1 引 言
随着航空、航天、航海事业的迅速发展,运动病的医治越来越引起国内外学者的关注。目前人们认为快速而有效治疗运动病的办法是使用抗眩晕药物。人体在眩晕状态下,通常会伴随有前庭、耳涡以及大脑局部血液动力学参数的变化,因此对眩晕状态下的内耳血液微循环状态的检测是一项重要的判断依据[1-3]。
血液微循环参数的检测普遍使用的方法有:(1)基于多普勒技术的超声多普勒和激光多普勒血流量检测;(2)基于红外光谱技术的血氧饱和度检测等。目前国内用于临床的血液参数检测仪在临床和研究中存在诸多不足,如有些体积庞大,需高压供电;有些需要有创伤性检测;另外,由于大多需要从国外进口,因此成本较高。
随着电子技术、激光技术和计算机技术的飞速发展,研究无创伤、集成化的生物医学传感器已成为研究热点[4]。由于近红外光谱(NIRS)技术可以对生物组织中的生色团,如含氧血红蛋白(HbO2)、去氧血红蛋白(Hb)等进行快速、无损伤的检测,从而可以用近红外血氧监测仪及相应的信号处理软件对HbO2、Hb浓度变化进行实时监测、处理。我们知道,一般情况下血红蛋白在血液中的浓度有较为固定的比例值,通过对血红蛋白量上的测定,可以实现对组织血流量的线性表征,该项技术已经在医学诸多领域得到了广泛应用[5]。本系统是在血红蛋白测定基础之上设计的一种利用近红外光谱测试技术测量微循环血液动力学参数的光纤传感器信号处理系统,可以实现连续无创伤的血液数据检测。
2 基本原理
近红外光谱仪(Near Infrared Spectroscopy ,NIRS)是近年来应用日益广泛的生物组织无创检测技术。NIRS的测定原理是利用波长为600~1 100 nm的可吸收光线,观察耳部组织中氧合血红蛋白(HbO2)、脱氧血红蛋白(Hb)、总血红蛋白(tHb)的变化。近红外光进入组织后,影响吸收率的主要成分是血液中的血红蛋白,由于组织中血液成分的影响,光发生折射和散射。当组织的氧合代谢发生变化时,相应的吸收光谱也会发生变化,根据相应的关系式即可求出血氧饱和度和血流量及其变化的数值。
2.1 光纤波长选择
HbO2和Hb的吸光系数随波长的变化曲线见图1。显然在红光谱区(600~700 nm)及红外光谱区(900~1 000 nm)HbO2和Hb的吸光系数差别很大,因此目前血氧传感器光谱选择多在上述区域。由于Hb和HbO2对不同波长光线吸收率不同,因此可采用双波长的方法求出Hb与HbO2的值。文献[6-8]提出了三种思路。第一种考虑方向在760 nm和850 nm,认为Hb在760nm有个波峰,二者吸收率差别很大,在850 nm二者也有差别,因此采用760 nm和850 nm作为双光源的波长。第二种思路认为二者在660 nm和940 nm差别很大,因此应该采用660 nm和940nm作为双光源。通过比较,显然660 nm吸收率差别要>760 nm,因此可作为第一光源;第二个光源选择940 nm和850 nm也不合适,因为在850 nm,二者吸收率差别非常小,在噪声较大的情况下信号很容易被淹没;940 nm选择也不容易实现,因为这时虽然吸收率的差别较大,但是水的吸收率在此处开始上升,因此会极大地干扰对Hb和HbO2的测量。第三种思路选择了660 nm作为第一光源,810 nm作为第二光源。第三种思路在810 nm时,Hb和HbO2的吸收率在此波长相同,从而根据这两种波长的数据换算,可以比较容易获得HbO2和tHb值,并最终求出组织血流量的变化。
2.2 测量原理
对眩晕状态的分析,需要测量内耳组织血流量及含氧血红蛋白发生的变化。对于近红外光,生物组织表现为高散射低吸收特征[9],传感器设计上采用小型化、反射型半导体近红外激光结构[10-12]。在工程上可以用红光和红外光吸光度相对变化测量值之比(R/IR值)与血氧饱和度(SO2)之间的关系,采用近似的方法建立数学模型。朗伯-比尔定律是:
由此可以得到如下公式:光电探测器接收到的光密度w(λ)计算如下:
εOxy和εdOxy分别为HbO2,Hb的吸收系数;cOxy和cdOxy分别为HbO2,Hb的浓度; d为光在组织中的光程长;μ(λ)是其他物质吸收及散射引起的衰减。这样由(2)式可以得到波长在660 nm及810 nm时的光密度:
由于εOxy(810)=εdOxy(810),可用εOxy(810)=εdOxy(810)=ε(810)表示,因此式(4)可变为
由式(5)可得血红蛋白(Ht)浓度为:
式(3)和式(5)联立可得
