无创测定血液中血红蛋白浓度和氧浓度的方法与流程

本发明适用于材料化学成分的研究和分析，主要应用于用于无创测定血液中所含的血红蛋白浓度和氧浓度的诊断医疗装置。

背景技术：

光学血氧测定法的方法和技术手段最广泛地用于无创测定血液的氧饱和度和血红蛋白浓度。由于脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白分别显著吸收红和红外光辐射，这些方法利用含有和不含氧的血红蛋白形式在光辐射吸收中表现出的差异。

已知一种用于测定血液成分浓度的方法(ru2344752c1，2009)，其通过将生物组织暴露于例如波长为590nm和650nm的光谱的可见部分内的交替辐射来估计血红蛋白浓度。进一步检测通过组织传递的辐射，并将其转换成电信号，并且使用接收到的电信号的振幅值来测定血液中血红蛋白的浓度。

在已知的脉搏血氧计中实施用于无创测定氧饱和度和血红蛋白浓度的方法(ru2175523，c1，2001；ru2221485，c2，2004；ru2233620，c1，2004；ru2259161，c1，2005；ru2332165，c2，2008；ru2496418c1，2013)。它们都将生物组织暴露于具有各种波长的交替的红和近红外光辐射，检测通过组织传递的辐射，并将其转换成电信号，并且使用接收到的电信号的振幅值来测定血红蛋白的浓度和血液的氧饱和度。

然而，所有已知的方法仅允许对透射这些波长范围的光辐射的生物组织部分诊断血液氧合，这使得它们仅可用于诸如手指和耳朵之类的相对薄的生物组织。

一次性脉搏血氧仪(ru2428112c2，2011)将生物组织暴露于交替的红和近红外光辐射，检测由组织漫反射的红和近红外光辐射，并将其转换成电信号，并且使用接收到的电信号的振幅值来测定血液中的血红蛋白浓度和血氧饱和度。

在该已知方法中使用由生物组织漫反射的光辐射显著扩展了其实用性，因为它不仅适用于手指或耳朵，而且适用于人体的其他生物组织，特别是前额、额骨和大脑的额叶的软组织。

所提案的用于无创测定血液中血红蛋白浓度和氧浓度的方法最接近用于估计血氧的光学方法(ru2040912c1，1995)，其将生物组织暴露于交替的红和近红外光辐射，检测由组织漫反射的红和近红外光辐射，并将其转换成电信号，并且使用接收到的电信号的振幅值来测定血液中血红蛋白的浓度和氧饱和度。

所有上述方法在测定血液中的血红蛋白浓度和氧浓度方面提供的准确度不足。这是由于生物组织中存在大量水而导致的测量误差，水在所考虑的装置中使用的红外波段内具有可检测的吸收光谱。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种相比现有方法提高了测量精度的无创测定血液中血红蛋白浓度和氧浓度的方法。

本发明可实现如下目的和技术效果。根据前述类似现有技术，本发明所提出的方法如下步骤：将生物组织暴露于交替的红和近红外光辐射(以任意顺序)，检测由生物组织漫射的光辐射，并将其转换成电信号，并且使用接收到的电信号测定血红蛋白浓度和氧浓度。本发明所提出的方法与最接近的类似现有技术的不同之处在于，所述生物组织暴露于包括700nm的第一波长范围的光辐射、包括880nm的第二波长范围的光辐射、以及包括960nm的第三波长范围的光辐射，所述血红蛋白浓度基于用所述第一波长范围和所述第二波长范围的光辐射照射所述生物组织时而获得的所述电信号的总和来测定，所述血红蛋白浓度通过用所述第三波长范围的光辐射照射所述生物组织而获得的所述电信号测定的值减小，所述氧浓度基于通过用所述第二波长范围和所述第一波长范围的光辐射照射所述生物组织而获得的所述电信号之间的差异来测定，所述氧浓度通过用所述第三波长范围的光辐射照射所述生物组织而获得的所述电信号测定的值减小。

