利用近紅外光譜檢測(cè)多層組織血氧飽和度的研究_圖文

1、 第11期光譜學(xué)與光譜分析2923大和濾波處理后,所得信號(hào)呈現(xiàn)兩個(gè)部分信號(hào)特點(diǎn)(交流信號(hào)和直流信號(hào),被稱(chēng)為光電脈搏波(photoplethysmography, PPG信號(hào)8。其中交流(alternating current,AC信號(hào)主要隨血管內(nèi)血液脈動(dòng)而變化;直流(direct current,Dc信號(hào)值比較大,這部分是相對(duì)恒定的電壓部分,主要由光路徑中材料性質(zhì)決定。研究表明動(dòng)脈血液中氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白對(duì)紅光(660nm和紅外光(940rim這兩個(gè)波段上的吸收度有很大差別。利用了化學(xué)中分光光度技術(shù),采用朗伯一比爾定律的連續(xù)方程求解獲得動(dòng)脈血氧飽和度方程9。通過(guò)大量自愿者的醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2、總結(jié)出接收到紅光和紅外光的交流部分與直流部分的比值與動(dòng)脈血氧飽和度呈線性關(guān)系1,如(1式。式中,ac660和口o分別代表了紅光660nln和紅外光940EffTI 在通過(guò)生物體時(shí),隨光路徑上組織血管中血液脈動(dòng)的變化量;由公式(1可見(jiàn),口f660和口鈾。這兩個(gè)交流變化量的比值與生物組織氧合狀況(血氧飽和度成正比關(guān)系。Sp(2=11025R(1其中斌rati。=船針對(duì)生物組織結(jié)構(gòu)為多層結(jié)構(gòu)特點(diǎn),本文提出采用反射式脈搏血氧飽和度監(jiān)測(cè)技術(shù),設(shè)計(jì)對(duì)輸入紅光、紅外光光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)節(jié)電路結(jié)構(gòu)來(lái)檢測(cè)多層組織氧合狀況的方法。通過(guò)調(diào)節(jié)入射光強(qiáng)來(lái)改變光在生物體內(nèi)通過(guò)的光路徑深度,獲得不同層次組織的光電脈搏波信號(hào),從而推

3、算出各層次生物組織的血液氧合情況。1.2手指的生理學(xué)構(gòu)造在手指上采用近紅外光譜技術(shù)測(cè)雖脈搏血氧飽和度的方法,主要依據(jù)手指上有豐富的毛細(xì)血管床。圖1顯示一個(gè)典型的分布毛細(xì)管床指端解剖圖【l¨。采用傳統(tǒng)透射方式在任何位置都可以得到較好的光電脈搏波信號(hào)。這是目前臨床通用檢測(cè)方法。但透射式檢測(cè)方法并不能獲得不同層面組織氧合情況,具有局限性。Fig.1Anatomy in f'mger tops從指端的截面來(lái)看,手指由皮膚、指骨、動(dòng)脈和中動(dòng)脈,靜脈和肌腱非均勻混合而成,其復(fù)雜程度可以模擬生物體內(nèi)多層組織結(jié)構(gòu)。針對(duì)解剖學(xué)特點(diǎn):手指背毛細(xì)血管分布少于手指面,而指骨、皮膚和肌腱中沒(méi)有脈動(dòng)血,

4、即對(duì)光電脈搏波交流信號(hào)部分沒(méi)有影響。本文實(shí)驗(yàn)據(jù)此建立由手指背和手指面兩個(gè)方向的反射式脈搏血氧飽和度檢測(cè)方案,通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比研究光強(qiáng)、被探測(cè)部位結(jié)構(gòu)和PPG信號(hào)之l日J(rèn)關(guān)系。2多層檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)整個(gè)脈搏血氧飽和度多層檢測(cè)裝置硬件部分主要完成信號(hào)采集和實(shí)時(shí)處理。特點(diǎn)是入射光強(qiáng)控制部分,要實(shí)現(xiàn)入射光強(qiáng)度町調(diào)功能。采用數(shù)模轉(zhuǎn)換器控制改變臨床常用Nellcor 傳感器中入射光強(qiáng)和開(kāi)關(guān)頻率;信號(hào)采集部分由于光電探測(cè)器得到電流信號(hào)微弱,需要轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)后放大,再數(shù)字化。選擇DDCll2作電流信號(hào)采集電路實(shí)現(xiàn)電流電壓轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換功能;PPG信號(hào)的檢出基于Matlab軟件完成。整體設(shè)計(jì)集成度高,抗干擾能力強(qiáng)。

