可穿戴式动物心血管测量系统技术方案

本发明专利技术涉及一种可穿戴式动物心血管测量系统，包括：光声测量系统，对动物进行光声测量，基于光声测量信号确定动物的血氧饱和度；心电测量系统，获得动物心电图信号；信号处理系统，对血氧饱和度信号以及心电图信号进行综合分析，确定动物的心血管功能状况；信号输出系统，输出动物的心血管功能状况。本发明专利技术的系统可以使动物在清醒且自由活动的状态下同时进行光声和心电测量的系统，提高操作的便利性、重复性，减小动物感染，同时可以进行长期的试验观察。

Wearable animal cardiovascular measurement system

The invention relates to a wearable animal cardiovascular measurement system, which includes: photoacoustic measurement system, photoacoustic measurement of animals, determination of animal blood oxygen saturation based on photoacoustic measurement signal; electrocardiographic measurement system, acquisition of animal ECG signal; signal processing system, comprehensive analysis of blood oxygen saturation signal and ECG signal, determination of animal cardiovascular function Condition; signal output system, output the cardiovascular function of animals. The system of the invention can make the animal carry out photoacoustic and electrocardiographic measurement system at the same time in the state of sober and free movement, improve the convenience and repeatability of operation, reduce the animal infection, and carry out long-term experimental observation at the same time.

