一种脑血氧无创监测方法及监测装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种脑血氧无创监测方法及监测装置，本发明专利技术利用氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白对近红外光的吸收度的不同，开发了一种对人体脑部局部组织血氧饱和度的无创监测方法，该方法不会对人体造成伤害，且通过连续脑血氧值预测模型可以实现脑血氧值的连续实时监测，考虑了黑色素的影响以及加入了修正因子，分别检测到表层干扰信号与深层有用信号，采集到的信号内容更加丰富，方便处理得到信噪比高的脑血氧信号，进而求取去除人体头部组织干扰信号的脑前额叶区局部血氧饱和度监测值，使得脑血氧连续监测稳定性更好、监测精度更高。本发明专利技术对脑血氧无创监测提供了新的解决方案，更有利于推进脑血氧无创监测的临床应用。

【技术实现步骤摘要】
一种脑血氧无创监测方法及监测装置
本专利技术涉及生物医学信号采集和处理
，具体涉及一种脑血氧无创监测方法及监测装置。
技术介绍
氧是维持人体新陈代谢的重要物质。人体组织缺氧是导致某些疾病的重要原因，甚至可能产生严重后果，直接危及生命。人体组织的血氧饱和度是反映组织氧供应的重要参数，有着极重要的临床价值。脑组织新陈代谢率高，耗氧量占全身耗氧量的20％，而且对缺氧特别敏感，短时间缺氧就有可能造成中枢系统不可恢复的损伤。在深低温停循环的心血管手术中、神经外科的血管内手术中、脑意外的急救中、危重病人抢救时、心脏骤停后大脑复苏的治疗等情况下，一个重要问题就是脑保护。为避免缺氧或缺血导致病人出现严重紊乱，降低手术并发症的发生，需连续监测脑血氧含量，密切关注脑供氧和脑代谢的状况，及时优化传输到脑的氧量，以防对大脑的损伤。常规临床方法获得脑氧供应情况的方法主要有脑电图测量、体感诱发电位测量、颈静脉血氧饱和度测量、经颅多普勒测量脑中小动脉血流速度。但是这些方法都存在一些不可克服的问题。它们有的是有创的或是操作特别复杂，并且所得结果解释困难，最重要的是由于存在过多的假阴性和假阳性结果而使这些方法显得不可靠。核磁共振(NMR)和正电子断层扫描(PET)能可靠的反映脑氧供应状况，但它们不能实现手术中实时监测且设备昂贵。近红外光谱法监测脑氧供应情况为近年来发展起来的一种极有前途的技术，它为临床提供了一种便携、实时、连续、操作简单、相对廉价的无创伤测量方法，可广泛用于脑氧监测的各种场合，获得易于临床解释的脑血氧饱和度值。近红外光谱法测量血氧饱和度以朗伯—比尔定律(TheLambert-BeerLaw)和光散射理论为基础，利用还原血红蛋白和氧合血红蛋白的光吸收系数的差别来进行。朗伯—比尔定律是：其中，A为吸光度，I为入射光强，Io为出射光强，μa为介质的吸收系数，d为光穿过介质的路径，ε为分子消光系数，c为介质的浓度。在生物组织光谱学中，常用光密度(OpticalDensity，OD)来描述光在生物组织中传播时的能量损失，通常把光密度的变化量当作研究对象。吸光度的定义为：如果路径d为常数，则光密度OD与物质浓度c成正比。在红光谱区(622nm～760nm)，HbO2与HbR的吸收系数差距较大，波长越短，HbR对光的吸收能力越强。而当光波长逐渐增加，进入红外光谱区(780nm～1mm)后，这两者的吸收系数会出现交替领先的情况，其中805nm左右(通常为800nm～820nm)的区间为血红蛋白(氧合血红蛋白和还原血红蛋白)的等吸收点。由于在红光和红外光区里，氧合血红蛋白和还原血红蛋白有自己独特的吸收光谱，因此能决定每一种成分的相对百分含量，即血氧饱和度。上述频谱范围内的光对人体有很强的穿透能力，它能透过头皮、头骨和脑组织数厘米的深度。人脑中每100克组织含血红蛋白600～1000mg，因而人脑是极适合红外光谱测量血红蛋白和氧合血红蛋白的器官。大脑组织中动、静脉交错，静脉占75％，动脉占20％，毛细血管占5％，脑血氧饱和度实质是局部大脑血红蛋白混合氧饱和度，主要代表静脉部分。由于脑血氧饱和度主要测量的是静脉信号，因而能在低血压、脉搏搏动减弱甚至心脏停止跳动的情况下使用不受限制，可应用于脑氧供需情况监测的各种场合，而在这些场合下，目前临床广泛使用的脉搏血氧计作用受到限制。