利用近紅外光譜檢測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,所得信號呈現(xiàn)兩個部分信號特點(交流信號和直流信號,被稱為光電脈搏波(photoplethysmography, PPG信號8。其中交流(alternating current,AC信號主要隨血管內(nèi)血液脈動而變化;直流(direct current,Dc信號值比較大,這部分是相對恒定的電壓部分,主要由光路徑中材料性質(zhì)決定。研究表明動脈血液中氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白對紅光(660nm和紅外光(940rim這兩個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)方程求解獲得動脈血氧飽和度方程9。通過大量自愿者的醫(yī)學(xué)實驗結(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 在通過生物體時,隨光路徑上組織血管中血液脈動的變化量;由公式(1可見,口f660和口鈾。這兩個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。=船針對生物組織結(jié)構(gòu)為多層結(jié)構(gòu)特點,本文提出采用反射式脈搏血氧飽和度監(jiān)測技術(shù),設(shè)計對輸入紅光、紅外光光強進(jìn)行調(diào)節(jié)電路結(jié)構(gòu)來檢測多層組織氧合狀況的方法。通過調(diào)節(jié)入射光強來改變光在生物體內(nèi)通過的光路徑深度,獲得不同層次組織的光電脈搏波信號,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。這是目前臨床通用檢測方法。但透射式檢測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從指端的截面來看,手指由皮膚、指骨、動脈和中動脈,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)。針對解剖學(xué)特點:手指背毛細(xì)血管分布少于手指面,而指骨、皮膚和肌腱中沒有脈動血,

4、即對光電脈搏波交流信號部分沒有影響。本文實驗據(jù)此建立由手指背和手指面兩個方向的反射式脈搏血氧飽和度檢測方案,通過實驗數(shù)據(jù)對比研究光強、被探測部位結(jié)構(gòu)和PPG信號之l日J(rèn)關(guān)系。2多層檢測裝置設(shè)計整個脈搏血氧飽和度多層檢測裝置硬件部分主要完成信號采集和實時處理。特點是入射光強控制部分,要實現(xiàn)入射光強度町調(diào)功能。采用數(shù)模轉(zhuǎn)換器控制改變臨床常用Nellcor 傳感器中入射光強和開關(guān)頻率;信號采集部分由于光電探測器得到電流信號微弱,需要轉(zhuǎn)為電壓信號后放大,再數(shù)字化。選擇DDCll2作電流信號采集電路實現(xiàn)電流電壓轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換功能;PPG信號的檢出基于Matlab軟件完成。整體設(shè)計集成度高,抗干擾能力強。

5、3人體實驗測量及結(jié)果針對手指解剖學(xué)中不同層面組織結(jié)構(gòu)特點,光路徑通過不同的組織結(jié)構(gòu)必將帶來不同PPG信號,實驗要求分別從手指背(a和手指面(b兩個方向進(jìn)行測最,改變?nèi)肷涔鈴姾笤俅螠y量。實驗中測量位置如圖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)光點與探測點之間距離:2clrl。另外,實驗中將常規(guī)臨床檢測儀應(yīng)用到另一只手檢測進(jìn)行對比。實驗中由發(fā)光管控制電壓的變化得到不同的入射光強。建立四組控制電壓如表1,從而得到四組不同入射光強度下所采集的PPG信號。Table1The control voltage 圖3、圖4

6、是在28組實驗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器輸出信號通過放大、低通濾波等處理后得到的波形圖。波形滿幅顯示,可根據(jù)DIX:112器件模式312完成歸一化得到輸出電流值。由圖中波動信號可以計算波動頻率:每秒81次。這與從另一只手由常規(guī)臨床檢測儀檢測出的脈搏數(shù)吻合;從圖中還可以觀測到交流信號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產(chǎn)生,所得波形正是光電脈搏波信號;入射光經(jīng)過生物組織由探測點出射的光路徑在實驗中保持穩(wěn)定。這樣由近紅外光譜檢測原理可推得,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實驗中還進(jìn)行了減小入射光強控制電壓(18實驗和增大輸入光強控制電壓(38,48實驗的檢測,在48組實驗肉眼町觀測到紅光透射手指,說明光強增加,光路徑加深,可探測組織變化。四組實驗中都采集到了光電脈搏波信號。4實驗討論依據(jù)檢測原理,PPG信號中交流部分反映脈搏波動;峰峰值的變化反映出不同組織的血液氧合情況。從4組實驗數(shù)據(jù)中分析PPG信號中交流部分ac660和ac940的幅值變化。對每組信號求出交流部分在20s內(nèi)平均峰

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

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

10、取出主動脈信號,與常規(guī)檢測方法相比獲得信號更快、更準(zhǔn)確。這對臨床手術(shù)具有非常重大的意義。其他針對多層結(jié)構(gòu)血氧飽和度檢測方法的研究集中在采用改變發(fā)光點與探測點問距或增加入射光源的方法h13,”,間距大小對脈搏血氧飽和度檢測準(zhǔn)確性起關(guān)鍵性作用。例如應(yīng)用于頭部測量研究的反射式血氧飽和度檢測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最方法,入射光源到探測點距離設(shè)計直接影響檢測,同時實際檢測中不易再改變。采用通過人射光強叮調(diào)節(jié)方式檢測各層組織血氧飽和度的方法更易實現(xiàn)體內(nèi)條件下檢測應(yīng)用,而且設(shè)計兼容目前通用傳感器應(yīng)用。這種方法要應(yīng)用于檢測血氧飽和度信號還存在許多問題拍;5;l 筋l

11、lI ;nvH山 利用近紅外光譜檢測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)四川省重點實驗室,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

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