所述血液中的所述血红蛋白浓度使用实验获得的所述血红蛋白浓度与得到的总的所述电信号utot＝u1+u2-u3(k13+k23)之间的校准曲线来测定，其中u1，u2和u3分别是通过用所述第一、第二和第三波长范围的光辐射照射所述生物组织而获得的所述电信号；k13和k23分别是通过处理测量中使用的光辐射接收器的相对光谱灵敏度的已知特性和所述第一、第二和第三波长范围内的吸水光谱而预先获得的系数。

所述血液中的所述氧浓度使用实验获得的所述氧浓度与得到的残余的所述电信号udiff＝u2-u1-u3(k13+k23)之间的校准曲线来测定，其中u1，u2和u3分别是通过用所述第一、第二和第三波长范围的光辐射照射所述生物组织而获得的所述电信号；k13和k23分别是通过处理测量中使用的光辐射接收器的相对光谱灵敏度的已知特性和所述第一、第二和第三波长范围内的吸水光谱而预先获得的系数。

通过处理测量中使用的光辐射接收器的相对光谱灵敏度的已知特性和所述第一、第二和第三波长范围内的吸水光谱而获得的所述系数，根据以下表达式预先计算：k13＝k3s3/k1/s1和k23＝k3s3/k2/s2，其中，k1，k2和k3分别是所述第一、第二和第三波长范围内的吸水系数的平均值；s1，s2和s3分别是第一、第二和第三波长范围内的光接收器的相对光谱灵敏度的平均值。

一方面，与氧合血红蛋白相比，包括700nm的第一波长范围的光辐射更多地被脱氧血红蛋白吸收。另一方面，与脱氧血红蛋白相比，包括880nm的第二波长范围的光辐射更多地被氧合血红蛋白吸收。因此，该方法提出将生物组织暴露于包括700nm的第一波长范围的光辐射和包括880nm的第二波长范围的光辐射，以便用通过第一和第二波长范围的光辐射照射生物组织而获得的电信号总和来测定血液中血红蛋白的浓度，并且还通过用第二和第一波长范围的光辐射照射生物组织而获得的电信号之间的差异来测定血液中的氧浓度。

同时，生物组织含有大量的水。

水具有最明显的光辐射吸收光谱，波长范围为650nm至1100nm，最大波长为960nm。因此，生物组织中水的存在会导致有用信号的失真，这表现为因在第一波长范围内水吸收光辐射而导致的电信号的增加，并且在更大程度上，在第二波长范围内，在测定血红蛋白浓度和氧浓度时引入显著误差。

为了评价和排除因研究中的生物组织中存在水而导致的测量误差，本发明提出将生物组织暴露于第三波长范围的光辐射，所述第三波长范围的光辐射在960nm处具有最大吸水光谱，在照射包括700nm的第一波长范围的光辐射和包括880nm的第二波长范围的光辐射之前、之后或之间进行上述动作，这样为测定血红蛋白浓度和氧浓度提供了有用的信号。然后接收由生物组织漫反射的第三波长范围的光辐射并将其转换成电信号，其主要取决于所研究的生物组织中水浓度的当前值。

因此，通过用第一和第二波长范围的光辐射照射生物组织而获得的电信号的总和来测定血液中的血红蛋白浓度，所述血红蛋白浓度通过用第三波长范围的光辐射照射生物组织而获得的电信号测定的值减小，这是由于研究中的生物组织中存在水而引起的误差，从而允许增加测定血红蛋白浓度的准确性。

另外，根据通过用第二和第一波长范围的光辐射照射生物组织而获得的电信号之间的差异来测定氧浓度，所述氧浓度通过用第三波长范围的光辐射照射生物组织而获得的电信号测定的值减小，也可以解释因生物组织中存在水而导致的误差，从而允许增加测定氧浓度的准确度。

因此，由于本发明的血液中血红蛋白浓度和氧浓度的无创测定具有上述显著特征，因此本发明所提出的方法解决了所述问题并实现了该创新中提出的技术效果。

附图说明

图1中示出了装置的框图，该装置提供了实现本申请请求保护的无创测定血液中血红蛋白浓度和氧浓度的方法的最佳方式，其中1-发光二极管(led)的块、2-光接收器、3-放大器、4-模数转换器、5-控制器、6-显示单元、7-生物组织。