在脉搏血氧饱和度的测量方法中，一个重要概念是：当光通过血管组织时，透射光分为两部分：一部分是稳定的或称直流成分(DC)，主要反映各种组织属于非脉动部分(如肌肉、骨骼、色素、脂肪、静脉血等)的吸收情况，另一部分是脉动的或称交流部分(AC)，主要反映动脉血的吸收情况。由于探测的脉动波完全是由动脉血产生的，所以可以通过红光和红外光的传输变化推断出动脉血氧饱和度。脑血氧测量设备与脉博血氧计有着不同的测量目的和测量手段，测量条件也不相同。脉搏血氧计原理显示，只有在有动脉搏动的情况下，脉搏血氧计才能工作，因而脑血氧计有着其特殊的临床应用领域，是脉搏血氧计不能替代的。国外对于使用近红外光谱监测脑血氧的技术已有较多研究，相关技术较为成熟，并且已经有相应的产品在临床使用。现有技术中，主要是依据朗伯-比尔定律，利用脱氧血红蛋白与氧合血红蛋白对600-900nm不同波长光的吸收率差异性，从而获取氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白的含量，以此得到脑部区域的血氧数据。国外的脑血氧设备以日立公司的ETG4000-ETG7000系列系统、岛津公司的FOIRE3000系统、美国TechEn公司的CW5-CW6系列系统以及美国CAS系统等为代表，已在医院的麻醉科、神经外科、胸外科、监护室等科室获得了应用。国外的脑血氧设备，大多体积庞大、使用复杂，无论是对于仪器的操作，还是病患电极的佩戴，都有着相当高的要求，对于使用者有着相当高的专业知识的要求。同时仪器高昂的价格对于医院的采购也有着一定的限制，病患的诊疗费用也是水涨船高，大大限制了脑血氧监测设备的普及性。近年来，国外逐渐研发出小型便携式的脑血氧监测设备，但依旧存在价格昂贵，引入费用高等普遍问题。国内的脑血氧监测技术发展一直处于落后地位，但这几年也在奋起直追。清华大学、华中科技大学、南京航天航空大学等都有基于近红外光的脑局部血氧检测装置的研究论文发表。国内的医疗器械生产企业也开始关注脑血氧监测技术的研究。武汉一海数字工程有限公司于2009年推出了ES-5002，ES-5006双波长脑血氧监测仪；重庆名希医疗器械有限公司于2015年推出了MNIR-P100脑血氧无创监测仪；2019年中科搏锐基于NIRS原理，并结合中科院自动化所脑网络组研究中心在脑部结构与光学特性方面积累的技术，研发了无创、多通道、实时监测的便携式无创脑血氧监护仪和穿戴式无线脑血氧头带。但从国家药监局的网站上查询可知，总体上国内目前取得医疗器械产品注册证的脑血氧无创监测产品还非常少，只有重庆名希医疗器械有限公司和河北金康安医疗器械有限公司的脑血氧无创监测仪，而武汉一海数字工程有限公司的脑血氧产品注册证到期后尚未看到延续注册的信息。临床应用效果调查也表明目前国产脑血氧无创监测设备尚不完全符合临床应用需求。目前，国内在这一领域的研究中常见的脑血氧预测模型大多基于修正后的朗伯-比尔定律来构建，近年来也逐渐有研究人员利用稳态空间分辨光谱技术(SRS)来构建脑血氧预测模型。然而，大量文献表明，国内研究人员大多使用双波长光源用于检测脑血氧信号进而构建脑血氧预测模型，该类模型原理相对简单，但稳定性和预测精度上存在一定的不足，容易受人体头部组织环境因素的影响和干扰。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述不足，本专利技术要解决的技术问题是如何提供一种脑血氧无创监测装置及监测方法的解决新方案，以提高脑血氧无创监测的稳定性和准确性。为解决上述技术问题，本专利技术采用了如下的技术方案：一种脑血氧无创监测方法，以人体头部对应脑前额叶的区域作为脑血氧无创监测区，通过采集脑血氧无创监测区对红光的吸收情况作为对人体头部组织干扰信号的表征值，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种脑血氧无创监测方法，其特征在于，以人体头部对应脑前额叶的区域作为脑血氧无创监测区，通过采集脑血氧无创监测区对红光的吸收情况作为对人体头部组织干扰信号的表征值，通过采集脑血氧无创监测区对两种不同波长的红外光的吸收情况分别作为脑前额叶区局部氧合血红蛋白浓度、脑前额叶区局部还原血红蛋白浓度的表征值，进而分别求取去除人体头部组织干扰信号的脑前额叶区局部氧合血红蛋白浓度值和脑前额叶区局部还原血红蛋白浓度值，从而得到去除人体头部组织干扰信号的脑前额叶区局部血氧饱和度监测值，实现脑血氧无创监测。/n

