一种利用白光散射光谱测量组织血氧饱和度的方法和系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种利用白光散射光谱测量组织血氧饱和度的系统，其组成包括氙灯、第一光纤、第二光纤、光谱仪、光纤固定器、样品、计算机；通过本系统获光源光强度Is(λ)通过组织的散射光光强度Id(λ)，计算光在组织中的漫反射系数在650～800nm波段对光的传播方程进行拟合，计算氧和血红蛋白[HbO2]和血红蛋白[Hb]的含量，进而计算出组织中的血氧饱合度StO2＝[HbO2]/([HbO2]+[Hb]。
【专利说明】
一种利用白光散射光谱测量组织血氧饱和度的方法和系统
技术领域
[0001 ]本发明属于激光光谱技术领域，具体涉及一种利用白光散射光谱测量组织血氧饱 和度的方法和系统。
【背景技术】
[0002] 氧在人体新陈代谢的过程中有着至关重要的作用，是人体生命活动的关键物质。 氧与血液中的血红蛋白结合，通过血液输送到全身的细胞中。血氧饱和度（St〇2)指的是人 体血液中与氧结合的血红蛋白实际含量与血红蛋白总量的比值，作为判断人体是否缺氧的 重要参数，对衡量人体携带氧能力有重要的参考价值。由缺氧引起的不当的新陈代谢会让 细胞受损从而引发一系列严重的健康问题，最严重时，细胞长时间处在缺氧环境下会导致 死亡。由此可见，血氧饱和度是判断人体是否健康的重要指标之一。在正常的血液中，存在 着4种常见的血红蛋白：氧合血红蛋白（Hb〇2)、还原血红蛋白（Hb)、碳氧血红蛋白（COHb)、高 铁血红蛋白（MetHb)。池与氧结合成Hb0 2,经过血液循环将氧运输到身体各个部位的细胞后 释放氧成为Hb、C0Hb和MetHb与氧。除了病理因素和长期吸烟者外，人体血液中COHb和MetHb 的成分相对于Hb02和Hb来说含量很少，临床上，通常忽略⑶Hb和MetHb的影响，血氧饱和度 经常用（1)式计算：
[0003] St〇2=[Hb02]/([Hb02] + [Hb]) (1)
[0004] [Hb02]是氧合血红蛋白浓度，[Hb]是血红蛋白浓度。
[0005] 无创血氧饱和度检测是根据氧合血红蛋白（Hb〇2)和还原血红蛋白（Hb)在红光和 红外光区域的光谱特性差异来实现的：在红光区（600~800nm)Hb〇2和Hb的吸收差别很大； 血液的光吸收程度和光散射程度极大地依赖于血氧饱和度;所以，Hb0 2和Hb的含量不同，则 吸收光谱也不同，因此无论是动脉血还是静脉血，均能根据Hb02和Hb的含量准确地反映出 血氧饱和度。近红外漫反射光谱(DRS)是一种利用组织在近红外波长范围内吸收特性的差 异性来测量组织血氧饱和度的无创检测技术。DRS技术已经用于骨骼肌运动功能评定、脑血 流血氧监测和肿瘤探测等，但是现有的DRS技术需要多距离同时探测，在口腔、指尖等小面 积组织空间内难以实现，且现有的DRS测量系统使用脉冲或正弦调制的激光器作为光源以 及光电倍增管作为探测器，造价昂贵，不利于推广应用，白光DRS技术可利用单距离得到绝 对血氧饱和度，尤其小面积组织的临床应用。综上所述，国内目前尚无利用白光连续散射光 谱测量血氧饱和度的相关技术和产品报导。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术出现的问题，本发明旨在提出一种利用白光散射光谱测量组织血氧 饱和度的方法和系统，利用白光连续散射光谱测量血氧饱和度的相关技术和产品。
[0007] 本发明采用的技术方案是：一种利用白光散射光谱测量组织血氧饱和度的系统， 其组成包括氙灯、第一光纤、第二光纤、光谱仪、光纤固定器、样品、计算机;所述氙灯与第一 光纤相连接，第二光纤与光谱仪相连接，所述氙灯发出的光经第一光纤传输到样品的表面； 样品的散射光经第二光纤传输到光谱仪;所述第一光纤和第二光纤由光纤固定器固定在同 一平面内，且两根光纤之间的距离保持不变;所述计算机和光谱仪相连接，对光谱仪的数据 进行处理，给出待测物体的血氧饱和度。所述激发光和散射光分别由不同的光纤进行传输， 所述第一光纤和第二光纤之间的距离为8_。