图2中示出了氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白、以及水在600nm至1100nm波长范围内的吸收光谱。

具体实施方式

提供实现本申请请求保护的无创测定血液中血红蛋白浓度和氧浓度的方法的最佳方法的装置包括：串联的光辐射接收器2、放大器3、模数转换器4、控制器5、以及显示单元6，并且led单元1与控制器5的输出相连接。

led单元1包括：被配置为射出包括700nm的第一波长范围(680-720nm)的光辐射的至少一个led，例如kingbright公司的ledl-132xht；被配置为射出包括880nm的第二波长范围(860-900nm)的光辐射的至少一个led，例如betlux公司的的ledbl-314ir；以及被配置为射出包括960nm的第三波长范围(940-980nm)的光辐射的至少一个led，例如vishay公司的ledtsus4400。

对波长范围为570至1100nm的光辐射敏感的光电二极管，例如vishay公司的光电二极管bpw34，其被用作光辐射接收器2。

光辐射接收器2和led单元1的led安装在被按压于生物组织7的共用基座(图1中未示出)上，并且led被配置为包围光辐射接收器2。

精密运算放大器，例如analogdevices公司的ad8604，其可用作放大器3。

大比特宽度(12位)的高速模数转换器，例如analogdevices公司的模数转换器ad7655，其可用作模数转换器4。

控制器5可以是具有控制外部模数转换器和充分速度的必要资源的任意微控制器，例如atmel公司的atxmega128a4u，其配备有永久和可操作的存储装置。

实施本发明所提出的无创测定血液中血红蛋白浓度和氧浓度方法的装置以如下方式工作。

为了测定血液中的血红蛋白浓度和氧浓度，将具有光辐射接收器2的基座和led单元1的led按压于研究中的生物组织7。

当装置开启时，led单元1的led不射出光辐射。来自光辐射接收器2的电信号通过其暗电流来测定，所述电信号由放大器3放大并由模数转换器4转换成数字代码，从而进入控制器5并存储在其可操作的存储装置中。

然后，来自控制器5的信号启动led单元1的led的交替能量供应。切换led的顺序对于本发明所提出的方法并不重要。

例如，将电压施加于led单元1的led，该led向生物组织7射出指示的波长范围的光辐射，所述led被配置为射出680-720nm的第一波长范围内的光辐射。该辐射的一部分主要被脱氧血红蛋白吸收，并且一部分漫反射并到达光辐射接收器2，光辐射接收器2将该部分光辐射转换成电信号，该电信号在更大程度上，由生物组织7中的脱氧血红蛋白浓度来测定，并且在较小程度上由氧合血红蛋白和水来测定(参见图2)。该电信号被放大器3放大，并且在由模数转换器4转换成数字代码之后进入控制器5。为了解决源自光辐射接收器2的暗电流的测量误差，控制器5从模数转换器4接收到的数字代码中减去与来自光辐射接收器2的暗电流的电信号对应的数字代码(后一代码存储在主存储器中)。然后，控制器5将对应于电信号u1的该差值记录于主存储器，并且该信号主要由试验中的生物组织7中的脱氧血红蛋白浓度来测定。

然后，将先前打开的led熄灭，并且例如将电压施加于led单元1的led，该led被配置为射出波长为860-900nm的第二波长范围内的光辐射。该led在生物组织7的方向上射出指示的波长范围的光辐射。同样地，光辐射接收器2将漫反射的光辐射转换成电信号，该电信号主要由生物组织7中的氧合血红蛋白浓度来测定，并且在较小程度上由脱氧血红蛋白和水来测定(参见图2)。该电信号被放大器3放大，并且在由模数转换器4转换成数字代码之后进入控制器5。为了解决源自光辐射接收器2的暗电流的测量误差，控制器5从模数转换器4接收到的数字代码中减去与来自光辐射接收器2的暗电流的电信号对应的数字代码(后一代码存储在主存储器中)。然后，控制器5将对应于电信号u2的该差值记录于主存储器，并且该信号主要由试验中的生物组织7中的氧合血红蛋白浓度来测定。