5、3人體實(shí)驗(yàn)測(cè)量及結(jié)果針對(duì)手指解剖學(xué)中不同層面組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn),光路徑通過(guò)不同的組織結(jié)構(gòu)必將帶來(lái)不同PPG信號(hào),實(shí)驗(yàn)要求分別從手指背(a和手指面(b兩個(gè)方向進(jìn)行測(cè)最,改變?nèi)肷涔鈴?qiáng)后再次測(cè)量。實(shí)驗(yàn)中測(cè)量位置如圖2所示。Fig.2Experimental design傳感器兼容Nellcor光電傳感器,采用紅光和紅外光兩波段作為光源,發(fā)光點(diǎn)與探測(cè)點(diǎn)之間距離:2clrl。另外,實(shí)驗(yàn)中將常規(guī)臨床檢測(cè)儀應(yīng)用到另一只手檢測(cè)進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)中由發(fā)光管控制電壓的變化得到不同的入射光強(qiáng)。建立四組控制電壓如表1,從而得到四組不同入射光強(qiáng)度下所采集的PPG信號(hào)。Table1The control voltage 圖3、圖4

6、是在28組實(shí)驗(yàn)條件下從手指背和手指面兩方2924光譜學(xué)與光譜分析第29卷 向采集到的光電探測(cè)器輸出信號(hào)通過(guò)放大、低通濾波等處理后得到的波形圖。波形滿(mǎn)幅顯示,可根據(jù)DIX:112器件模式312完成歸一化得到輸出電流值。由圖中波動(dòng)信號(hào)可以計(jì)算波動(dòng)頻率:每秒81次。這與從另一只手由常規(guī)臨床檢測(cè)儀檢測(cè)出的脈搏數(shù)吻合;從圖中還可以觀測(cè)到交流信號(hào)的變化幅度基本一致。這些現(xiàn)象表明:此波形中交流部分是由心臟搏動(dòng)產(chǎn)生,所得波形正是光電脈搏波信號(hào);入射光經(jīng)過(guò)生物組織由探測(cè)點(diǎn)出射的光路徑在實(shí)驗(yàn)中保持穩(wěn)定。這樣由近紅外光譜檢測(cè)原理可推得,波形中交流部分變化反映了光路徑上組織血液氧合情況。859(96100Timpsn

7、昏3Signals from finger back in 2#1:Infrared;2:RedFi昏4Signalsfromfinger鯽加in2#1:Infrared;2:Red實(shí)驗(yàn)中還進(jìn)行了減小入射光強(qiáng)控制電壓(18實(shí)驗(yàn)和增大輸入光強(qiáng)控制電壓(38,48實(shí)驗(yàn)的檢測(cè),在48組實(shí)驗(yàn)肉眼町觀測(cè)到紅光透射手指,說(shuō)明光強(qiáng)增加,光路徑加深,可探測(cè)組織變化。四組實(shí)驗(yàn)中都采集到了光電脈搏波信號(hào)。4實(shí)驗(yàn)討論依據(jù)檢測(cè)原理,PPG信號(hào)中交流部分反映脈搏波動(dòng);峰峰值的變化反映出不同組織的血液氧合情況。從4組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中分析PPG信號(hào)中交流部分ac660和ac940的幅值變化。對(duì)每組信號(hào)求出交流部分在20s內(nèi)平均峰

8、峰值,以4組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立從手指背和手指面兩方向測(cè)量所得PPG信號(hào)的峰峰值變化圖,如圖5所示。其中圖(a代表從手指背方向的測(cè)量采集信號(hào)峰峰值的變化,圖(b代表從手指面方向的測(cè)鼉信號(hào)峰峰值變化。峰峰值的變化表明:改變?nèi)肷涔鈴?qiáng)叮以改變組織中光路徑,獲得不同層次組織的PPG信號(hào)。Fi昏5PPG peak-to-peakamplitudes of ringerbad(aand finger surface(b結(jié)合手指解剖結(jié)構(gòu)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由圖中可見(jiàn),28實(shí)驗(yàn)PPG信號(hào)峰峰值明顯較18峰峰值大。表明隨著輸入光強(qiáng)控制電壓逐步增大,光路徑拋物線加深,被測(cè)部分由以毛細(xì)血管為主的組織層次變化到有動(dòng)脈、靜脈血管組織

