一种光学非侵入式休克监护仪及其检测方法
【专利摘要】本发明提供一种光学非侵入式休克监护仪及其监控方法，该仪器包括能发射近红外光到待测局部组织表面、并探测从待测局部组织表面反射回来的光强的光学探头，以及进行光学信号采集、测算及信号处理、存储、显示的主机。本发仪器只需要将柔性轻便的光学探头置于待监测部位皮肤上，就可以不断获取休克相关的血液动力学参数表征的休克病情信息，具有非侵入型、无损安全、实时连续、快速等特点。
【专利说明】一种光学非侵入式休克监护仪及其检测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及医疗仪器【技术领域】，尤其涉及一种适用于休克病人血液动力学生理信号监测的光学非侵入式休克监护仪。
【背景技术】
[0002]从临床角度休克可以定义如下:病人出现收缩压低于90mmHg或收缩压降低30%以上的(对高血压病人)动脉低血压现象。从病理生理学的观点看，休克是各种原因引起的组织灌注不足的表现。组织灌流不足引起细胞缺氧、无氧酵解增加，细胞功能所必须的ATP生成减少和乳酸中毒。休克时，各器官的组织灌流会重新分配，某些被“牺牲”，如肾和肝脾区，而另一些部位受到保护的时间会长一些，如大脑和心脏。组织灌流不足会导致多个内脏器官的衰竭，反过来又会使休克症状复杂化。在临床各科尤其是急诊科和重症监护病房，休克都是常见的严重并发症，每年全世界有超过100万病人发生休克而需要急救。休克的发生和处理与其直接诱因、患者原发疾病和慢性健康状况有着密切的联系，休克处理不积极或处理不当均可能导致包括多器官功能不全综合征在内的严重后果。因此，正确判断休克成因或类型、其严重程度以及治疗方向，及时采取有效的综合治疗措施，严密监测患者内环境改变，根据治疗反应和监测结果改变调整治疗措施是提高休克救治成功率、防治并发症的关键。
[0003]监测休克病人血液动力学参数，并观察其随时间的变化,实时获取休克病人身体的生理状态信息，以及时地对休克的出现和病理情况恶化进行预警，对休克病人的监护、为医生的诊断、用药等提供依据非常重要。由于休克会使得病人的血液循环水平较低，通常会导致末端循环障碍，因此常用直接抽取病人动脉扎针部位的动脉血来获取病人病理信息，尤其是血气参数，如血氧饱和度。尽管抽取部位通常远离休克最关注的头颈部部位，上述方式也不够直接反应休克病理情况，但是目前临床相对比较可靠用得较多的方法。可是这种方法是有创的，而且不能实现实时连续监测休克。现有的床边监护仪与中心监护仪是重症监护室必备的医疗仪器，也被用来监护休克。这些监护手段能够实时监测病人的各种生命体征,包括心电、血压、呼吸、体温、心功能和血气等生理参数,但是对于休克较关注的血气血液动力学变化方面的监测，是通过夹指式血氧饱和度测量监护的。可是休克刚好通常是造成末梢循环灌注不良的疾病情况，指尖血氧饱和度监测经常没有可靠信号而不能正常工作，导致医护人员不得不对病人反复采血进行血气分析，一方面加重了医护人员的工作量，另一方面加重了病人的治愈负担。因此目前急需一种无创、可用于接近休克最关注部位(如给脑袋供血的颈动脉区域)的、可实时连续监测的休克监护仪。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种可实时、无创非侵入式地监测休克病人关键部位颈内动脉所在区域的血液动力学生理信号或参数(如血氧、血容、血流等)的光学监护仪，监护休克病人生理变化情况，为医生诊断和用药提供参考依据，以及预警休克出现或休克恶化。本发明监测可靠、结构简单、成本低廉、可家用、利于本发明的推广和应用。
[0005]一种光学非侵入式休克监护仪，包括:光学探头以及主机；
[0006]所述光学探头用于发射近红外光到待测休克关键部位组织表面、并探测从该部位漫反射回来的光强变化的数据信息；其包括由能发射至少两种波长近红外光的光源、能探测待测休克关键部位组织光传输回来的光衰减变化的光敏探测器；
