一种无创微血管血氧饱和度实时监测装置及监测方法与流程

1.本发明属于医疗技术领域，具体涉及一种无创微血管血氧饱和度实时监测装置，同时还涉及一种无创微血管血氧饱和度实时监测方法。


背景技术：

2.血氧饱和度是呼吸循环功能的重要生理参数之一，反映了血液中氧合血红蛋白的含量，且血氧饱和度的定义为：氧合血红蛋白的容量占全部可结合的血红蛋白容量的百分比，因此，血氧饱和度反映了人体的血氧平衡状态，监测血氧饱和度可以估计肺的氧合以及血红蛋白的携氧能力，从而监测人体器官组织的生理状况。
3.常规的血氧饱和度测量方法有两种：一、电化学法；二、光电容积脉搏波描记法。
4.针对电化学法，其主要采取人体静脉血，利用血气分析仪对血液进行分析，测出动脉血氧分压，并计算得到血氧饱和度，这种方法需要动脉穿刺或插管，易对患者造成伤害，操作麻烦，且不能进行连续和实时监测。
5.针对光电容积脉搏波描记法(photoplethysmography，简称ppg)，是利用血液对光线的吸收，当皮肤的微血管内有血液灌注量的差别时，通过检测皮肤表面光反射和吸收量的多少，进而得出脉搏波信息，根据测量位置的不同，测量结果中有时还会包含测量位置的微循环信息，最初是利用红外光，外加光源对探测皮肤表面进行照明，然而，红外探测仪器在日常生活中并不常用，而且外加光源很多时候也局限了照射和探测区域大小，从而影响探测适用范围和准确度。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种改进的无创微血管血氧饱和度实时监测装置。
7.同时，本发明还涉及一种无创微血管血氧饱和度实时监测方法。
8.为解决以上技术问题，本发明采用如下技术方案：
9.一种无创微血管血氧饱和度实时监测装置，其包括主机监测主机、与主机监测主机有线或/和无线连通的血氧饱和度检测探头，血氧饱和度检测探头包括具有视窗口和信号传输接口的壳体、具有前后端部的镜头、偏振片组件、位于镜头后端部的图像传感器、及位于镜头前端部和视窗口之间且与监测主机电路并联连通的多个的发光二极管，其中偏振片组件包括偏振方向正交的环形偏振片和圆形偏振片，环形偏振片位于视窗口和镜头前端部之间，圆形偏振片位于镜头后端部和图像传感器之间，发光二极管至少有两个，其中两个或多个发光二极管绕着镜头中心线方向间隔分布，且能够逐个交替的通电点亮能够交替发光的与主机连通，图像传感器通过信号传输接口与主机监测主机连通。
10.优选地，视窗口、环形偏振片、镜头、圆形偏振片、及图像传感器的中心对齐设置，其中环形偏振片、镜头、圆形偏振片、及图像传感器相间隔的分布在壳体内。这样的布局能够更精准的获取每次发光二极管发光后所采用的每帧图像，再由每帧图像重建出一帧血氧
饱和度分布图，同时由每帧血氧饱和度分布图重建出一系列血氧饱和度分布图，进而可构建出血氧饱和度随时间变化的视频，实现高精度的实时监测。
11.根据本发明的一个具体实施和优选方面，环形偏振片至镜头前端部的距离大于圆形偏振片至镜头后端部的距离。这样所形成的偏振效果才能精确获取每帧图像。
12.优选地，环形偏振片的内径大于镜头前端部的外径。便于获取含氧血红蛋白和去氧血红蛋白分别对入射光的光波吸收后所形成的每帧图像。
13.优选地，圆形偏振片的外径大于或等于镜头后端部的外径。有利于图像传感器获取图像信号。
14.根据本发明的又一个具体实施和优选方面，壳体包括沿着镜头长度方向延伸的第一筒体、位于第一筒体前端部的第二筒体，其中第二筒体自后向前筒径逐步变小，且第二筒体的前端部形成所述的视窗口。两个筒体构成手持笔的造型，方便用户自己实施操控。
15.优选地，镜头、所述圆形偏振片、及图像传感器均位于第一筒体内，环形偏振片位于第二筒体内，发光二极管位于第一筒体或第一筒体内。布局紧凑，结构简单。
16.根据本发明的又一个具体实施和优选方面，环形偏振片的内径大于视窗口的内径。便于经过环形偏振片光波更广范围的自视窗口射出。
17.优选地，环形偏振片至视窗口前端的距离小于或等于环形偏振片至镜头前端部的距离。满足照射和探测区域大小要求，从而探测适用范围和准确度。
