基于光学反射式原理的血红蛋白浓度无创测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于光学反射式原理的血红蛋白浓度无创测量方法，包括：设置光源和光电探测器；确定吸光度与深层组织内血红蛋白中的氧合血红蛋白浓度和还原血红蛋白浓度的关系；光源发出波长为λ1和λ2的近红外入射光，第一光电探测器和第三光电探测器分别获取经过人体皮肤组织反射后的吸光度；光源发出波长为λ1和λ2的近红外入射光，第二光电探测器和第四光电探测器分别获取到经过人体皮肤组织反射后的吸光度；引入修正系数ω

【技术实现步骤摘要】
基于光学反射式原理的血红蛋白浓度无创测量方法
本专利技术涉及医学测量
，尤其涉及一种基于光学反射式原理的血红蛋白浓度无创测量方法。
技术介绍
人体内含有大量的红细胞，能够将氧气输送到身体各处，其机能主要由红细胞中的血红蛋白(Hemoglobin)完成；血红蛋白作为红细胞内运输氧的蛋白质，能较好地反映血液流通状态，对人体的生命活动具有重要意义。目前，传统的血红蛋白检测方法是采用有创法对检测部位采血化验，这种方法能够实现精确的测量，但是会给患者带来疼痛，增加患者受感染的几率，同时有创法的检测成本较高，耗费时间较长，存在无法实时监测的弊端。此外，成熟的无创检测方法仅能获得血氧饱和度SpO2，较少涉及对血红蛋白浓度的实时监测，SpO2只是表示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，对血红蛋白浓度的快速、便捷、准确测量是十分必要的。在生物医学工程应用上，由于血红蛋白与血液中的其他物质相比具有更好的吸光能力，因此运用光学技术进行血红蛋白浓度测量成为目前的一个重要方向；体组织是强散射体，入射光会发生多次散射和衰减，本专利技术提供了一种检测血红蛋白浓度的多方位反射式无创测量方法，实现了血红蛋白浓度的无创测量，测量成本低，测量精确度高。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的不足和缺陷，提供一种基于光学反射式原理的血红蛋白浓度无创测量方法，实现了血红蛋白浓度的无创测量。为实现所述目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种基于光学反射式原理的血红蛋白浓度无创测量方法，包括以下步骤：步骤1：在人体皮肤组织外表层设置一个光源，所述光源分别发出波长为λ1和λ2的近红外入射光；在光源的两侧设置两组光电探测器；第一组所述光电探测器包括第一光电探测器和第二光电探测器，第二组所述光电探测器包括第三光电探测器和第四光电探测器；所述第一光电探测器和第二光电探测器到光源的距离为r1；所述第三光电探测器和第四光电探测器到光源的距离为r2；步骤2：得到光源发出的入射光经过人体皮肤组织反射后的吸光度A，确定吸光度A与深层组织内血红蛋白中的氧合血红蛋白HbO2浓度和还原血红蛋白Hb浓度的关系：其中，PDPF为差分路径因子，r为光电探测器与光源之间的距离，是氧合血红蛋白HbO2的吸光系数，εHb是还原血红蛋白Hb的吸光系数，是HbO2在深层组织中的浓度，cHb是Hb在深层组织中的浓度，G为由其他层组织引起的光衰减；步骤3：光源发出波长为λ1和λ2的近红外入射光，第一光电探测器和第三光电探测器分别获取经过人体皮肤组织反射后的吸光度；其中，和分别为第一光电探测器获取的波长为λ1和λ2近红外入射光经反射后的吸光度；和分别为第三光电探测器获取的波长为λ1和λ2近红外入射光经反射后的吸光度；和分别是氧合血红蛋白HbO2在波长为λ1和λ2的近红外入射光下的吸光系数，和分别为还原血红蛋白Hb在波长为λ1和λ2的近红外入射光下的的吸