一種利用白光散射光譜測量組織血氧飽和度的方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種利用白光散射光譜測量組織血氧飽和度的系統(tǒng)，其組成包括氙燈、第一光纖、第二光纖、光譜儀、光纖固定器、樣品、計算機；通過本系統(tǒng)獲光源光強度Is(λ)通過組織的散射光光強度Id(λ)，計算光在組織中的漫反射系數(shù)在650～800nm波段對光的傳播方程進行擬合，計算氧和血紅蛋白[HbO2]和血紅蛋白[Hb]的含量，進而計算出組織中的血氧飽合度StO2＝[HbO2]/([HbO2]+[Hb]。
【專利說明】
一種利用白光散射光譜測量組織血氧飽和度的方法和系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于激光光譜技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用白光散射光譜測量組織血氧飽 和度的方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 氧在人體新陳代謝的過程中有著至關(guān)重要的作用，是人體生命活動的關(guān)鍵物質(zhì)。 氧與血液中的血紅蛋白結(jié)合，通過血液輸送到全身的細胞中。血氧飽和度（St〇2)指的是人 體血液中與氧結(jié)合的血紅蛋白實際含量與血紅蛋白總量的比值，作為判斷人體是否缺氧的 重要參數(shù)，對衡量人體攜帶氧能力有重要的參考價值。由缺氧引起的不當?shù)男玛惔x會讓 細胞受損從而引發(fā)一系列嚴重的健康問題，最嚴重時，細胞長時間處在缺氧環(huán)境下會導(dǎo)致 死亡。由此可見，血氧飽和度是判斷人體是否健康的重要指標之一。在正常的血液中，存在 著4種常見的血紅蛋白：氧合血紅蛋白（Hb〇2)、還原血紅蛋白（Hb)、碳氧血紅蛋白（COHb)、高 鐵血紅蛋白（MetHb)。池與氧結(jié)合成Hb0 2,經(jīng)過血液循環(huán)將氧運輸?shù)缴眢w各個部位的細胞后 釋放氧成為Hb、C0Hb和MetHb與氧。除了病理因素和長期吸煙者外，人體血液中COHb和MetHb 的成分相對于Hb02和Hb來說含量很少，臨床上，通常忽略⑶Hb和MetHb的影響，血氧飽和度 經(jīng)常用（1)式計算：
[0003] St〇2=[Hb02]/([Hb02] + [Hb]) (1)
[0004] [Hb02]是氧合血紅蛋白濃度，[Hb]是血紅蛋白濃度。
[0005] 無創(chuàng)血氧飽和度檢測是根據(jù)氧合血紅蛋白（Hb〇2)和還原血紅蛋白（Hb)在紅光和 紅外光區(qū)域的光譜特性差異來實現(xiàn)的：在紅光區(qū)（600~800nm)Hb〇2和Hb的吸收差別很大； 血液的光吸收程度和光散射程度極大地依賴于血氧飽和度;所以，Hb0 2和Hb的含量不同，則 吸收光譜也不同，因此無論是動脈血還是靜脈血，均能根據(jù)Hb02和Hb的含量準確地反映出 血氧飽和度。近紅外漫反射光譜(DRS)是一種利用組織在近紅外波長范圍內(nèi)吸收特性的差 異性來測量組織血氧飽和度的無創(chuàng)檢測技術(shù)。DRS技術(shù)已經(jīng)用于骨骼肌運動功能評定、腦血 流血氧監(jiān)測和腫瘤探測等，但是現(xiàn)有的DRS技術(shù)需要多距離同時探測，在口腔、指尖等小面 積組織空間內(nèi)難以實現(xiàn)，且現(xiàn)有的DRS測量系統(tǒng)使用脈沖或正弦調(diào)制的激光器作為光源以 及光電倍增管作為探測器，造價昂貴，不利于推廣應(yīng)用，白光DRS技術(shù)可利用單距離得到絕 對血氧飽和度，尤其小面積組織的臨床應(yīng)用。