9、部分,所得PPG信號(hào)峰峰值明顯增大;而后深入到肌腱、指骨部分,這里沒(méi)有脈動(dòng)血,38的紅光和48PPG信號(hào)峰峰值有所衰減。實(shí)驗(yàn)分析表明多層生物組織中特定組織PPG信號(hào)可以通過(guò)改變?nèi)肷涔鈴?qiáng)方法來(lái)測(cè)量。通過(guò)這種方法的研究,可以分解出生物不同層次組織的m氧飽和度性質(zhì)。這些特性說(shuō)明這種方法適用于體內(nèi)血氧飽和度的測(cè)量,可以在對(duì)病患者微創(chuàng)手術(shù)情況下直接檢測(cè)臨床醫(yī)生關(guān)心的主動(dòng)脈血氧飽和度信號(hào)、甚至心肌氧合情況。如經(jīng)食道或氣道插管檢測(cè)弓主動(dòng)脈或肺主動(dòng)脈血氧飽和度信號(hào)6,由于食道或氣道中血管血液脈動(dòng)不可避免引入其他信號(hào)的干擾。采用本文介紹的通過(guò)入射光強(qiáng)調(diào)節(jié)適用層次檢測(cè)方法呵有效避開(kāi)食道、氣道壁組織信號(hào)干擾,直接提

10、取出主動(dòng)脈信號(hào),與常規(guī)檢測(cè)方法相比獲得信號(hào)更快、更準(zhǔn)確。這對(duì)臨床手術(shù)具有非常重大的意義。其他針對(duì)多層結(jié)構(gòu)血氧飽和度檢測(cè)方法的研究集中在采用改變發(fā)光點(diǎn)與探測(cè)點(diǎn)問(wèn)距或增加入射光源的方法h13,”,間距大小對(duì)脈搏血氧飽和度檢測(cè)準(zhǔn)確性起關(guān)鍵性作用。例如應(yīng)用于頭部測(cè)量研究的反射式血氧飽和度檢測(cè)方法利用光路徑差別研究腦部血氧飽和狀態(tài)1“。也是一種各層面組織的測(cè)最方法,入射光源到探測(cè)點(diǎn)距離設(shè)計(jì)直接影響檢測(cè),同時(shí)實(shí)際檢測(cè)中不易再改變。采用通過(guò)人射光強(qiáng)叮調(diào)節(jié)方式檢測(cè)各層組織血氧飽和度的方法更易實(shí)現(xiàn)體內(nèi)條件下檢測(cè)應(yīng)用,而且設(shè)計(jì)兼容目前通用傳感器應(yīng)用。這種方法要應(yīng)用于檢測(cè)血氧飽和度信號(hào)還存在許多問(wèn)題拍;5;l 筋l

11、lI ;nvH山 利用近紅外光譜檢測(cè)多層組織血氧飽和度的研究作者:高博, 魏蔚, 龔敏, 王麗作者單位:高博,龔敏(四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,微電子技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川,成都,610064, 魏蔚,王麗(四川大學(xué)華西醫(yī)院麻醉與危重病醫(yī)學(xué)教研室,四川,成都,610041刊名: 光譜學(xué)與光譜分析英文刊名:SPECTROSCOPY AND SPECTRAL ANALYSIS年,卷(期:2009,29(11被引用次數(shù):1次參考文獻(xiàn)(15條2.ZHUANG Xin-liang,ZENG Yin-ming,CHEN Bo-luan(莊心良,曾因明,陳伯鑾.Modern Anesthesiology

12、(代麻醉學(xué).Beijing:People's Medical Publishing House(北京:人民衛(wèi)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(朱昭瓊,魏蔚.薛福善,等.Journ

13、al of Clinical Anesthesiology(臨床麻醉學(xué)雜志,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