18.根据本发明的又一个具体实施和优选方面，发光二极管位于环形偏振片与镜头之间。便于环形偏振片对发光二极管所产生的光波进行偏振处理。
19.优选地，发光二极管位于第一筒体和第二筒体的连接处，且靠近环形偏振片设置。使得所发射的光能够沿着第二筒体内部射出，从而形成自视窗口所射出光波的最大探测区域。
20.进一步的，每个发光二极管的入射光波的波长不相等。这样能够更准确地反应含氧血红蛋白和去氧血红蛋白分别对入射光的光波吸收，从而获得精准的图像。
21.优选地，图像传感器固定在第一筒体的后端，且图像传感器至镜头后端部的距离与镜头前端部至视窗口前端部的距离相等。最佳地实现图像精准获取。
22.进一步的，信号传输接口位于第一筒体的后端部并与图像传感器连通。方便将图像信号传输至监控主机。
23.此外，无创微血管血氧饱和度实时监测装置还包括设置在视窗口前端部的隔离玻璃片。避免接触皮肤时造成皮肤损伤或皮肤褶皱，使得在相对舒适且无创伤前提下，实时且精准地获取微血管血氧饱和度。
24.本发明的另一技术方案是：一种无创微血管血氧饱和度实时监测方法，其采用了上述的无创微血管血氧饱和度实时监测装置，且包括如下步骤：
25.a1、图像采集
26.由监控主机发送控制指令，使得发光二极管交替点亮，其中每个发光二极管点亮时，环形偏振片、镜头、圆形偏振片三者配合，使得图像传感器采集一帧图像f1，点亮另一个发光二极管后，图像传感器采集一帧图像f2，因此，随着两个发光二极管交替点亮，分别采集图像f3,f4,
…
，fn；
27.a2、血氧饱和度分布图的构建
28.由f1和f2构建出一帧血氧饱和度分布图s1，由f3和f4构建出一帧血氧饱和度分布图s2，依此类推，可重建出一系列血氧饱和度分布图:s1,s2,
…
,sn，进而可构建出血氧饱和度随时间变化的视频，实现血氧饱和度的实时检测。
29.优选地，发光二极管有两个，且分别led1和led2，其中led1和led2的发光波长分别为λ1和λ2，在图像传感器中获取的反射图像中，选取血管上的点m 和距离血管较远的点n，n点选取图像上无光学吸收的点，作为参考点，对于波长为λ的入射光，m点的吸收可以为：
30.由于图像中的光学吸收主要为血红蛋白的吸收，根据朗伯比尔定律，m点的吸收可表示为：
[0031][0032]
其中，为含氧血红蛋白对于波长λ光的摩尔消光系数，μ
hb
(λ)为去氧血红蛋白对波长λ光的摩尔消光系数，b为含氧血红蛋白的浓度，c为去氧血红蛋白浓度；
[0033]
血氧饱和度可以表示为:
[0034]
对于led1(波长λ1)产生的图像f1：
[0035][0036]
对于led2(波长λ2)产生的图像f2：
[0037][0038]
其中μ
hb
(λ1)，μ
hb
(λ2)为常数，am(λ1)，am(λ2)可通过公式 (1)直接求解，联立(3)和(4)方程，即可求解得到b和c的值，进而求得血氧饱和度为：
[0039]
由于以上技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有如下优点：
[0040]
本发明一方面无需外加光源前提下，结合环形偏振片和圆形偏片对光波处理，配合不同位置的发光二极管交替通电点亮，能够准确获得构建每一帧血氧饱和度分布图所需要的每帧图像，具有最佳的探测适用范围和准确度；另一方面通过每次发光二极管发光后所采用的每帧图像构建出一帧血氧饱和度分布图，再由每一帧血氧饱和度分布图构建出血氧饱和度随时间变化的视频，从而在无创伤前提下对微血管血氧饱和度的实时监测，此外，结构简单，实施方便，且成本低。
附图说明
[0041]
图1为本发明的无创微血管血氧饱和度实时监测装置的主视示意图；
[0042]
其中：1、监控主机；
[0043]
2、血氧饱和度检测探头；20、壳体；201、第一筒体；202、第二筒体；20a、视窗口；20b、信号传输接口；21、镜头；22、偏振片组件；220、环形偏振片；221、圆形偏振片；23、图像传感器；24、发光二极管(led)；25、发光二极管。