[0007]所述主机用于对光学探头获取的数据信息进行数据处理，对处理结果进行存储以作日后查看；同时对处理后的数据进行数据处理来测算人血液动力学生理信号参数，并根据测算的生理信号参数进行结果显示；同时判断处理后的血液动力学生理信号或参数是否低于设定阈值，如果低于休克状态相关阈值则立即报警。
[0008]进一步地，如上所述的光学非侵入式休克监护仪，所述光学探头的光源至少可以分时发射两种波长的近红外光。
[0009]进一步地，如上所述的光学非侵入式休克监护仪，所述光源包括至少两种波长范围的光，其一波长在600-805nm,另一波长在805_920nm,光源包含的各波长光能够分别被驱动控制点亮或熄灭。
[0010]进一步地，如上所述的光学非侵入式休克监护仪，所述光学探头的光源和探测器排布符合空间分辨光谱检测方法所要求的排布。
[0011]进一步地，如上所述的光学非侵入式休克监护仪，所述光学探头包括一个可发射至少两种波长的近红外光光源和设置在所述光源周围的两个及两个以上光敏探测器。
[0012]所述光源的中心与所述光敏探测器中心之间的距离为15mm?45mm ;相邻两个光敏探测器的中心点之间的距离不超过1mm ;相邻两个光敏探测器的中心点与光源的中心点构成的夹角α取值范围为O < α < 40°。
[0013]进一步地，如上所述的光学非侵入式休克监护仪，所述光学探头包括一个探测器和至少两个可发出至少两种波长的近红外光的光源。
[0014]其中所述光源的中心与所述光敏探测器中心之间的距离为15mm?45mm ;相邻的两个光源的中心点之间的距离不超过1mm ;相邻的两个光源的中心点与探测器中心点构成的夹角α取值范围为O < α < 40°。
[0015]进一步地，如上所述的光学非侵入式休克监护仪，所述光学探头与主机通过数据线连接。
[0016]所述主机包括:光源驱动模块、预处理模块、Α/D转换模块、微控制单元、电源模块、数据储存模块、数据显示模块和报警模块。
[0017]所述光源驱动模块，与所述近红外光源连接，用于驱动光源，能使多波长光源按照要求逐次点亮和熄灭。
[0018]预处理模块，与光敏探测器相连，用于将光敏探测器探测到的信号经过放大滤波，传递给微控制单元内的测算模块。
[0019]微控制单元，用于向驱动模块提供控制光源的信号；存储预处理模块处理的数据；并将处理的数据经微控单元内的测算模块进行测算，并将测算的数据实时传送给数据显示模块显示给用户；同时通过测算的数据监控休克病人血液动力学生理信号的变化，当跨越休克状态相关阈值时立即发送报警信号。
[0020]数据存储模块，与微控制单元连接，用于将预处理模块处理的数据存储到存储器中。
[0021]数据显示模块，与微控制单元连接，用于将测算模块处理后的人血液动力学生理信号或者各个波长的探测信号绝对值的变化随时间的变化情况实时地显示出来，为用户提供病人直观的血液动力学生理参数。
[0022]报警模块，与微控制单元相连，当根据测算结果获知的血氧信号低于设定阈值后发出警报给用户。
[0023]电源模块，用于为光学探头和主机内的各个模块和单元供电。
[0024]进一步地，如上所述的光学非侵入式休克监护仪，所述光学探头与主机通过无线传输数据。
[0025]所述光学探头包括光源驱动模块、第一微控制单元、信号发送模块、第一电源模块。
[0026]所述光源驱动模块与近红外光源连接，用于驱动光源，能使多波长光源按照要求逐次点亮和熄灭。
[0027]所述第一微控制单元与光源驱动模块、光敏探测器及信号发送模块连接，用于通过光源驱动模块按照不同的时序分别点亮多波长光源，同时从光敏探测器采集数据，进行编码后通过信号发送模块传递给主机的信号接收模块。
[0028]第一电源模块， 分别与光源驱动模块、第一微控制单兀、信号发送模块、光源、光敏探测器连接。
[0029]所述主机包括:第二微控制单元、第二电源模块、数据储存模块、数据显示模块、报警模块、信号接收模块。
