1The control voltage 图3、图4

6、是在28组实验条件下从手指背和手指面两方2924光谱学与光谱分析第29卷 向采集到的光电探测器输出信号通过放大、低通滤波等处理后得到的波形图。波形满幅显示,可根据DIX:112器件模式312完成归一化得到输出电流值。由图中波动信号可以计算波动频率:每秒81次。这与从另一只手由常规临床检测仪检测出的脉搏数吻合;从图中还可以观测到交流信号的变化幅度基本一致。这些现象表明:此波形中交流部分是由心脏搏动产生,所得波形正是光电脉搏波信号;入射光经过生物组织由探测点出射的光路径在实验中保持稳定。这样由近红外光谱检测原理可推得,波形中交流部分变化反映了光路径上组织血液氧合情况。859(96100Timpsn

7、昏3Signals from finger back in 2#1:Infrared;2:RedFi昏4Signalsfromfinger鲫加in2#1:Infrared;2:Red实验中还进行了减小入射光强控制电压(18实验和增大输入光强控制电压(38,48实验的检测,在48组实验肉眼町观测到红光透射手指,说明光强增加,光路径加深,可探测组织变化。四组实验中都采集到了光电脉搏波信号。4实验讨论依据检测原理,PPG信号中交流部分反映脉搏波动;峰峰值的变化反映出不同组织的血液氧合情况。从4组实验数据中分析PPG信号中交流部分ac660和ac940的幅值变化。对每组信号求出交流部分在20s内平均峰

8、峰值,以4组实验数据建立从手指背和手指面两方向测量所得PPG信号的峰峰值变化图,如图5所示。其中图(a代表从手指背方向的测量采集信号峰峰值的变化,图(b代表从手指面方向的测鼍信号峰峰值变化。峰峰值的变化表明:改变入射光强叮以改变组织中光路径,获得不同层次组织的PPG信号。Fi昏5PPG peak-to-peakamplitudes of ringerbad(aand finger surface(b结合手指解剖结构分析实验结果。由图中可见,28实验PPG信号峰峰值明显较18峰峰值大。表明随着输入光强控制电压逐步增大,光路径抛物线加深,被测部分由以毛细血管为主的组织层次变化到有动脉、静脉血管组织

9、部分,所得PPG信号峰峰值明显增大;而后深入到肌腱、指骨部分,这里没有脉动血,38的红光和48PPG信号峰峰值有所衰减。实验分析表明多层生物组织中特定组织PPG信号可以通过改变入射光强方法来测量。通过这种方法的研究,可以分解出生物不同层次组织的m氧饱和度性质。这些特性说明这种方法适用于体内血氧饱和度的测量,可以在对病患者微创手术情况下直接检测临床医生关心的主动脉血氧饱和度信号、甚至心肌氧合情况。如经食道或气道插管检测弓主动脉或肺主动脉血氧饱和度信号6,由于食道或气道中血管血液脉动不可避免引入其他信号的干扰。采用本文介绍的通过入射光强调节适用层次检测方法呵有效避开食道、气道壁组织信号干扰,直接提

10、取出主动脉信号,与常规检测方法相比获得信号更快、更准确。这对临床手术具有非常重大的意义。其他针对多层结构血氧饱和度检测方法的研究集中在采用改变发光点与探测点问距或增加入射光源的方法h13,”,间距大小对脉搏血氧饱和度检测准确性起关键性作用。例如应用于头部测量研究的反射式血氧饱和度检测方法利用光路径差别研究脑部血氧饱和状态1“。也是一种各层面组织的测最方法,入射光源到探测点距离设计直接影响检测,同时实际检测中不易再改变。采用通过人射光强叮调节方式检测各层组织血氧饱和度的方法更易实现体内条件下检测应用,而且设计兼容目前通用传感器应用。这种方法要应用于检测血氧饱和度信号还存在许多问题拍;5;l 筋l

11、lI ;nvH山 利用近红外光谱检测多层组织血氧饱和度的研究作者:高博, 魏蔚, 龚敏, 王丽作者单位:高博,龚敏(四川大学物理科学与技术学院,微电子技术四川省重点实验室,四川,成都,610064, 魏蔚,王丽(四川大学华西医院麻醉与危重病医学教研室,四川,成都,610041刊名: 光谱学与光谱分析英文刊名:SPECTROSCOPY AND SPECTRAL ANALYSIS年,卷(期:2009,29(11被引用次数:1次参考文献(15条2.ZHUANG Xin-liang,ZENG Yin-ming,CHEN Bo-luan(庄心良,曾因明,陈伯銮.Modern Anesthesiology

12、(代麻醉学.Beijing:People's Medical Publishing House(北京:人民卫生出版社,2003.4.Kyriacou P A,Crerar-Gilber A,Langford R M,et al.Journal of Physics:Conference Series,2006,45:232.5.Crerar-Gilbert A,Kyriacou P A,Jones D P,et al.Anaesthesia,2002,57:442.6.ZHU Zhao-qiong,WEI Wei,XUE Fu-shan,et al(朱昭琼,魏蔚.薛福善,等.Journ

13、al of Clinical Anesthesiology(临床麻醉学杂志,2006,21(10:670.7.Webster J G.Design of Pulse Oximeters.Bristol:Institute of Physics Publishing,1997.10.Moyle J T B.Principles and Practice Series:Pulse Oximetry.London:BMJ Publishing Group,1994.11.Cormack G C,et al.The Arterial Anatomy of Skin Flaps.Churchill Livingstone,1994.12.Burr-Brown Corporation,DDC2112 Hardware Guide,2000.13.Reuss James L.IEEE Transactions on Biomedical Engin