一种基于多光纤束的在体实时无创生理参数采集方法及装置的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种基于多光纤束的在体实时无创生理参数采集方法和装置，包括光学模块和电学模块，光学模块主要由光纤束组、单色光源组、光电传感器及起固定作用的机械结构组成。光纤束组获取生理参数的反射和透射光强。电学模块包括双道前置放大单元、双道滤波单元、双道数控放大单元、处理器单元、显示及输入单元、电压跟随单元、模拟选择单元、电压电流转换单元。处理器单元计算生理参数测量波长的个数及透射和反射光强比值随时间的变化信号中提取特征参数值，确定获取的特征参数值的总个数，根据偏最小二乘法和高精度参考电压单元，计算生理参数的表达式，本发明能有效地提高人体生理参数的测量精度，且是对人体无创检测，测量精度高，使用方便。
【专利说明】
一种基于多光纤束的在体实时无创生理参数采集方法及装置
技术领域
[0001] 本发明专利涉及生物医学信号处理领域，具体地说是涉及一种基于多光纤束的在 体实时无创生理参数采集方法及装置。
【背景技术】
[0002] 目前，已出现许多利用光学方法实现无创采集生理参数的仪器或设备。如，血氧饱 和度测量仪利用波长分别为940nm和660nm的两个单波长的光轮流照射指尖，通过检测透射 后光强的变化情况计算出相应的血氧饱和度值，但其两个照射波长通过手指的光路不一 样，因此测量的精度会受到影响；另外，还有该方法不能测试反射光强的大小，若能测反射 光强会尽一步增加测量的精度。还有如光电容积波的测量，一般是通过红外光照射，保证照 射光光强基本不变，测量通过手指或耳垂的后的光强，同样若能测量反射光，可以借助反射 光可以消除一部分入射光不稳定对容积波的影响。因而，本发明提出一种基于多光纤束的 在体实时无创生理参数采集方法及装置，可以很好地克服上述的不足。
【发明内容】
[0003] 本发明提出一种基于多光纤束的在体实时无创生理参数采集方法，包括以下几个 步骤：
[0004] 第一步:确定各项生理参数的检测波的波长和个数；
[0005] 第二步:多次测量人体某一部位，通过温度传感器测量被测人的体温，通过其他设 备测量出相应生理参数的值，根据第一步确定的检测波的波长和个数，针对同一参数，在不 同波长的情况下，获取透射光强与反射光强的比值及时间的变化，并记录实际测量所用波 长的总个数N;
[0006] 第三步：利用上述透射光强与反射光强的比值及随时间的变化情况，计算出透射 和反射光强比值在设定的脉动周期内的最大值的平均值、最小值的平均值，并从透射和反 射光强比值随时间的变化信号中提取特征参数值，确定获取的特征参数值的总个数M;
[0007] 第四步:对每一测量的生理参数采用个性化拟合，设拟合的某一需测生理参数值 为y*，则其表达式表不为：
[0008]
[0009]公式（1)中，Μ为获取的特征参数值的总个数，N为实际测量所用波长的总个数，C0 表示拟合计算系数，表示第i个特征参数的计算系数，Pi表示第i个特征参数的值， Rmax i、R_ i分别表示第i种波长透射光和反射光比值在脉动周期的最大值的平均值、最小 值平均值的常用对数值，1^-1、1^、1^ 1、1^分别代表1^^、1^1^的一次方、二次方的计算系 数，Tb表示测量时的体温，CTb表示对上述体温Tb的一次方的计算系数，CTb '表示对上述体温 Tb的二次方的计算系数，上述各系数可通过偏最小二乘法求得。
[0010] 进一步的，所述步骤第一步还包括，采用紫外-可见-近红外分光光度计对人体全 血进行扫描，根据化学中各基团、功能团或分子等的吸收峰，可确定需测量生理参数相关及 不相关的波长或波长范围;对上述两类波长或波长范围，分别选取1到4种，确定检测波长的 个数。
[0011] 进一步的，所述步骤第四步，采用偏最小二乘法求取需测生理参数值为y*表达式 的各项系数，具体方法为：令X〇 = 1，X2i -l = Ri，X2i= (Ri)2，X2i-l + 2M=Rmax i，X2i + 2M=Rmax i2， X2i-1+2(M+N) - Rmin i，X2i+2(M+N) -Rmin i，X2(M+2N)+1 - Tb，X2(M+2N)+2 - Tb，其目U 对应的系数依次用Eli 表示，则公式(1)可替换为：
[0012]
(2)
[0013] 令L = 2(M+2N)，则公式(2)可进一步简写为
（3): 设其他设备或方法测量出相应生理参数值用y表示，共对同一个人测量了 K次，且1(儿，用7? 表示其他设备或方法测量出相应参数的第m个值，ym*表示第m个数据拟合的值，则其差3"1= ym-ym* |，根据公式(3)，ym*可表示为：
[0014]
'⑷
[0015] 根据偏最小二乘法的原理，要使?!