[0008] 一种所述的利用白光散射光谱测量组织血氧饱和度系统的测量方法，通过测量激 发光光强度Is(A)和通过组织的散射光光强度Id(A)计算光在组织中的漫反射系数 0)
a' \ z
[0010]光在介质中传播时满足方程
(2)
[0012] 其中：R是漫反射系数;ya是在组织中传播时，组织对光的吸收系数;ys'是光在组 织中传播时，组织对光的散射系数;r是测量点和光源之间的距离；
[0013] fj-a ^ MdHbOj /^aH20 - 1 )l ^ ] (3 )
[0014] 其中：ya是总的吸收系数;yaHbQ2是组织中氧合血红蛋白的吸光系数;yaHb是组织中 血红蛋白的吸光系数;y aH2Q是组织中水的吸光系数；e [HbC)2] ( A)是与浓度无关的常数，表征氧 合血红蛋白的吸光特性;e[Hb](A)是与浓度无关的常数，表征血红蛋白的吸光特性;￡[_](入） 是与浓度无关的常数，表征水分子的吸光特性; e[HbC12](X)，e[Hb](X)，e[H20](X)可从文献查得， 如表一所示；[Hb02]是氧合血红蛋白浓度；[Hb]是血红蛋白浓度；[H20]是水浓度；
[0015] (入)=A入-B (4)
[0016]其中:ys '是光在组织中传播时，组织对光的散射系数;A和B是常数；
[0017] 将⑷、（3)、（2)代入⑴，在650~800nm波段通过数学拟合计算[Hb02]和[Hb]，
[0018]则组织中的的血氧饱和度St02可用下式计算
[0019] St〇2=[Hb02]/([Hb02] + [Hb])。 （5)
[0020] 本发明的测量方法通过一个测量点计算出组织的血氧饱和度，尤其适合牙龈、脑 血管等小面积组织的血氧含量测量。
[0021] 本发明通过白光连续光作为激发光源。
[0022]本发明的测量方法通过在650~800nm波段的散射光谱计算组织血氧饱和度。
[0023]与现有技术相比，本发明具有的有益效果是:本发明提出一种利用白光散射光谱 测量组织血氧饱和度的方法和系统，该系统是利用650~800nm波段150个波长处的散射光 谱测量血氧饱和度，提高了测量的精确度;其次白光DRS技术可利用单个测量点得到绝对血 氧饱和度，尤其适合适合牙龈、脑血管等小面积组织的临床应用;最后，该技术利用Xe灯连 续白光为光源，与一般散射光谱技术所采用的激光光源相比，成本降低，方便临床推广应 用。总之，白光DRS技术利用白光连续散射光谱测量血氧饱和度，精度高成本低，尤其适合小 面积组织的临床应用，这在国内是新的突破。
【附图说明】
[0024]图1是本发明系统的结构示意图；
[0025] 图2是本发明测量方法的计算流程图；
[0026] 其中：1为氙灯、2为第一光纤、3为第二光纤、4为光谱仪、5为光纤固定器、6为样品、 7为计算机。
【具体实施方式】
[0027] -种利用白光散射光谱测量组织血氧饱和度的系统，如图1所示，其组成包括氙灯 I、 第一光纤2、第二光纤3、光谱仪4、光纤固定器5、样品6、计算机7;所述氣灯1与第一光纤2 相连接，第二光纤3与光谱仪4相连接，所述氙灯1发出的光经第一光纤2传输到样品6的表 面;样品6的散射光经第二光纤3传输到光谱仪4;所述第一光纤2和第二光纤3由光纤固定器 5固定在同一平面内，且两根光纤之间的距离保持不变;所述计算机7和光谱仪4相连接，对 光谱仪4的数据进行处理，给出待测物体的血氧饱和度。
[0028] 所述激发光和散射光分别由不同的光纤进行传输，所述第一光纤2和第二光纤3之 间的距离为8mm。
[0029] 如图2所示，一种利用白光散射光谱测量组织血氧饱和度的方法，通过测量激发光 Is(A)和通过组织的散射光Id(A)计算光在组织中的漫反射系数
(1)
[0031]光在介质中传播时满足方程
(2:>
[0033] 其中：R是漫反射系数;ya是在组织中传播时，组织对光的吸收系数;ys'是光在组 织中传播时，组织对光的散射系数;r是测量点和光源之间的距离；
[0034] f^a ^ p^aHbO^ F"alib - ] V ] "^ ^ H. ^ ](^)[^"：^ ] (.3).