[0030]所述第二微控制单元与数据储存模块、数据显示模块、报警模块、信号接收模块分别连接，用于将信号接收模块接收的数据进行解码，并将解码的数据通过数据存储模块存储下来以备后用；同时对解码的数据通过第二微控单元内的测算模块进行测算处理，测算休克病人血液动力学生理信号，并在数据显示模块上进行实时显示；同时当测算出的休克状态相关信号跨越设定阈值由报警模块发出报警信号。
[0031]所述第二电源模块与第二微控制单元、数据储存模块、数据显示模块、报警模块、信号接收模块连接。
[0032]一种利用所述光学非侵入式休克监护仪检测血氧血容量绝对量的方法，包括以下步骤:
[0033]I)光源照射到待测局部脑组织表面，利用下式计算光密度0.D.:
【权利要求】
1.一种光学非侵入式休克监护仪，其特征在于，包括:光学探头以及主机； 所述光学探头用于发射近红外光到待测休克关键部位组织表面、并探测从该部位漫反射回来的光强变化的数据信息；其包括由能发射至少两种波长近红外光的光源、能探测待测休克关键部位组织光传输回来的光衰减变化的光敏探测器； 所述主机用于对光学探头获取的数据信息进行数据处理，对处理结果进行存储以作日后查看；同时对处理后的数据进行数据处理来测算人血液动力学生理信号参数，并根据测算的生理信号参数进行结果显示；同时判断处理后的血液动力学生理信号或参数是否低于设定阈值，如果低于休克状态相关阈值则立即报警。
2.根据权利要求1所述的光学非侵入式休克监护仪，其特征在于，所述光学探头的光源至少可以分时发射两种波长的近红外光。
3.根据权利要求2所述的光学非侵入式休克监护仪，其特征在于，所述光源包括至少两种波长范围的光，其一波长在600-805nm，另一波长在805_920nm，光源包含的各波长光能够分别被驱动控制点亮或熄灭。
4.根据权利要求3所述的光学非侵入式休克监护仪，其特征在于，所述光学探头的光源和探测器排布符合空间分辨光谱检测方法所要求的排布。
5.根据权利要求4所述的光学非侵入式休克监护仪，其特征在于，所述光学探头包括一个可发射至少两种波长的近红外光光源和设置在所述光源周围的两个及两个以上光敏探测器； 所述光源的中心与所述光敏探测器中心之间的距离为15mm?45mm ;相邻两个光敏探测器的中心点之间的距离不超过1mm ;相邻两个光敏探测器的中心点与光源的中心点构成的夹角α取值范围为O < α < 40°。
6.根据权利要求4所述的光学非侵入式休克监护仪，其特征在于，所述光学探头包括一个探测器和至少两个可发出至少两种波长的近红外光的光源； 其中所述光源的中心与所述光敏探测器中心之间的距离为15mm?45mm ;相邻的两个光源的中心点之间的距离不超过1mm ；相邻的两个光源的中心点与探测器中心点构成的夹角α取值范围为O < α <40°。
7.根据权利要求5或6所述的光学非侵入式休克监护仪，其特征在于，所述光学探头与主机通过数据线连接； 所述主机包括:光源驱动模块、预处理模块、Α/D转换模块、微控制单元、电源模块、数据储存模块、数据显示模块和报警模块； 所述光源驱动模块，与所述近红外光源连接，用于驱动光源，能使多波长光源按照要求逐次点亮和熄灭； 预处理模块，与光敏探测器相连，用于将光敏探测器探测到的信号经过放大滤波，传递给微控制单元内的测算模块； 微控制单元，用于向驱动模块提供控制光源的信号；存储预处理模块处理的数据；并将处理的数据经微控单元内的测算模块进行测算，并将测算的数据实时传送给数据显示模块显示给用户；同时通过测算的数据监控休克病人血液动力学生理信号的变化，当跨越休克状态相关阈值时立即发送报警信号； 数据存储模块，与微控制单元连接，用于将预处理模块处理的数据存储到存储器中； 数据显示模块，与微控制单元连接，用于将测算模块处理后的人血液动力学生理信号或者各个波长的探测信号绝对值的变化随时间的变化情况实时地显示出来，为用户提供病人直观的血液动力学生理参数； 报警模块，与微控制单元相连，当根据测算结果获知的血氧信号低于设定阈值后发出警报给用户； 电源模块，用于为光学探头和主机内的各个模块和单兀供电。