1小，即
(5)
[0018] 整理公式(5)，可_
(6) 根据公式(6)，可解公式（2)中，各项糸数ai，将ai带入公式（1)中，可得需测生理参数值为y* 的完整表达式。
[0019] -种基于多光纤束的在体实时无创生理参数采集装置，包括光学模块和电学模 块，所述光学模块包括光纤束组、为测量提供相应光波长及所需照射光强的单色光源组、将 变化的光信号转换为电信号的光电传感器，所述光纤束组将各种单色光聚集在一个小范围 内、以及从一个小范围内获取反射和透射光并经所述光电传感器将光转换为电信号送给所 述电学模块处理;所述电学模块包括将所述光电传感器获取的透射光强和反射光强的变化 转换为与各自光强成比例的电压的双道前置放大单元，将透射光强和反射光强变化转换的 电压转换为对应数字值、向外提供一个高精度参考电压、以及对本装置其他单元起控制作 用的处理器单元，将所述高精度电压转化为电流输入到所述单色光源组的电压电流转换单 J L· 〇
[0020] 进一步的，所述光学模块还包括将上述的光纤束组、单色光源组、光电传感器固定 于一体的机械结构。
[0021] 进一步的，所述单色光源组由各种单色波长的LED构成。
[0022]进一步的，所述电学单元还包括位于双道前置放大单元与处理器单元间，设置有 将透射光强和反射光强变化转换的电压信号进行滤波的双道滤波单元，以及选择合适倍数 进行放大的双道数控放大单元;位于所述电压电流转换单元与处理器单元间，由所述处理 器单元控制的、可选择相应通道输出的模拟选择单元，所述模拟选择单元与所述处理器单 元间设置有电压跟随单元;所述电学单元还包括显示及输入单元。
[0023]进一步的，所述双道前置放大单元、双道滤波单元、双道数控放大单元、处理器单 元、显示及输入单元、电压跟随单元、模拟选择单元、电压电流转换单元由DC-DC电压转换单 元供电。
[0024]进一步的，所述处理器单元内含D/A转换以及A/D转换;所述处理器单元设定有不 同放大倍数下的基准值和线性修正值。
[0025]有效增益:本发明提出一种新的可同时检测反射光强和透射光强的光路结构，能 有效地提高人体生理参数的测量精度，且是对人体无创检测，测量精度高，使用方便，本发 明的光学模块设计有光纤束组，能有效地减小杂散光的影响，并且装配方便。
【附图说明】：
[0026]图1是本发明的硬件原理框图；
[0027]图2是光学模块实时数据采集示意图。
【具体实施方式】
[0028] 下面结合附图及【具体实施方式】来对本发明进行进一步的说明。
[0029] 本发明提出一种基于多光纤束的在体实时无创生理参数采集方法，包括以下几个 步骤：
[0030] 第一步:确定各项生理参数的检测波的波长和个数
[0031 ]利用紫外-可见-近红外分光光度计在185nm-3300nm范围内对人体全血进行扫描， 分析出的全血的吸收峰和吸收比较平坦的波长，并对比分析化学中各基团、功能团或分子 等的吸收峰进行分析，从中分析出各吸收峰出现的原因，确定出于需测量生理参数关系紧 密的波长或波长范围，同时确定出与需测量生理参数变化不大或无变化波长或波长范围。 本实施例中，与需测波长或波长范围相关性小于5%，视为与需测量生理参数变化不大的波 长或者波长范围。