[0035] 其中：ya是总的吸收系数;知鐘是组织中氧合血红蛋白的吸光系数;yaHb是组织中 血红蛋白的吸光系数;y aH2Q是组织中水的吸光系数；e [HbC)2] ( A)是与浓度无关的常数，表征氧 合血红蛋白的吸光特性；e[Hb](U是与浓度无关的常数，表征血红蛋白的吸光特性；￡[]0) 是与浓度无关的常数，表征水分子的吸光特性； e[HbC12](>)，e[Hb](X)，e[H2Q](>)可从文献查得， 如表一所示；[Hb02]是氧合血红蛋白浓度；[Hb]是血红蛋白浓度；[H 20]是水浓度；
[0036] y、(入)=A入-B (4)
[0037] 其中:ys'是光在组织中传播时，组织对光的散射系数;A和B是常数；
[0038] 将(4)、（ 3)、（ 2)代入（1)，在650~800nm波段通过数学拟合计算[Hb02]和[Hb]， [0039]则组织中的的血氧饱和度St02可用下式计算
[0040] St〇2=[Hb02]/([Hb02] + [Hb])。 （5)
[0041 ]表一￡[咖2](入），e[Hb](入），￡[](入）值随波长变化表。（S ? Wray，M. Cope，D ? T ? Delpy， J. S.Wyatt and E.O.R.ReynoIds,Biochim.Biphys.Acta,933,184-192pp(1988))
【主权项】
1. 一种利用白光散射光谱测量组织血氧饱和度的系统，其特征在于其组成包括氙灯 (1)、第一光纤(2)、第二光纤(3)、光谱仪(4)、光纤固定器(5)、样品（6)、计算机(7);所述氙 灯（1)与第一光纤(2)相连接，第二光纤(3)与光谱仪(4)相连接，所述氙灯（1)发出的光经第 一光纤(2)传输到样品(6)的表面;样品(6)的散射光经第二光纤(3)传输到光谱仪(4);所述 第一光纤(2)和第二光纤(3)由光纤固定器(5)固定在同一平面内，且两根光纤之间的距离 保持不变;所述计算机(7)和光谱仪(4)相连接，对光谱仪(4)的数据进行处理，给出待测物 体的血氧饱和度。2. -种利用白光散射光谱测量组织血氧饱和度的方法，其特征在于，通过测量激发光 光强度Is(A)和通过组织的散射光光强度I d(A)计算光在组织中的漫反射系数光在介质中传播时满足方程其中：λ是波长;R是漫反射系数;ya是光在组织中传播时，组织对光的吸收系数;μ，是 光在组织中传播时，组织对光的散射系数;r是测量点和光源之间的距离；其中：ya是光在组织中传播时，组织对光的总的吸收系数;yaHbQ2是组织中氧合血红蛋白 的吸光系数;yaHb是组织中血红蛋白的吸光系数;yaH2C)是组织中水的吸光系数；ε [HM2] (λ)是 与浓度无关的常数，表征氧合血红蛋白的吸光特性；ε [Hb] (λ)是与浓度无关的常数，表征血 红蛋白的吸光特性；ε[Η2〇](λ)是与浓度无关的常数，表征水分子的吸光特性；[Hb0 2]是氧合 血红蛋白浓度；[Hb ]是血红蛋白浓度；[H20]是水浓度； μ、(λ)=Αλ-B (4) 其中:ys '是光在组织中传播时，组织对光的散射系数;A和B是常数； 将(4)、（3)、（2)代入（1)，在650~800nm波段通过数学拟合计算[Hb02]和[Hb]， 则组织中的的血氧饱和度St02可用下式计算 St〇2=[Hb〇2]/([Hb〇2] + [Hb]) (5)。3. 根据权利要求2所述的利用白光散射光谱测量组织血氧饱和度的方法，其特征在于， 通过一个测量点计算出组织的血氧饱和度，尤其适合牙龈、脑血管等小面积组织的血氧含 量测量。4. 根据权利要求2所述的利用白光散射光谱测量组织血氧饱和度的方法，其特征在于 通过白光连续光作为激发光源。5. 根据权利要求2所述的利用白光散射光谱测量组织血氧饱和度的方法，通过650~ 800nm波段的散射光谱计算组织血氧饱和度。6. 根据权利要求1一种利用白光散射光谱测量组织血氧饱和度的系统，其特征在于，所 述激发光和散射光分别由不同的光纤进行传输，所述第一光纤(2)和第二光纤(3)之间的距 离为8mm。
【文档编号】G01N21/47GK105928890SQ201610356763
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年5月26日
【发明人】秦艳利, 赵文文, 赵鹏羽, 陈雨情
【申请人】沈阳理工大学