【技术实现步骤摘要】
可穿戴式动物心血管测量系统
本专利技术涉及医学设备领域，尤其涉及一种可穿戴式动物心血管测量系统。
技术介绍
光声成像兼具声学成像和光学成像两者的优点,因而成为近十年来发展最迅速的生物医学成像技术之一。光声成像是一种通过检测光声效应产生的声学信号,从而获取样品的光学吸收特性,并构建样品的二维断层图像或者三维立体图像的一种新颖的复合成像方法。光声成像在测量密度、弹性参量等方面，可以比超声成像具有更高的对比度，也能够灵敏地反映生物体的生理结构并提供生物体的功能信息。光声成像也兼具了声学成像成像深度大、深层组织成像分辨率高的优势,光声成像的空间分辨率可达到成像深度的1/200，同时光声成像对生物组织更加安全。由于光声成像的优点，光声成像可以对小动物活体进行心血管疾病(血管生成/生长、心肌炎、血栓、心梗等)的研究，同时可以输出血红蛋白浓度和血氧饱和度的定量数据等。现有的对动物，比如小鼠等进行光声成像，是将小鼠至于体积庞大的成像系统下方，同时为了保证成像时，不发生由于小鼠的移动而影响效果，通过将小鼠进行药物麻醉后再固定于成像探头下方，对小鼠进行麻醉后，小鼠处于非清醒状态，小鼠的心血管、脑部等都受到麻醉剂影响而不利于正常观察小鼠的正常活动；由于处于麻醉状态，小鼠无法移动，除了进行光声检测外，不能进行其他与活动相关(比如足迹、蹦跳等)的检测。监测动物的心电，比如监测大鼠的心电，由于大鼠的心电、血压、血管阻力对药物反应敏感，适合于筛选新药和研究心血管药理等，而且可以动物可以制成各种肿瘤模型等，通过研究动物的生理参数对于进行肿瘤、药物学研究具有重要意义。现有的进行动物心电监测的手段一般是通过植入心电电极，或者采用夹子等将电极夹在动物四肢，而且一般是将动物麻醉后进行心电监测。植入式电极对动物会造成创伤，除了引起动物的疼痛外，还会造成感染；而采用将电极夹在四肢时，动物的活动会受到限制，而且动物不像人体，人体在采用夹子式的心电导联时，可以通过深呼吸等方式冷静，从而准确测量心电，动物被植入电极或夹上电极后，会由于疼痛而出现紧张、狂躁等，使测量的心电数据不准确。国内已经有一些研究开始研究使小鼠保持清醒且在可自由活动的条件下进行的光声成像系统，如CN104545814A公开的动物头戴式光声成像装置，虽然可以使小鼠在清醒自由状态移动，但是成像探头是缝合至动物的头部，其缝合探头的过程对小鼠而言是具有创伤的，而且会造成感染，极不人道；CN103976709A公开了一种可穿戴式阵列换能器探头，其采用碗状外壳布置换能器，但是该碗状外壳只能进行头部的光声测量，不能进行其他尾部的测量。而且这些装置不能进行心电测量，当需要了解动物的心脏功能状态时，受到限制。目前没有使动物在保持清醒状态且可自由活动的条件下同时进行动物的光声成像和心电测量，同时该不受测量部位限制的系统。再者，目前并没有综合的利用血氧饱和度以及心电信号便携式的对动物进行心血管功能评价的系统。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种使动物在清醒且自由活动的状态下同确定动物的心血管功能的系统，提高操作的便利性，以及测量的重复性，减小动物感染，以便减小试验动物的使用量，同时可以进行长期的试验观察。基于上述目的，本专利技术的可穿戴式动物心血管测量系统，包括：光声测量系统，对动物进行光声测量，基于光声测量信号确定动物的血氧饱和度；心电测量系统，测量动物的心电信号，获得心电图信号；信号处理系统，对血氧饱和度信号以及心电图信号进行综合分析，确定动物的心血管功能状况；信号输出系统，输出动物的心血管功能状况；其特征在于，所述的光声测量系统包括光源系统和光声探测器系统，所述的光源系统采用可调谐脉冲激光器，可发出红光和红外光，所述的光声探测器系统采用可穿戴式超声换能器阵列系统，所述的心电测量系统采用可穿戴式心电测量电极进行测量；所述的可穿戴式超声换能器阵列系统，包括柔性基底、柔性基底承载的超声换能器阵列，以及从柔性基底向两侧延伸的可调节带部，柔性基底可以弯折，超声换能器阵列采用曲面状超声换能器阵列，柔性基底和超声换能器组成的光声探测器系统符合待测量动物部位的曲线；向两侧延伸的带结合后将光声探测器系统固定于动物体，该带可为一体制造的具有弹性的带，或者可以在结合部位结合的带，而结合部位可以为进行长度调节的魔术粘或者带扣部。优选地，所述的可穿戴式心电测量系统，为从所述柔性基底延伸的可调节长度的柔软的带，在带的末端具有固定心电电极的固定环，固定环包括可变长度部和固定长度部，心电电极设置在固定长度部；在使用时，使受试动物的肢体部或耳部穿过固定环后，由于可变长度部的弹性，使固定环收缩，而使心电电极与所述受试动物的肢体部或耳部牢固接触，从而进行心电测量。所述测量血氧饱和度的具体过程为：使脉冲激光器分时发出λ1＝680nm以及波长的光，以及λ2＝880nm波长的光，由超声换能器分别采集小鼠组织信号，然后进行如下计算：计算组织的吸光度A：其中，R为组织的绝对反射系数，Ir表示组织的反射光强度，I0表示照射到组织的入射光强度，根据朗伯-比尔定律，待测成分的浓度和反射性之间的关系可以进一步表示为：其中C代表组织发光团的浓度，a为组织的比例常数，取决于组织。若光源发射的入射光波长为λ1和λ2，则在两种波长下的吸光度可以表示为：求解上述方程，可以得到氧合血红蛋白的浓度值C(O2Hb)和脱氧血红蛋白的浓度值C(HHb)，具体如下：其中为在波长为λ1时组织的吸光度；为在波长为λ2时组织的吸吸光度；L为波长发射器与波长探测器之间的距离；和分别表示波长为λ1时血红蛋白和脱氧血红蛋白的散射系数；和分别表示波长为λ2时血红蛋白和脱氧血红蛋白的散射系数；血氧饱和度SPO2定义为氧合血红蛋白的浓度与总的血红蛋白浓度(氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度之和)之间的比值，具体表示为：用百分比来表示组织的血氧饱和度值，进一步表示为：通过本专利技术的系统，可以达到如下效果：(1)本专利技术设计的光声探测器系统，可以无创测量任意部位的光声信号，不仅仅局限于脑部，而且不管是哪个测量部位，光声探测器系统都可以和被测动物的部位可靠接触；(2)本专利技术的心电测量系统，可以无创测量动物任意部位的心电信号，并且心电电极可以与被测部位牢固接触，提高心电测量的稳定性；(3)本专利技术的心电测量系统，采用环形，包括固定长度部和可变长度部，心电心电测量电极设置在固定长度部，既可以使环形结构与被测部位牢固接触，又不改变心电电极的形状；(4)本专利技术的脉冲激光器，可以发射两种波长的光，可以用于测量血氧饱和度；(5)本专利技术的系统，由于是在清醒、自由状态下进行监测，可以长时间进行监测，用于长期药品研究实验或者生活习性等研究；(6)本专利技术的系统，可以无创测量小鼠的心血管功能，为小鼠心血管功能的评价提供了新的替代手段。附图说明<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可穿戴式动物心血管测量系统，包括：/n光声测量系统，对动物进行光声测量，基于光声测量信号确定动物的血氧饱和度；/n心电测量系统，测量动物的心电信号，获得心电图信号；/n信号处理系统，对血氧饱和度信号以及心电图信号进行综合分析，确定动物的心血管功能状况；/n信号输出系统，输出动物的心血管功能状况；/n其特征在于，所述的光声测量系统包括光源系统和光声探测器系统，所述的光源系统采用可调谐脉冲激光器，可发出红光和红外光，所述的光声探测器系统采用可穿戴式超声换能器阵列系统，所述的心电测量系统采用可穿戴式心电测量电极进行测量；/n所述的可穿戴式超声换能器阵列系统，包括柔性基底、柔性基底承载的超声换能器阵列，以及从柔性基底向两侧延伸的可调节带部，柔性基底可以弯折，超声换能器阵列采用曲面状超声换能器阵列，柔性基底和超声换能器组成的光声探测器系统符合待测量动物部位的曲线；向两侧延伸的带结合后将光声探测器系统固定于动物体，该带可为一体制造的具有弹性的带，或者可以在结合部位结合的带，而结合部位可以为进行长度调节的魔术粘或者带扣部。/n