[0032]根据获取的数据和需测量生理参数的个数确定测量波长的个数。具体原则是:保 证从每一个需测量生理参数关系紧密的波长或波长范围中选出1到4种波长，从与每一个需 测量生理参数变化不大或无变化波长或波长范围选择1到4种波长，对于不同生理参数尽量 能选取相同波长，以减少总的选择波长个数。
[0033] 第二步，多次测量人体某一部位，通过温度传感器测量被测人的体温，通过其他设 备测量出相应生理参数的值，根据第一步确定的检测波的波长和个数，针对同一参数，在不 同波长的情况下，获取透射光强与反射光强的比值及时间的变化，并确定实际测量所用波 长的总个数N，确定的原则是在保证每一需测量生理参数的测量精度前提下，尽量用少的波 长个数。
[0034] 第三步：利用上述透射光强与反射光强的比值及随时间的变化情况，计算出透射 和反射光强比值在设定的脉动周期内的最大值的平均值、最小值的平均值，并从透射和反 射光强比值随时间的变化信号中提取特征参数值，确定获取的特征参数值的总个数M，本实 施方案中，设定的脉动周期可选择2到100个。
[0035] 第四步:对每一测量的生理参数采用个性化拟合，利用上述获取的数据和偏最小 二乘法进行数据拟合。具体方法为：
[0036]设拟合的某一需测生理参数值为y*，则其表达式表示为：
[0037]
(1)
[0038] 公式（1)中，Μ为获取的特征参数值的总个数，N为实际测量所用波长的总个数，c〇 表示拟合计算系数，表示第i个特征参数的计算系数，Pi表示第i个特征参数的值， Rmax i、R_ i分别表示第i种波长透射光和反射光比值在脉动周期的最大值的平均值、最小 值平均值的常用对数值，1^-1、1^、1^ 1、1^分别代表1^^、1^1^的一次方、二次方的计算系 数，Tb表示测量时的体温，CTb表示对上述体温Tb的一次方的计算系数，CTb '表示对上述体温 Tb的二次方的计算系数。
[0039] 采用偏最小二乘法求取需测生理参数值y*的表达式的各项系数，具体方法为:令 X〇-l，X2i-1 - Ri，X2i-(Ri )，X2i-1+2M - Rmax i，X2i+2M - Rmax i，X2i-1+2(M+N) - Rmin i，X2i+2(M+N)- Rmin i2，X2(M+2N：)+l = Tb，X2(M+2N：)+2 = Tb2，其前对应的系数依次用ai表不，贝lj公式⑴可替换为：
[0040] η、 ι=ν
[0041] 令L = 2(M+2N)，则公式(2)可进一步简写为
（3)
[0042] 设其他设备或方法测量出相应生理参数值用y表示，共对同一个人测量了 K次，且K 凡，用7?表示其他设备或方法测量出相应参数的第m个值，ym*表示第m个数据拟合的值，则其 差3" 1= | ym-ym* |，根据公式(3)，ym*可表示为：
[0043]
(4)
[0044] 根据偏最小二乘法的原理，要使1
I小，即
[0045] I小。则有：
[0046]
(5.)