8.根据权利要求5或6所述的光学非侵入式休克监护仪，其特征在于，所述光学探头与主机通过无线传输数据； 所述光学探头包括光源驱动模块、第一微控制单元、信号发送模块、第一电源模块； 所述光源驱动模块与近红外光源连接，用于驱动光源，能使多波长光源按照要求逐次点亮和熄灭； 所述第一微控制单元与光源驱动模块、光敏探测器及信号发送模块连接，用于通过光源驱动模块按照不同的时序分别点亮多波长光源，同时从光敏探测器采集数据，进行编码后通过信号发送模块传递给主机的信号接收模块； 第一电源模块，分别与光源驱动模块、第一微控制单元、信号发送模块、光源、光敏探测器连接； 所述主机包括:第二微控制单元、第二电源模块、数据储存模块、数据显示模块、报警模块、信号接收模块； 所述第二微控制单元与数据储存模块、数据显示模块、报警模块、信号接收模块分别连接，用于将信号接收模块接收的数据进行解码，并将解码的数据通过数据存储模块存储下来以备后用；同时对解码的数据通过第二微控单元内的测算模块进行测算处理，测算休克病人血液动力学生理信号，并在数据显示模块上进行实时显示；同时当测算出的休克状态相关信号跨越设定阈值由报警模块发出报警信号； 所述第二电源模块与第二微控制单元、数据储存模块、数据显示模块、报警模块、信号接收模块连接。
9.一种利用所述光学非侵入式休克监护仪检测血氧血容量绝对量的方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)光源照射到待测局部脑组织表面，利用下式计算光密度0.D.: .0.D、= log 六=log^p-(I)； 其中，Itl和I分别为初始光强和透射光强，Ut1和U λ i分别为初始电压和测得的出射电压信号； 2)以光学探头中光源和与该光源周围的光敏探测器之间的间距为横坐标，以上述光密度为纵坐标，绘制不同间距下光密度变化分布，计算光源发出的波长为Ai的近红外光的光密度随所述间距变化的斜率S ( λ J和截距In ( λ J，并根据下式计算出波长为λ i的近红外光的光扩散因子D(Ai): D(A j) = 2.3S( λ ^+D(Cal)(2)； 其中，D(cal)为标准样本的光扩散因子；i = 1、2...3)利用上述光扩散因子D(Xi)计算所述波长为Ai的近红外光的光衰减因子μ?):
μ ’ t(cal)为标准样本的光衰减因子；P ^为光学探头中光源和光敏探测器间距的平均值； 4)利用下式计算波长为Ai的近红外光下生物组织的光吸收系数Ua(Ai):
5)利用任意两种波长的光吸收系数μJA1K Ua(A2)计算含氧血红蛋白浓度绝对量[HbO2]和脱氧血红蛋白浓度绝对量[Hb]:
其中ε_:(λ2)为波长分别为λι、λ 2的近红外光在局部脑组织中传播时HbO2的摩尔吸收系数；ε JlbU1)' Bsb(A2)分别为波长为λ ^ λ 2的近红外光在局部脑组织中传播时Hb的摩尔吸收系数； 6)氧合血红蛋白在组织中有如下关系:
其中Qa代表动脉血流量，QvR表静脉血流量；Sa02为动脉血液血红蛋白的氧饱和度，SvO2为静脉血液血红蛋白的氧饱和度；V O为组织的代谢率，表示组织氧合血红蛋白的承载能力，它的确定可以利用在体前臂阻断实验，通过[Hb02]消失曲线的斜率测得，SvO2为静脉血液的血红蛋白的氧饱和度，计算式为:
对于SaO2，在动脉血中通常假设为100%，氧合血红蛋白转化成脱氧血红蛋白的速率同V O和一些通过静脉流出的速率相等，即:
结合等式⑵、⑶和(9)，计算出Qa和Qv:
其中，(7)式和(8)式中
和分别代表的是测量过程中氧合血红蛋白变
dt it化的导数和测量过程中脱氧血红蛋白变化的导数，通过上式推导得出血容为: THb = Hb+Hb02(9) 血容的变化率，即血流巧懸.为:
【文档编号】A61B5/1455GK104173059SQ201410449443
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年9月4日 优先权日:2014年9月4日
【发明者】李婷, 李凯 申请人:电子科技大学