式(6)和式(7)联立可得血氧饱和度(SO2)
在工程实际应用中,可对公式进行了简化处理。由于660 nm和810 nm波长对HbO2及Hb的吸收系数据有较强的敏感性,对于其它物质可认为吸收系数是相对变化量较小的,因此可设μ(λ)=μc为常量。
2.3 血流量变化及血氧饱和度的变化
眩晕状态的耳部组织血液微循环参数会产生较大的变化。在研究中考虑了两种血液参数变化,第一种是血流量的变化,第二种是血氧量的变化,因此在测试中主要进行了两种变化数据的求解:
(1)810 nm的接收信号发生变化
当血红蛋白压积一定时,tHb的变化可以代表血流量变化[13-15]。本研究测定的为耳部组织,所以代表耳部血流量的变化。NIRS主要测定照射部位与接收部位之间的组织血红蛋白量。因为当其发生变化时,在血液中的浓度短时间不会有改变,可直观反映出组织动态血流量变化。血流量变化公式如下:
(2)810 nm的接收信号不变,660 nm的接收信号变化
当出现这种情况时,可认为生物组织血流量保持不变,其HbO2发生了变化,因此可由血氧饱和度的变化量进行反映,其公式如下:
3 系统设计
设计的传感器采用双激光光源单探测器结构,光源采用半导体激光发生器,接收器件采用PIN光电二极管。如图2所示,单片机控制驱动电路产生驱动信号。该信号具有交替激发光源发光和分别控制放大电路工作开关的作用,交替变化时间为0. 1 s。光源交替发出810 nm和660 nm的光线,光探测器接收到由生物组织反射出的光强,将光强转变为电流信号并经放大电路分别放大后,由AD转换电路将信号转化为数字信号,以一定的格式按RS-232标准,经过串行口1或2传送至计算机中,再由实时处理软件进行处理。
3.1 信号分析
3.1.1 吸收度的计算
光电二极管在光通量Φ(t)下,产生的光生电流
iN(t)=Φ(t)·s , (13)
式中:s为光电二极管的接收面积。电流与光通量成正比。
由式(13)可得
因为辐射功率和辐射通量在此可以混用[13],将式(14)代入式(1)可得
式中:iN(0)是在无物质遮挡情况下,由光源发出的光直接被光电二极管接收后产生的光电流。
3.1.2 电路信号的转换
光探测器输出的电流信号经过前置放大后转化为电压信号V(t)
V(t)=iN(t)Rf, (16)
式中:iN(t)为光探测器输出电流;Rf为前置放大等效反馈电阻。系统中前置放大后的输出电压以直流信号为主。对电压信号进行处理后送入计算机分析。
3.2 软件设计
如图3所示,本软件是眩晕测试系统软件的一个子部分,包括传感器数据到PC机的接口软件及PC机上的数据处理功能软件两部分。系统利用VC6.0的强大功能开发设计了PC机与血液动力学参数检测仪的接口软件和基于PC机的数据分析软件,具有数据通讯、智能分析、存储、显示和打印结果报告等功能。
3.2.1 接口程序的设计
本系统接口程序的设计是利用VC6.0中提供的通讯控件编写出所需要的串行通信程序。该控件可以由用户选定进行传输的通信端口,并设定这个端口的相关参数,包括比特率、数据位、停止位、奇偶校验和流量控制,以及设定显示曲线的颜色、系统运行时间等。
3.2.2 数据分析部分
(1)对采集过来的数据进行噪声剔除,获得有用信号。本系统采用了一种基于小波变换的方法,对所得信号进行五层小波分解、阈值变换、消噪以及信号重构的处理方法获得清晰的信号;
(2)对数据进行统计、分析,并结合系统中的眼震图形判断是否进入眩晕状态;
(3)对数据进行存储、打印。
4 结 论
本文阐述了用近红外光学方法测量组织血氧饱和度及血流量变化的基本原理,并介绍了一种用于血流量变化测量的双波长探测系统,该系统由计算机控制,具有实时连续测量和数据处理与显示等特点。这种双波长光学方法能较好地反映组织血液微循环参数的变化,因而可为生物体眩晕的判断给出较为系统的理论依据。实验表明,在20%~100%血氧饱和度范围内,测量精度为3%。该方法具有无损伤、小型化、仪器便携、实时连续等优点,因而具有较高的实用价值。
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作者简介:姚钦(1971-),男,成都人,工程师,博士研究生,研究方向为机电控制及自动化,信号检测,图像处理,数据融合等。E-mail:yaoqsunxm@163.com;
史仪凯(1952-),男,陕西人,教授,博士生导师,研究方向为电工电子技术,机电控制及自动化,机械电子工程等。