[0047] 整理公式（5)，可揭
（6)
[0048] 整理公式(6)后有：
[0049]
其中（k = 〇, Λ，L)(7)
[0050] 因）
，所以公式 (7)可整理为：
[0051]
(8)
[0052]其中（k = 0, Λ，L)公式(8)也可写成：
[0053]
(9)
[0054] 将测得的N个其他设备测得同一生理参数数据，以及本发明所述方法中测得的表 达式y*的各项数据，带入公式(9)中的L+1个方程，解出^)， &1，…，aL，则可得完整的多变量拟 合函数公式（3)，由上述令的X〇 = 1，X2i-l = Ri，X2i = (Ri)2，X2i-l+2M = Rmax i，X2i + 2M=Rmax i2， X2i-1+2(M+N) = Rmin i，X2i+2(M+N) = Rmin i2，X2(M+2N)+l = Tb，X2(M+2N)+2 = Tb2，带入公式(1 )便可得至丨J完 整的y*表达式。
[0055] -种基于多光纤束的在体实时无创生理参数采集装置，如图1所示，包括光学模块 和电学模块。其中电学模块的核心部位为处理器单元，本实施例中处理器单元为32位。电学 模块一方面是通过32位处理器单元内带的D/A转换向外提供一个高精度参考电压，并经电 压跟随单元后，在32位处理器单元的控制下，通过模拟选择单元选择相应的通道输出，经后 继电压电流转换单元转换为高精度的电流输入到光学模块中的单色光源组，这样，电学模 块就可以实现对构成单色光源组的LED亮度的高精度控制；另一方面是利用双道前置放大 单元实现将光学模块中的光电传感器获取的透射光强和反射光强的变化转换为与各自光 强成比例的电压，通过双道滤波单元滤除各种干扰信号后，再在32位微处理器单元的控制 下，通过双道数控放大单元选择各自合适的放大倍数后送入32位微处理器单元内带的12位 A/D转换，实现将其电压转换为对应的数字值，同时利用外部高精度参考电压单元提供的电 压经A/D转换的值、32为微处理器单元设定的不同放大倍数下的基准值和线性修正值，进一 步提高电压的测量精度，即提高透射光强和反射光强的精度，同时通过相应的计算的得出 所需测量生理参数的相应值，通过显示及输入单元显示出来。DC-DC电压转换单元主要为该 装置各单元提供所学的电源。
[0056] 光学模块主要由光纤束组、单色光源组、光电传感器及机械结构组成。光学模块实 时数据采集时，如图2所示，将手指或耳垂置于光学模块上。其中的光纤束组，将各种单色光 聚集在一个小范围，以及从一个小范围获取反射和透射光并经光电传感器将光转换为电信 号送给电学模块处理，同时使得各单色光能均匀地照射到测量的相应部位以提高整体的测 量精度。实用光纤束组还可有效地减小杂散光的影响，并且装配方便。单色光源组主要由各 种单色波长的LED构成，为测量提供相应的光波长及所需的照射光强。光电传感器主要是实 现将变化的光信号转换为电信号，传送给电学模块。机械结构主要将上述的光纤束组、单色 光源组、光电传感器固定于一体，以方便测量人体生理参数。
[0057] 以上对发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对 本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发 明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在【具体实施方式】 以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
【主权项】
1. 一种基于多光纤束的在体实时无创生理参数采集方法，其特征在于，包括以下几个 步骤： 第一步:确定各项生理参数的检测波的波长和个数； 第二步：多次测量人体某一部位，通过温度传感器测量被测人的体温，通过其他设备测 量出相应生理参数的值，根据第一步确定的检测波的波长和个数，针对同一参数，在不同波 长的情况下，获取透射光强与反射光强的比值及时间的变化，并记录实际测量所用波长的 总个数N; 第三步：利用上述透射光强与反射光强的比值及随时间的变化情况，计算出透射和反 射光强比值在设定的脉动周期内的最大值的平均值、最小值的平均值，并从透射和反射光 强比值随时间的变化信号中提取特征参数值，确定获取的特征参数值的总个数M; 第四步:对每一测量的生理参数采用个性化拟合，设拟合的某一需测生理参数值为y*， 贝丨lit実'?