【技术特征摘要】
1.一种可穿戴式动物心血管测量系统，包括：
光声测量系统，对动物进行光声测量，基于光声测量信号确定动物的血氧饱和度；
心电测量系统，测量动物的心电信号，获得心电图信号；
信号处理系统，对血氧饱和度信号以及心电图信号进行综合分析，确定动物的心血管功能状况；
信号输出系统，输出动物的心血管功能状况；
其特征在于，所述的光声测量系统包括光源系统和光声探测器系统，所述的光源系统采用可调谐脉冲激光器，可发出红光和红外光，所述的光声探测器系统采用可穿戴式超声换能器阵列系统，所述的心电测量系统采用可穿戴式心电测量电极进行测量；
所述的可穿戴式超声换能器阵列系统，包括柔性基底、柔性基底承载的超声换能器阵列，以及从柔性基底向两侧延伸的可调节带部，柔性基底可以弯折，超声换能器阵列采用曲面状超声换能器阵列，柔性基底和超声换能器组成的光声探测器系统符合待测量动物部位的曲线；向两侧延伸的带结合后将光声探测器系统固定于动物体，该带可为一体制造的具有弹性的带，或者可以在结合部位结合的带，而结合部位可以为进行长度调节的魔术粘或者带扣部。


2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的可穿戴式心电测量系统，为从所述柔性基底延伸的可调节长度的柔软的带，在带的末端具有固定心电电极的固定环，固定环包括可变长度部和固定长度部，心电电极设置在固定长度部；在使用时，使受试动物的肢体部或耳部穿过固定环后，由于可变长度部的弹性，使固定环收缩，而使心电电极与所述受试动物的肢体部或耳部牢固接触，从而进行心电测量。


3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述的脉冲激光器可以发出红光和红外光这两种波长的光，从而该光声测量系统可以测量受试动物的血氧饱和度，所述测量血氧饱和度的具体过程为：
使脉冲激光器分时发出λ1＝680nm以及波长的光，以及λ2＝880nm波长的光，由超声换能器分别采集小鼠组织信号，然后进行如下计算：
计算组织的吸光度A：

【专利技术属性】
技术研发人员：李凯述，
申请(专利权)人：李凯述，
类型：发明
国别省市：山东;37