綜上所述，國內(nèi)目前尚無利用白光連續(xù)散射光 譜測量血氧飽和度的相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品報導(dǎo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對現(xiàn)有技術(shù)出現(xiàn)的問題，本發(fā)明旨在提出一種利用白光散射光譜測量組織血氧 飽和度的方法和系統(tǒng)，利用白光連續(xù)散射光譜測量血氧飽和度的相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品。
[0007] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種利用白光散射光譜測量組織血氧飽和度的系統(tǒng)， 其組成包括氙燈、第一光纖、第二光纖、光譜儀、光纖固定器、樣品、計算機;所述氙燈與第一 光纖相連接，第二光纖與光譜儀相連接，所述氙燈發(fā)出的光經(jīng)第一光纖傳輸?shù)綐悠返谋砻妫?樣品的散射光經(jīng)第二光纖傳輸?shù)焦庾V儀;所述第一光纖和第二光纖由光纖固定器固定在同 一平面內(nèi)，且兩根光纖之間的距離保持不變;所述計算機和光譜儀相連接，對光譜儀的數(shù)據(jù) 進行處理，給出待測物體的血氧飽和度。所述激發(fā)光和散射光分別由不同的光纖進行傳輸， 所述第一光纖和第二光纖之間的距離為8_。
[0008] 一種所述的利用白光散射光譜測量組織血氧飽和度系統(tǒng)的測量方法，通過測量激 發(fā)光光強度Is(A)和通過組織的散射光光強度Id(A)計算光在組織中的漫反射系數(shù) 0)
a' \ z
[0010]光在介質(zhì)中傳播時滿足方程
(2)
[0012] 其中：R是漫反射系數(shù);ya是在組織中傳播時，組織對光的吸收系數(shù);ys'是光在組 織中傳播時，組織對光的散射系數(shù);r是測量點和光源之間的距離；
[0013] fj-a ^ MdHbOj /^aH20 - 1 )l ^ ] (3 )
[0014] 其中：ya是總的吸收系數(shù);yaHbQ2是組織中氧合血紅蛋白的吸光系數(shù);yaHb是組織中 血紅蛋白的吸光系數(shù);y aH2Q是組織中水的吸光系數(shù)；e [HbC)2] ( A)是與濃度無關(guān)的常數(shù)，表征氧 合血紅蛋白的吸光特性;e[Hb](A)是與濃度無關(guān)的常數(shù)，表征血紅蛋白的吸光特性;￡[_](入） 是與濃度無關(guān)的常數(shù)，表征水分子的吸光特性; e[HbC12](X)，e[Hb](X)，e[H20](X)可從文獻查得， 如表一所示；[Hb02]是氧合血紅蛋白濃度；[Hb]是血紅蛋白濃度；[H20]是水濃度；
[0015] (入)=A入-B (4)
[0016]其中:ys '是光在組織中傳播時，組織對光的散射系數(shù);A和B是常數(shù)；
[0017] 將⑷、（3)、（2)代入⑴，在650~800nm波段通過數(shù)學(xué)擬合計算[Hb02]和[Hb]，
[0018]則組織中的的血氧飽和度St02可用下式計算
[0019] St〇2=[Hb02]/([Hb02] + [Hb])。 （5)
[0020] 本發(fā)明的測量方法通過一個測量點計算出組織的血氧飽和度，尤其適合牙齦、腦 血管等小面積組織的血氧含量測量。
[0021] 本發(fā)明通過白光連續(xù)光作為激發(fā)光源。
[0022]本發(fā)明的測量方法通過在650~800nm波段的散射光譜計算組織血氧飽和度。