具体实施方式
[0044]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图与具体实施方式对本发明做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0045]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0046]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0047]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0048]
在发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0049]
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
[0050]
如图1所示，按照本实施例的无创微血管血氧饱和度实时监测装置，其包括监控主机1、与监控主机1有线或/和无线连通的血氧饱和度检测探头2。
[0051]
具体的，血氧饱和度检测探头2包括具有视窗口20a和信号传输接口20b 的壳体20、具有前后端部的镜头21、偏振片组件22、位于镜头21后端部的图像传感器23、及位于镜头21前端部和视窗口20a之间且与监测主机1电路并联连通的多个发光二极管24。
[0052]
壳体20包括沿着镜头21长度方向(或者前后方向)延伸的第一筒体201、位于第一筒体201前端部的第二筒体202，其中第一筒体201呈直筒状，第二筒体2自后向前筒径逐步变小。
[0053]
本例中，信号传输接口20b位于第一筒体201的后端，且通过信号传输线与监控主机1相连通。
[0054]
第二筒体2呈锥台状，且第二筒体2的前端部形成视窗口20a。两个筒体构成手持笔的造型，方便用户自己实施操控。
[0055]
镜头21为常规摄影或摄像产品，可直接外购，属于常规产品。
[0056]
本例中，镜头21位于第一筒体201内。
[0057]
偏振片组件22包括偏振方向正交的环形偏振片220和圆形偏振片221，其中环形偏振片220位于视窗口20a和镜头21前端部之间，圆形偏振片221位于镜头21后端部和图像传感器23之间。
[0058]
圆形偏振片221位于第一筒体201内，环形偏振片220位于第二筒体202 内。
[0059]
图像传感器23位于第一筒体201内的后端，且通过信号传输接口20b与监控主机1连通。
[0060]
发光二极管24有两个，且绕着环形偏振片220的周向均匀分布。
[0061]
两个发光二极管24能够逐个交替的通电点亮，且发光二极管24位于镜头 21前端部与环形偏振片220之间。
[0062]
本例中，发光二极管24位于第一筒体201和第二筒体202的连接处，且靠近环形偏振片220设置。使得所发射的光能够沿着第二筒体202内部射出，从而形成自视窗口20a所射出光波的最大探测区域。
[0063]
具体的，发光二极管24位于环形偏振片220的正上方，且位于环形偏振片 220所形成偏振区域内。
[0064]
视窗口20a、环形偏振片220、镜头21、圆形偏振片221、及图像传感器23 的中心对齐设置，其中环形偏振片220、镜头21、圆形偏振片221、及图像传感器23相间隔的分布在壳体1内。这样的布局能够更精准的获取每次发光二极管发光后所采用的每帧图像，再由每帧图像重建出一帧血氧饱和度分布图，同时由每帧血氧饱和度分布图重建出一系列血氧饱和度分布图，进而可构建出血氧饱和度随时间变化的视频，实现高精度的实时监测。
[0065]
环形偏振片220至镜头21前端部的距离为d1，圆形偏振片221至镜头21 后端部的距离为d2，其中d1＞d2，这样所形成的偏振效果才能精确获取每帧图像。
[0066]
