動(dòng)態(tài)光譜法在血氧飽和度無創(chuàng)檢測(cè)中的應(yīng)用

動(dòng)態(tài)光譜法在血氧飽和度無創(chuàng)檢測(cè)中的應(yīng)用

檢測(cè)血氧飽和度的方法在多波長(zhǎng)光譜法中的應(yīng)用血氧飽和度（sa2）是指血液中氧結(jié)合血紅蛋白（hbo2）的能力占所有結(jié)合血紅蛋白（hb）容量的比例的比率。醫(yī)學(xué)上通常使用功能飽和來反映血液中氧氣含量的變化，如等式（1）所示。SaO2能反應(yīng)人體血液的攜氧能力,臨床認(rèn)為血氧飽和度與患者的血氧含量緊密相關(guān)。其中,和cHb為血液中氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白的濃度?；诿}搏波的血氧飽和度檢測(cè)已經(jīng)在臨床上得到廣泛應(yīng)用,它實(shí)現(xiàn)了連續(xù)、無創(chuàng)、快速檢測(cè)人體血氧飽和度的功能。傳統(tǒng)的無創(chuàng)脈搏血氧飽和度測(cè)量是一種雙波長(zhǎng)確定血氧飽和度的方法,其測(cè)量原理是基于HbO2和Hb在660和940nm處吸收光譜的特性,由朗伯-比爾定律推得SaO2是與血液對(duì)兩路光吸光度的變化之比呈線性對(duì)應(yīng)關(guān)系,通過檢測(cè)這種充血前后吸光度的變化求得SaO2。這種方法只利用了兩個(gè)波長(zhǎng)光的信息,忽略了其他波長(zhǎng)光所含的信息,測(cè)量精度不能滿足需要,重癥患者仍然需要進(jìn)行動(dòng)脈取血檢測(cè)血氧飽和度值。如何提高血氧飽和度無創(chuàng)檢測(cè)精度成為國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者探究的問題,早在1964年,Shaw設(shè)計(jì)了一種八波長(zhǎng)的自身調(diào)整的耳部血氧計(jì),選取650~1050nm的八個(gè)光波,提供了更多吸收物質(zhì)的數(shù)據(jù);近期國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)三波長(zhǎng)無創(chuàng)檢測(cè)血氧飽和度的方法進(jìn)行了研究,在嬰幼兒的血氧檢測(cè)方面取得了很好的效果,多波長(zhǎng)檢測(cè)越來越受到大家的重視。動(dòng)態(tài)光譜法作為一種新的光譜檢測(cè)方法,能有效的消除個(gè)體之間的差異以及測(cè)量環(huán)境對(duì)光譜檢測(cè)的影響。動(dòng)態(tài)光譜法被廣泛應(yīng)用在多波長(zhǎng)光譜無創(chuàng)測(cè)量中,人體中多種血紅蛋白含量檢測(cè)等方面的研究均取得了很好的效果。本工作基于動(dòng)態(tài)光譜的應(yīng)用特點(diǎn),采用單拍提取動(dòng)態(tài)光譜的方法,利用多波長(zhǎng)建模預(yù)測(cè)血氧飽和度值,充分利用不同波段的光譜信息,取得了比較理想的測(cè)量結(jié)果。1實(shí)驗(yàn)部分1.1高靈敏度光纖光譜的采集實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。光源為50W的溴鎢燈;測(cè)試部位選擇了脈動(dòng)比較明顯的手指部位,考慮到光源通過人體組織后的衰減,實(shí)驗(yàn)時(shí)將人體手指直接置于光譜儀光信號(hào)入口處,使光源發(fā)出的光聚焦透過人體手指后,通過抗干擾型光纖接收直接由光譜儀進(jìn)行采集;光譜儀采用AvaSpec-HS1024x58TEC高靈敏度光纖光譜儀,波長(zhǎng)范圍為200~1160nm;計(jì)算機(jī)和光譜儀中間通過USB數(shù)據(jù)線連接。1.2光譜分析和血氧飽和度檢測(cè)被測(cè)對(duì)象為60名ICU患者,測(cè)前讓受測(cè)者平臥放松,保持呼吸、情緒、心態(tài)穩(wěn)定,左手食指置于光纖信號(hào)入口處,使食指指端完全遮擋住光纖入口,測(cè)量過程中讓受測(cè)者保持指端壓力穩(wěn)定,光譜儀采集光譜數(shù)據(jù)并由計(jì)算機(jī)保存。設(shè)置計(jì)算機(jī)中AvaSoft光譜學(xué)軟件的積分時(shí)間為10ms,采集點(diǎn)數(shù)為2000點(diǎn)。采集光譜數(shù)據(jù)的同時(shí),記錄被測(cè)者監(jiān)護(hù)儀顯示的血氧飽和度值,采集光譜數(shù)據(jù)后馬上對(duì)病人進(jìn)行動(dòng)脈抽血,獲取經(jīng)過血?dú)夥治龅玫降难躏柡投?作為實(shí)驗(yàn)參考真值。對(duì)于采集得到的光譜數(shù)據(jù),采用動(dòng)態(tài)光譜法進(jìn)行預(yù)處理,提取被測(cè)者對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)光譜用于組合間隔偏最小二乘模型建立,通過模型預(yù)測(cè)得到對(duì)應(yīng)被測(cè)者的血氧飽和度值。2結(jié)果與討論2.1動(dòng)血氧飽和度檢測(cè)動(dòng)態(tài)光譜法通過提取多波長(zhǎng)下脈動(dòng)血液部分的吸光度,即提取各單波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的單個(gè)對(duì)數(shù)脈搏波周期上吸光度的最大值與最小值的差值ΔOD構(gòu)成動(dòng)態(tài)光譜,利用動(dòng)脈充盈與動(dòng)脈收縮時(shí)吸光度的變化,來消除測(cè)量中由于皮膚組織和肌肉產(chǎn)生的個(gè)體差異以及測(cè)量環(huán)境對(duì)測(cè)量的影響。