大为.(1) 公式(1)中，M为获取的特征参数值的总个数，N为实际测量所用波长的总个数，CO表示拟 合计算系数，C2i-1表示第i个特征参数的计算系数，Pi表示第i个特征参数的值，Rmaxi、Rmini分 别表示第i种波长透射光和反射光比值在脉动周期的最大值的平均值、最小值平均值的常 用对数值，k2i-l、k2i、l2i-l、l2i分别代表RmaxhRmind^ -次方、二次方的计算系数，Tb表不测量 时的体温，CTb表示对上述体温Tb的一次方的计算系数，CTb '表示对上述体温Tb的二次方的计 算系数，上述各系数可通过偏最小二乘法求得。2. 根据权利要求1所述的一种基于多光纤束的在体实时无创生理参数采集方法，其特 征在于，所述步骤第一步还包括，采用紫外-可见-近红外分光光度计对人体全血进行扫描， 根据化学中各基团、功能团或分子的吸收峰，确定需测量生理参数相关及不相关的波长或 波长范围;对上述两类波长或波长范围，分别选取1到4种，确定检测波长的个数。3. 根据权利要求1所述的一种基于多光纤束的在体实时无创生理参数采集方法，其特 征在于，所述步骤第四步，采用偏最小二乘法求取需测生理参数值为y*表达式的各项系数， 具c{本力.Y去: "^"XO - I，X2i-1 - Ri，X2i - (Ri)，X2i-1+2M - Rmaxi，X2i+2M - Rmaxi，X2i-1+2 (M+N) - Rmini， X2i+2(M+N) =Rmini2，X2(M+2N)+l = Tb，X2(M+2N)+2 = Tb2，其对应的系数依次用ai表示，则公式（I)可替其他设备或方法测量出相应生理参数值用y表示，共对同一个人测量了 K次，且K>L，用7?表 (2) (3)? (43 示其他设备或方法测量出相应参数的第m个值，ym*表示第m个数据拟合的值，则其差3"1 = ym-ym* I，根据公式(3)，ym*可表示为：(5) (6) 根据公式(6)，可解公式(2)中，各项系数ai，将&1带入公式（1)中，可得需测生理参数值为y* 的完整表达式。4. 一种基于多光纤束的在体实时无创生理参数采集装置，其特征在于，包括光学模块 和电学模块，所述光学模块包括光纤束组、为测量提供相应光波长及所需照射光强的单色 光源组、将变化的光信号转换为电信号的光电传感器，所述光纤束组将各种单色光聚集在 一个小范围内、以及从一个小范围内获取反射和透射光并经所述光电传感器将光转换为电 信号送给所述电学模块处理;所述电学模块包括将所述光电传感器获取的透射光强和反射 光强的变化转换为与各自光强成比例的电压的双道前置放大单元，将透射光强和反射光强 变化转换的电压转换为对应数字值、向外提供一个高精度参考电压、以及对本装置其他单 元起控制作用的处理器单元，将所述高精度电压转化为电流输入到所述单色光源组的电压 电流转换单元。5. 根据权利要求4所述的一种基于多光纤束的在体实时无创生理参数采集装置，其特 征在于，所述光学模块还包括将上述的光纤束组、单色光源组、光电传感器固定于一体的机 械结构。6. 根据权利要求4所述的一种基于多光纤束的在体实时无创生理参数采集装置，其特 征在于，所述单色光源组由各种单色波长的LED构成。7. 根据权利要求4所述的一种基于多光纤束的在体实时无创生理参数采集装置，其特 征在于，所述电学单元还包括位于双道前置放大单元与处理器单元间，设置有将透射光强 和反射光强变化转换的电压信号进行滤波的双道滤波单元，以及选择合适倍数进行放大的 双道数控放大单元;位于所述电压电流转换单元与处理器单元间，由所述处理器单元控制 的、可选择相应通道输出的模拟选择单元，所述模拟选择单元与所述处理器单元间设置有 电压跟随单元;所述电学单元还包括显示及输入单元。8. 根据权利要求7所述的一种基于多光纤束的在体实时无创生理参数采集装置，其特 征在于，所述双道前置放大单元、双道滤波单元、双道数控放大单元、处理器单元、显示及输 入单元、电压跟随单元、模拟选择单元、电压电流转换单元由DC-DC电压转换单元供电。9. 根据权利要求7所述的一种基于多光纤束的在体实时无创生理参数采集装置，其特
【文档编号】A61B5/1455GK105997104SQ201610416345
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月14日
【发明人】陈龙聪, 王洪雷, 邓世雄, 熊兴良, 刘改琴, 张应举
【申请人】重庆医科大学