环形偏振片220至视窗口2a前端的距离为d1，环形偏振片220至镜头21 前端部的距离为d4，其中d1＜d4。满足照射和探测区域大小要求，从而探测适用范围和准确度。
[0067]
环形偏振片220的内径为r1，镜头21前端部的外径为r2，视窗口20a的内径为r3，其中r1＞r3＞r2。便于获取含氧血红蛋白和去氧血红蛋白分别对入射光的光波吸收后所形成的每帧图像，且便于经过环形偏振片光波更广范围的自视窗口20a射出。
[0068]
圆形偏振片221的外径为r3,镜头21后端部的外径为r4，其中r3＞r4。这样一来，有利于图像传感器23获取图像。
[0069]
本例中，r2＝r4。
[0070]
图像传感器23至镜头21后端部的距离为d5，镜头21前端部至视窗口2a 前端部的距离为d6，其中d5＝d6。最佳地实现图像精准获取。
[0071]
信号传输接口20b位于第一筒体201的后端部并与图像传感器23连通。方便将图像信号传输至监控主机1。
[0072]
此外，上述的无创微血管血氧饱和度实时监测装置还包括设置在视窗口20a 前端部的隔离玻璃片25。避免接触皮肤时造成皮肤损伤或皮肤褶皱，使得在相对舒适且无创伤
前提下，实时且精准获取微血管血氧饱和度。
[0073]
综上，本实施例的实施过程如下：
[0074]
由监控主机1发送控制指令，使得两个发光二极管24交替点亮，其中每个发光二极管24点亮时，环形偏振片220、镜头21、圆形偏振片221三者配合，使得图像传感器23采集一帧图像f1，点亮另一个发光二极管24后，图像传感器23采集一帧图像f2，这样一来，随着两个发光二极管24交替点亮，分别采集图像f3,f4,
…
fn，然后，由f1和f2构建出一帧血氧饱和度分布图s1，由f3和f4构建出一帧血氧饱和度分布图s2，依此类推，可重建出一系列血氧饱和度分布图:s1,s2,
…
,sn，进而可构建出血氧饱和度随时间变化的视频，实现血氧饱和度的实时检测。
[0075]
具体的，优选每秒48帧以上的图像传感器23，可实现每秒产生24张血氧饱和度分布图。
[0076]
同时，发光二极管分别led1和led2，其中led1和led2的发光波长分别为λ1和λ2，在图像传感器中获取的反射图像中，选取血管上的点m和距离血管较远的点n，n点选取图像上无光学吸收的点，作为参考点，对于波长为λ的入射光，m点的吸收可以为：
[0077]
由于图像中的光学吸收主要为血红蛋白的吸收，根据朗伯比尔定律，m点的吸收可表示为：
[0078][0079]
其中，为含氧血红蛋白对于波长λ光的摩尔消光系数，μ
hb
(λ)为去氧血红蛋白对波长λ光的摩尔消光系数，b为含氧血红蛋白的浓度，c为去氧血红蛋白浓度；
[0080]
血氧饱和度可以表示为:
[0081]
对于led1(波长λ1)产生的图像f1：
[0082][0083]
对于led2(波长λ2)产生的图像f2：
[0084][0085]
其中μ
hb
(λ1)
[0086]
，μ
hb
(λ2)为常数，am(λ1)，am(λ2)可通过公式 (1)直接求解，联立(3)和(4)方程，即可求解得到b和c的值，进而求得血氧饱和度为：
[0087]
综上，本实施例具有以下优势：
[0088]
1、无需外加光源前提下，结合环形偏振片和圆形偏片对光波处理，配合不同位置的发光二极管交替通电点亮，能够准确获得构建每一帧血氧饱和度分布图所需要的每帧图像，具有最佳的探测适用范围和准确度；
[0089]
2、通过每次发光二极管发光后所采用的每帧图像构建出一帧血氧饱和度分布图，
再由每一帧血氧饱和度分布图构建出血氧饱和度随时间变化的视频，从而在无创伤前提下对微血管血氧饱和度的实时监测；
[0090]
3、结构布局紧凑，而且血氧饱和度检测探头呈手持笔状，方便用户操作，同时操作简单，确保监测中无创；
[0091]
4、根据朗伯比尔定律，能够求得血氧饱和度的具体数值，以满足临床或居家使用需要。
[0092]
以上对本发明做了详尽的描述，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。