式中,ΔODλ,Ioλ,Iλmax,Iλmin分別為各個(gè)波長(zhǎng)λ對(duì)應(yīng)的脈動(dòng)動(dòng)脈血液吸光度、入射光強(qiáng)、最大出射光強(qiáng)(光電容積脈搏波峰值)、最小出射光強(qiáng)(光電容積脈搏波谷值),各波長(zhǎng)下的ΔOD構(gòu)成動(dòng)態(tài)光譜,可知?jiǎng)討B(tài)光譜只與脈動(dòng)血液引起的光強(qiáng)變化有關(guān),從而消除了非動(dòng)脈血液成分對(duì)吸光度的影響。根據(jù)修正的Lambert-beer定律可知其中εi,ci,d分別為血液中某一成分的吸光系數(shù)、血液某一成分的濃度、最大充盈狀態(tài)下脈動(dòng)血液的等效光程長(zhǎng)。因此,在得到各波長(zhǎng)吸光度差值構(gòu)成的動(dòng)態(tài)光譜后,根據(jù)已知的血液中各組分的吸光系數(shù)和脈動(dòng)血液等效光程,即可計(jì)算出血液中各成分的濃度ci,亦可計(jì)算血氧飽和度值。光譜儀采集得到的光譜數(shù)據(jù)是動(dòng)態(tài)光譜的原始數(shù)據(jù)如圖3所示,該光譜數(shù)據(jù)是一段時(shí)間內(nèi)多次采樣得到的波長(zhǎng)及其對(duì)應(yīng)光強(qiáng)值組成。圖4為光譜儀采集得到的該被測(cè)者在波長(zhǎng)為766.24nm處一段時(shí)間內(nèi)原始脈搏波。由動(dòng)態(tài)光譜的定義可知,吸光度只與各個(gè)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的最大出射光強(qiáng)、最小出射光強(qiáng)有關(guān)。但是直接提取波形中的極值時(shí),會(huì)存在誤差,本工作在提取過程中采用單拍提取的方法。單拍提取法的基本思想是利用統(tǒng)計(jì)平均的方法提取各波長(zhǎng)下峰峰值的對(duì)應(yīng)比例關(guān)系,而非直接提取峰峰值。在算法實(shí)現(xiàn)中,單拍提取法有效剔除了脈搏波波形不穩(wěn)定引入的誤差,充分利用了采集得到的光譜數(shù)據(jù),提高了動(dòng)態(tài)光譜的信噪比。光譜儀采集到多個(gè)波長(zhǎng)原始脈搏波后,經(jīng)過單拍提取的方法處理后即可得到各波長(zhǎng)下的最終動(dòng)態(tài)光譜,如圖5。由于光源波長(zhǎng)范圍與光譜儀特性的限制,選取波長(zhǎng)范圍為606.44~987.55nm,波長(zhǎng)間隔約為0.92nm,共421個(gè)波長(zhǎng)。2.2基于動(dòng)態(tài)光譜的多波長(zhǎng)血氧飽和度測(cè)量結(jié)果組合偏最小二乘法(synergyintervalpartialleastsquares,siPLS)是由Nue788rgaard等在2000年提出的間隔偏最小二乘的改進(jìn)算法。該算法將全光譜數(shù)據(jù)等分為n份,通過不同區(qū)間個(gè)數(shù)的任意組合建模從而得到交叉驗(yàn)證均方根誤差RMSECV最小的一組組合區(qū)間建立的穩(wěn)健模型。經(jīng)過動(dòng)態(tài)光譜提取后,得到60組動(dòng)態(tài)光譜-血氧飽和度數(shù)據(jù)樣本。從60例數(shù)據(jù)中隨機(jī)抽取45例作為校正集,剩余15例為預(yù)測(cè)集。將校正集的全光譜421個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)等分為5~20個(gè)不同個(gè)數(shù)的子區(qū)間,并分別用2個(gè)、3個(gè)或多個(gè)區(qū)間組合建立偏最小二乘校正模型,對(duì)比得出當(dāng)將全光譜等分為10個(gè)子區(qū)間,由[2346810]這6個(gè)子區(qū)間組合時(shí)模型的校正驗(yàn)證均方根誤差(RMSECV)值最小為0.7269,被選擇為建模譜區(qū)。最終確定建模波長(zhǎng)范圍為646.21~760.78,799.85~836.95,875.7~912.52,950.99~987.55nm,共252個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn),建模主因子數(shù)為5。利用siPLS模型進(jìn)行預(yù)測(cè)得到,預(yù)測(cè)值和生化分析血?dú)庵档南嚓P(guān)系數(shù)為0.8443,相對(duì)誤差為±0.0176,而在監(jiān)護(hù)儀這種傳統(tǒng)的兩波長(zhǎng)測(cè)量系統(tǒng)記錄的值與生化分析血?dú)庵档南嚓P(guān)系數(shù)為0.6230,相對(duì)誤差為±0.1164。表明基于動(dòng)態(tài)光譜的多波長(zhǎng)光測(cè)量血氧飽和度方法與傳統(tǒng)的兩波長(zhǎng)光測(cè)量方法相比,測(cè)量值與真值之間的相關(guān)性有所提高,而且測(cè)量誤差明顯降低,所得數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定。預(yù)測(cè)集樣本的模型預(yù)測(cè)值、監(jiān)護(hù)儀記錄值與真實(shí)值之