光系数；G1和G1＇分别为第一光电探测器探测的波长为λ1和λ2的近红外入射光在其他层组织引起的光衰减；G3和G3＇分别为第三光电探测器探测的波长为λ1和λ2的近红外入射光在其他层组织引起的光衰减；对公式(3.1)进行求解，其中，G1＝G3，G1＇＝G3＇，得到氧合血红蛋白HbO2浓度CHbO2′和还原血红蛋白Hb浓度CHb′：步骤4：光源发出波长为λ1和λ2的近红外入射光，第二光电探测器和第四光电探测器分别获取经过人体皮肤组织反射后的吸光度；对公式(4.1)进行求解，其中，G2＝G4，G2＇＝G4＇，得到氧合血红蛋白HbO2浓度和还原血红蛋白Hb浓度CHb″：步骤5：结合公式(3.2)和(4.2)中得出的氧合血红蛋白HbO2浓度和还原血红蛋白Hb浓度CHb′、CHb″，并引入修正系数ω1和ω2，最终得出在深层组织中氧合血红蛋白HbO2浓度和还原血红蛋白Hb浓度结果如下：步骤6：将步骤5中得出的深层组织中氧合血红蛋白HbO2浓度和还原血红蛋白Hb浓度相加，得到深层组织中血红蛋白浓度tHb：进一步地，所述r1和r2满足以下关系：0<(r1-r2)<10mm；相邻两个所述光电探测器与光源的连线形成的夹角均为直角；进一步地，所述步骤2具体包括：步骤2.1：确定入射光在皮肤组织中的传播公式为：其中，Iinc是入射光强，Iref是反射光强，εij是第i层组织中j物质的吸光系数，cij是第i层组织中j物质的浓度，li是经过第i层组织的光程；对上式作对数处理，得到：将上式(2.2)记为吸光度A；步骤2.2：初步得到吸光度A与深层组织中氧合血红蛋白HbO2浓度和还原血红蛋白Hb浓度的关系，如下：其中，D是光在深层组织中的光程；步骤2.3：入射光在深层组织中的光程D与光电探测器至光源之间的距离r满足以下线性关系：D＝PDPF·r(2.4)将公式(2.4)代入到公式(2.3)中，最终确定吸光度A分别与深层组织中氧合血红蛋白HbO2浓度和还原血红蛋白Hb的浓度的关系为：进一步地，所述差分路径因子PDPF由下式得到：PDPF＝3.9788d(2.6)其中，d为深层组织厚度，且0＜d＜8mm。进一步地，所述λ1为660nm，所述λ2为850nm。进一步地，所述修正系数ω1和ω2分别为：ω1＝0.51783922，ω2＝0.48216078。本专利技术的有益效果是：1.本专利技术采用光学反射式原理，将光电探测器与光源置于同一侧，与透射式结构相比，具有测量方式更加便捷、测量部位更加广泛、测量场景更加灵活和所设计的测量装置更加小巧轻便等优点；选用的光源发出两种波长的入射光和四个光电探测器，从四个方位获取反射光，综合考虑了四个方向的血液情况，并根据光源与血红蛋白浓度的关系，初步分别得出氧合血红蛋白HbO2和还原血红蛋白Hb浓度，测量参数更加细致，然后将二者浓度相加得到血红蛋白浓度，避免了其他物质的干扰，降低了测量结果产生误差的概率。2.本专利技术依据光学技术实现对血红蛋白浓度的无创测量能实现干净卫生地检测，能减少受测对象的疼痛感与心理负担，降低了采血部位感染的风险。3.本专利技术测量的时效性强，相比于有创法，利用光学技术实现对血红蛋白浓度的测量所花费的时间更短，可以在几分钟内实现连续测量，达到实时监测的效果。4.本专利技术测量结果精准；通过获取不同方位的测量数据并与有创法的真值进行比对，剔除异常数据，经过对有效数据的统计分析，引入修正系数，实现更加精准的测量。5.本专利技术测量结果可靠，适用广泛；依据本专利技术提供的血红蛋白浓度测量方法所设计的装置在临床上有很大的应用前景，例如可直接放在皮瓣移植手术部位上方，能直接读出受创部位的血红蛋白浓度，准确且充分反映皮瓣存活状态，为皮瓣移植术后监测提供了定量的衡量标准。