然后，关闭先前打开的led，并且将电压施加于led单元1的led，该led被配置为射出波长为940-980nm的第三波长范围内的光辐射。该led在生物组织7的方向上射出指示的波长范围的光辐射。同样地，光辐射接收器2将漫反射的光辐射转换成电信号，该电信号主要由生物组织7中的水浓度来测定，并且在较小程度上由氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白来测定(参见图2)。该电信号被放大器3放大，并且在由模数转换器4转换成数字代码之后进入控制器5。为了解决源自光辐射接收器2的暗电流的测量误差，控制器5从模数转换器4接收到的数字代码中减去与来自光辐射接收器2的暗电流的电信号对应的数字代码(后一代码存储在主存储器中)。然后，控制器5将对应于电信号u3的该差值记录于主存储器，并且该信号主要由试验中的生物组织7中的水的浓度来测定。

然后，由来自控制器5的信号启动的所述led单元1的led的切换顺序过程被重复多次，每次由光辐射接收器2将反射的光辐射转换成电信号，控制器5处理所获得的数字代码。其结果为，电信号u1，u2和u3的数字值被累积在控制器5的主存储器中，其由控制器5统计地处理以过滤随机测量误差。该处理分别产生电信号u1，u2和u3的平均数值u1，u2和u3，它们存储在控制器5的主存储器中。

基于所获得的电信号的平均数值u1，u2和u3，控制器5根据以下表达式计算总电信号：

utot＝u1+u2-u3(k13+k23)，

其中，u1，u2和u3分别是通过将生物组织7暴露于第一、第二和第三波长范围的光辐射而获得的电信号的平均数值；

k13，k23分别是通过处理光辐射接收器2的相对光谱灵敏度的已知特性和第一、第二和第三波长范围内的吸水光谱而预先获得的系数，其存储在控制器5的主存储器中。

基于所获得的电信号的平均数值u1，u2和u3，控制器5根据以下表达式计算残余电信号：

udiff＝u2-u1-u3(k13+k23)，

其中，u1，u2和u3分别是通过将生物组织7暴露于第一、第二和第三波长范围的光辐射而获得的电信号的平均数值；

k13，k23分别是通过处理光辐射接收器2的相对光谱灵敏度的已知特性和第一、第二和第三波长范围内的吸水光谱而预先获得的系数，其存储在控制器5的主存储器中。

存储在控制器5的主存储器中的上述系数是通过处理光辐射接收器2的相对光谱灵敏度的已知特性和第一、第二和第三波长范围内的吸水光谱而预先测定的，并根据以下表达式所示：

k13＝k3s3/k1/s1，

k23＝k3s3/k2/s2，

其中，k1，k2和k3分别是第一、第二和第三波长范围内的吸水系数的平均值；

s1，s2和s3分别是第一、第二和第三波长范围内的光辐射接收器2的相对光谱灵敏度的平均值。

控制器5使用血红蛋白浓度和得到的总电信号utot之间的校准曲线测定血液中血红蛋白的浓度。校准曲线已经预先通过实验获得并存储在控制器5的主存储器中。

控制器5使用氧浓度和得到的残余电信号udiff之间的校准曲线测定血液中的氧浓度。校准曲线已经预先通过实验获得并存储在控制器5的主存储器中。

获得的血液中的血红蛋白浓度和氧浓度从控制器5传递到显示单元6，显示单元6将这些值显示给装置操作员。

工业上的可利用性

本发明的发明人们开发并测试了一种提供无创测定血液中血红蛋白浓度和氧浓度的方法的原型装置。所述原型装置的测试首先表明其可操作性，其次表明可达到所述技术效果的可能性，所述技术效果包括通过将研究中生物组织中水的存在而导致的测量误差减少10-12％，从而增加血红蛋白浓度和氧浓度测定的准确度。