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果是:本發(fā)明提出一種利用白光散射光譜 測量組織血氧飽和度的方法和系統(tǒng)，該系統(tǒng)是利用650~800nm波段150個波長處的散射光 譜測量血氧飽和度，提高了測量的精確度;其次白光DRS技術(shù)可利用單個測量點得到絕對血 氧飽和度，尤其適合適合牙齦、腦血管等小面積組織的臨床應(yīng)用;最后，該技術(shù)利用Xe燈連 續(xù)白光為光源，與一般散射光譜技術(shù)所采用的激光光源相比，成本降低，方便臨床推廣應(yīng) 用。總之，白光DRS技術(shù)利用白光連續(xù)散射光譜測量血氧飽和度，精度高成本低，尤其適合小 面積組織的臨床應(yīng)用，這在國內(nèi)是新的突破。
【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025] 圖2是本發(fā)明測量方法的計算流程圖；
[0026] 其中：1為氙燈、2為第一光纖、3為第二光纖、4為光譜儀、5為光纖固定器、6為樣品、 7為計算機。
【具體實施方式】
[0027] -種利用白光散射光譜測量組織血氧飽和度的系統(tǒng)，如圖1所示，其組成包括氙燈 I、 第一光纖2、第二光纖3、光譜儀4、光纖固定器5、樣品6、計算機7;所述氣燈1與第一光纖2 相連接，第二光纖3與光譜儀4相連接，所述氙燈1發(fā)出的光經(jīng)第一光纖2傳輸?shù)綐悠?的表 面;樣品6的散射光經(jīng)第二光纖3傳輸?shù)焦庾V儀4;所述第一光纖2和第二光纖3由光纖固定器 5固定在同一平面內(nèi)，且兩根光纖之間的距離保持不變;所述計算機7和光譜儀4相連接，對 光譜儀4的數(shù)據(jù)進行處理，給出待測物體的血氧飽和度。
[0028] 所述激發(fā)光和散射光分別由不同的光纖進行傳輸，所述第一光纖2和第二光纖3之 間的距離為8mm。
[0029] 如圖2所示，一種利用白光散射光譜測量組織血氧飽和度的方法，通過測量激發(fā)光 Is(A)和通過組織的散射光Id(A)計算光在組織中的漫反射系數(shù)
(1)
[0031]光在介質(zhì)中傳播時滿足方程
(2:>
[0033] 其中：R是漫反射系數(shù);ya是在組織中傳播時，組織對光的吸收系數(shù);ys'是光在組 織中傳播時，組織對光的散射系數(shù);r是測量點和光源之間的距離；
[0034] f^a ^ p^aHbO^ F"alib - ] V ] "^ ^ H. ^ ](^)[^"：^ ] (.3).
[0035] 其中：ya是總的吸收系數(shù);知鐘是組織中氧合血紅蛋白的吸光系數(shù);yaHb是組織中 血紅蛋白的吸光系數(shù);y aH2Q是組織中水的吸光系數(shù)；e [HbC)2] ( A)是與濃度無關(guān)的常數(shù)，表征氧 合血紅蛋白的吸光特性；e[Hb](U是與濃度無關(guān)的常數(shù)，表征血紅蛋白的吸光特性；￡[]0) 是與濃度無關(guān)的常數(shù)，表征水分子的吸光特性； e[HbC12](>)，e[Hb](X)，e[H2Q](>)可從文獻查得， 如表一所示；[Hb02]是氧合血紅蛋白濃度；[Hb]是血紅蛋白濃度；[H 20]是水濃度；
[0036] y、(入)=A入-B (4)
[0037] 其中:ys'是光在組織中傳播時，組織對光的散射系數(shù);A和B是常數(shù)；
[0038] 將(4)、（ 3)、（ 2)代入（1)，在650~800nm波段通過數(shù)學(xué)擬合計算[Hb02]和[Hb]， [0039]則組織中的的血氧飽和度St02可用下式計算
[0040] St〇2=[Hb02]/([Hb02] + [Hb])。 （5)