附图说明图1是本专利技术基于光学反射式原理的血红蛋白浓度无创测量方法的流程示意图。图2是本专利技术光源及光电探测器在皮肤组织中的光程走向示意图。图3是本专利技术HbO2和Hb在波长为660nm和880nm入射光下的吸收系数曲线图。图4是本专利技术光电探测器与光源的位置示意图。图5是本专利技术实施例中男性志愿者的测量值和真值的相关性示意图。图6是本专利技术实施例中女性志愿者的测量值和真值的相关性示意图。图7是本专利技术实施例中一名女性志愿者血红蛋白浓度值随温度变化示意图。具体实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光学反射式原理的血红蛋白浓度无创测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：在人体皮肤组织外表层设置一个光源，所述光源分别发出波长为λ1和λ2的近红外入射光；在光源的两侧设置两组光电探测器；第一组所述光电探测器包括第一光电探测器和第二光电探测器，第二组所述光电探测器包括第三光电探测器和第四光电探测器；所述第一光电探测器和第二光电探测器到光源的距离为r1；所述第三光电探测器和第四光电探测器到光源的距离为r2；步骤2：得到光源发出的入射光经过人体皮肤组织反射后的吸光度A，确定吸光度A与深层组织内血红蛋白中的氧合血红蛋白HbO2浓度和还原血红蛋白Hb浓度的关系：

【技术特征摘要】
1.一种基于光学反射式原理的血红蛋白浓度无创测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：在人体皮肤组织外表层设置一个光源，所述光源分别发出波长为λ1和λ2的近红外入射光；在光源的两侧设置两组光电探测器；第一组所述光电探测器包括第一光电探测器和第二光电探测器，第二组所述光电探测器包括第三光电探测器和第四光电探测器；所述第一光电探测器和第二光电探测器到光源的距离为r1；所述第三光电探测器和第四光电探测器到光源的距离为r2；步骤2：得到光源发出的入射光经过人体皮肤组织反射后的吸光度A，确定吸光度A与深层组织内血红蛋白中的氧合血红蛋白HbO2浓度和还原血红蛋白Hb浓度的关系：其中，PDPF为差分路径因子，r为光电探测器与光源之间的距离，是氧合血红蛋白HbO2的吸光系数，εHb是还原血红蛋白Hb的吸光系数，是HbO2在深层组织中的浓度，cHb是Hb在深层组织中的浓度，G为由其他层组织引起的光衰减；步骤3：光源发出波长为λ1和λ2的近红外入射光，第一光电探测器和第三光电探测器分别获取经过人体皮肤组织反射后的吸光度；其中，和分别为第一光电探测器获取的波长为λ1和λ2近红外入射光经反射后的吸光度；和分别为第三光电探测器获取的波长为λ1和λ2近红外入射光经反射后的吸光度；和分别是氧合血红蛋白HbO2在波长为λ1和λ2的近红外入射光下的吸光系数，和分别为还原血红蛋白Hb在波长为λ1和λ2的近红外入射光下的的吸光系数；G1和G1＇分别为第一光电探测器探测的波长为λ1和λ2的近红外入射光在其他层组织引起的光衰减；G3和G3＇分别为第三光电探测器探测的波长为λ1和λ2的近红外入射光在其他层组织引起的光衰减；对公式(3.1)进行求解，其中，G1＝G3，G1＇＝G3＇，得到氧合血红蛋白HbO2浓度和还原血红蛋白Hb浓度CHb′：步骤4：光源发出波长为λ1和λ2的近红外入射光，第二光电探测器和第四光电探测器分别获取经过人体皮肤组织反射后的吸光度；对公式(4.1)进行求解，其中，G2＝G4，G2＇＝G4＇，得到氧合血红蛋白HbO2浓度和还原血红蛋白Hb浓度CHb″：步...

【专利技术属性】
技术研发人员：张锦龙，员琳，贺静，尤贺，韩笑笑，
申请(专利权)人：河南大学，
类型：发明
国别省市：河南,41