【技术特征摘要】
1.一种脑血氧无创监测方法，其特征在于，以人体头部对应脑前额叶的区域作为脑血氧无创监测区，通过采集脑血氧无创监测区对红光的吸收情况作为对人体头部组织干扰信号的表征值，通过采集脑血氧无创监测区对两种不同波长的红外光的吸收情况分别作为脑前额叶区局部氧合血红蛋白浓度、脑前额叶区局部还原血红蛋白浓度的表征值，进而分别求取去除人体头部组织干扰信号的脑前额叶区局部氧合血红蛋白浓度值和脑前额叶区局部还原血红蛋白浓度值，从而得到去除人体头部组织干扰信号的脑前额叶区局部血氧饱和度监测值，实现脑血氧无创监测。


2.根据权利要求1所述的脑血氧无创监测方法，其特征在于，采集脑血氧无创监测区对红光吸收情况所用的红光源的发光波长为680nm～700nm，优选为700nm；
采集脑血氧无创监测区对两种不同波长的红外光的吸收情况所用的第一红外光源的发光波长为760nm～790nm、第二红外光源的发光波长为840nm～900nm；其中，760nm～790nm红外光的吸收情况用于表征脑前额叶区局部还原血红蛋白浓度，优选采用760nm红外光；840nm～900nm红外光的吸收情况用于表征脑前额叶区局部氧合血红蛋白浓度，优选采用850nm红外光；
每个脑血氧无创监测区均通过相间隔的两个光电探测器进行出射光强度检测，以所述两个光电探测器检测红光源照射脑血氧无创监测区反射出的红光的出射光强度差值作为对人体头部组织干扰信号的表征值，以所述两个光电探测器检测所述两种不同波长的红外光源照射脑血氧无创监测区反射出的红外光的出射光强度差值分别作为脑前额叶区局部氧合血红蛋白浓度、脑前额叶区局部还原血红蛋白浓度的表征值。


3.根据权利要求2所述的脑血氧无创监测方法，其特征在于，脑前额叶区局部血氧饱和度监测值rSO2(P)按如下模型求得：



其中，K1为第一修正系数；为去除人体头部组织干扰信号的脑前额叶区局部还原血红蛋白浓度值，CHbR为去除人体头部组织干扰信号的脑前额叶区局部氧合血红蛋白浓度值，且有：






其中，ΔODred表示两个光电探测器检测红光源照射脑血氧无创监测区反射出的红光的出射光强度差值；ΔODinf1表示两个光电探测器检测第一红外光源的照射脑血氧无创监测区反射出的红外光的出射光强度差值；ΔODinf2表示两个光电探测器检测第二红外光源的照射脑血氧无创监测区反射出的红外光的出射光强度差值；分别表示脑部还原血红蛋白针对第一红外光源、第二红外光源的摩尔消光系数；分别表示脑部氧合血红蛋白针对第一红外光源、第二红外光源的摩尔消光系数。


4.根据权利要求2所述的脑血氧无创监测方法，其特征在于，还通过采集脑血氧无创监测区对血红蛋白等吸收点波长的红外光的吸收情况作为个体差异修正因子的表征值，用于在得到去除人体头部组织干扰信号的脑前额叶区局部血氧饱和度监测值的基础上，进一步进行个体差异修正，实现脑血氧无创监测；采集脑血氧无创监测区对血红蛋白等吸收点波长的红外光的吸收情况所用的第三红外光源的发光波长为800nm～820nm，优选为805nm；
个体差异修正的脑前额叶区局部血氧饱和度监测值rSO2(P)按如下模型求得：



其中，K1、K2分别为第一修正系数和第二修正系数；为去除人体头部组织干扰信号的脑前额叶区局部还原血红蛋白浓度值，CHbR为去除人体头部组织干扰信号的脑前额叶区局部氧合血红蛋白浓度值，CID为个体差异修正因子，且有：









其中，ΔODred表示两个光电探测器检测红光源照射脑血氧无创监测区反射出的红光的出射光强度差值；ΔODinf1表示两个光电探测器检测第一红外光源的照射脑血氧无创监测区反射出的红外光的出射光强度差值；ΔODinf2表示两个光电探测器检测第二红外光源的照射脑血氧无创监测区反射出的红外光的出射光强度差值；分别表示脑部还原血红蛋白针对第一红外光源、第二红外光源、第三红外光源的摩尔消光系数；分别表示脑部氧合血红蛋白针对第一红外光源、第二红外光源、第三红外光源的摩尔消光系数。


5.一种脑血氧无创监测装置，其特征在于，包括脑血氧信息采集子系统、采集控制子系统和监测计算处理子系统；
所述脑血氧信息采集子系统包括一组或两组用于采集脑血氧信息的脑血氧信息采集探头，以及用于对采集的脑血氧信息进行信号转换以及滤波放大预处理的信号预处理电路；每组脑血氧信息采集探头具有用于贴合在人体头部对应脑前额叶区域的贴合部，以及布置在所述贴合部上的发光波长为680nm～700nm的红光源、发光波长为760nm～790nm的第一红外光源、发光波长为840nm～900nm的第二红外光源、以及相间隔的两个光电探...

【专利技术属性】
技术研发人员：季忠，钟文韬，孙长龙，李思荟，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50