[0041 ]表一￡[咖2](入），e[Hb](入），￡[](入）值隨波長變化表。（S ? Wray，M. Cope，D ? T ? Delpy， J. S.Wyatt and E.O.R.ReynoIds,Biochim.Biphys.Acta,933,184-192pp(1988))



【主權(quán)項】
1. 一種利用白光散射光譜測量組織血氧飽和度的系統(tǒng)，其特征在于其組成包括氙燈 (1)、第一光纖(2)、第二光纖(3)、光譜儀(4)、光纖固定器(5)、樣品（6)、計算機(7);所述氙 燈（1)與第一光纖(2)相連接，第二光纖(3)與光譜儀(4)相連接，所述氙燈（1)發(fā)出的光經(jīng)第 一光纖(2)傳輸?shù)綐悠?6)的表面;樣品(6)的散射光經(jīng)第二光纖(3)傳輸?shù)焦庾V儀(4);所述 第一光纖(2)和第二光纖(3)由光纖固定器(5)固定在同一平面內(nèi)，且兩根光纖之間的距離 保持不變;所述計算機(7)和光譜儀(4)相連接，對光譜儀(4)的數(shù)據(jù)進行處理，給出待測物 體的血氧飽和度。2. -種利用白光散射光譜測量組織血氧飽和度的方法，其特征在于，通過測量激發(fā)光 光強度Is(A)和通過組織的散射光光強度I d(A)計算光在組織中的漫反射系數(shù)光在介質(zhì)中傳播時滿足方程其中：λ是波長;R是漫反射系數(shù);ya是光在組織中傳播時，組織對光的吸收系數(shù);μ，是 光在組織中傳播時，組織對光的散射系數(shù);r是測量點和光源之間的距離；其中：ya是光在組織中傳播時，組織對光的總的吸收系數(shù);yaHbQ2是組織中氧合血紅蛋白 的吸光系數(shù);yaHb是組織中血紅蛋白的吸光系數(shù);yaH2C)是組織中水的吸光系數(shù)；ε [HM2] (λ)是 與濃度無關(guān)的常數(shù)，表征氧合血紅蛋白的吸光特性；ε [Hb] (λ)是與濃度無關(guān)的常數(shù)，表征血 紅蛋白的吸光特性；ε[Η2〇](λ)是與濃度無關(guān)的常數(shù)，表征水分子的吸光特性；[Hb0 2]是氧合 血紅蛋白濃度；[Hb ]是血紅蛋白濃度；[H20]是水濃度； μ、(λ)=Αλ-B (4) 其中:ys '是光在組織中傳播時，組織對光的散射系數(shù);A和B是常數(shù)； 將(4)、（3)、（2)代入（1)，在650~800nm波段通過數(shù)學(xué)擬合計算[Hb02]和[Hb]， 則組織中的的血氧飽和度St02可用下式計算 St〇2=[Hb〇2]/([Hb〇2] + [Hb]) (5)。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的利用白光散射光譜測量組織血氧飽和度的方法，其特征在于， 通過一個測量點計算出組織的血氧飽和度，尤其適合牙齦、腦血管等小面積組織的血氧含 量測量。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的利用白光散射光譜測量組織血氧飽和度的方法，其特征在于 通過白光連續(xù)光作為激發(fā)光源。5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的利用白光散射光譜測量組織血氧飽和度的方法，通過650~ 800nm波段的散射光譜計算組織血氧飽和度。6. 根據(jù)權(quán)利要求1一種利用白光散射光譜測量組織血氧飽和度的系統(tǒng)，其特征在于，所 述激發(fā)光和散射光分別由不同的光纖進行傳輸，所述第一光纖(2)和第二光纖(3)之間的距 離為8mm。
【文檔編號】G01N21/47GK105928890SQ201610356763
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年5月26日
【發(fā)明人】秦艷利, 趙文文, 趙鵬羽, 陳雨情
【申請人】沈陽理工大學(xué)