基于近紅外光譜的抗擾動(dòng)腦血氧分析儀

劉光達(dá)，曹澤元，周　葛，周曉宇，蔡　靖，查雨彤，千承輝

(吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130061)

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基于近紅外光譜的抗擾動(dòng)腦血氧分析儀

劉光達(dá)，曹澤元，周葛，周曉宇，蔡靖*，查雨彤，千承輝

(吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130061)

研究了一種近紅外光譜抗擾動(dòng)腦血氧分析儀，用于解決常規(guī)腦血氧測(cè)試方法檢測(cè)過(guò)程復(fù)雜、抗干擾措施繁瑣等問(wèn)題。分析與探討了影響腦血氧檢測(cè)精度的因素，選擇了合適的三波長(zhǎng)近紅外探測(cè)光源(735 nm/805 nm/850 nm)用于該系統(tǒng)。利用氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白在近紅外光波段的吸收特性，得到這兩種物質(zhì)的濃度變化量，推算出了影響血氧檢測(cè)精度的源端干擾表達(dá)式。同時(shí)，在檢測(cè)端同步檢測(cè)環(huán)境光，消除了漏光干擾。最后對(duì)上位機(jī)得到的原始數(shù)據(jù)與干擾數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)大腦前額葉腦血氧波動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。設(shè)計(jì)了屏氣實(shí)驗(yàn)以及源端干擾實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)了儀器實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性。結(jié)果表明：本文所設(shè)計(jì)的腦血氧分析儀可以有效地檢測(cè)血紅蛋白的變化并能通過(guò)源端校正算法抑制源端干擾，干擾抑制比可達(dá)70%以上，基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體無(wú)創(chuàng)、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)的目的。

腦血氧分析儀；近紅外光譜；抗擾動(dòng)；干擾模型；屏氣實(shí)驗(yàn)

*Correspondingauthor,E-mail:caijing1979@jlu.edu.cn

1　引　言

近紅外光譜技術(shù)(Near-Infrared Spectroscopy, NIRS)作為一項(xiàng)非侵入式光學(xué)監(jiān)測(cè)手段,其應(yīng)用越來(lái)越廣泛,目前主要用來(lái)觀察皮層區(qū)域氧合血紅蛋白(HbO2)和還原血紅蛋白(HbR)的濃度變化,腦血流(Cerebral Blood Flow ,CBF)以及腦血容量(Cerebral Blood Volume ,CBV)的變化。

1977年，Jobsis首次將NIRS用于動(dòng)物頭部的測(cè)量，開(kāi)辟了光學(xué)技術(shù)測(cè)量無(wú)創(chuàng)血氧的先河[1]。但由于腦部皮膚、顱骨、肌肉等各種組織對(duì)近紅外血液光譜的嚴(yán)重干擾，致使近紅外腦血氧飽和度檢測(cè)技術(shù)至今未能應(yīng)用于臨床。盡管Somanetics公司推出了商業(yè)化的腦血氧計(jì)[2-3]，但由于在使用中存在個(gè)體差異大、重復(fù)性差以及測(cè)量準(zhǔn)確度受到質(zhì)疑等諸多負(fù)面因素，迄今效果并不理想。1995年，日本歐姆龍公司開(kāi)發(fā)了一款便攜式血氧檢測(cè)系統(tǒng)[4]。2002年，賓夕法尼亞大學(xué)B.Chance小組開(kāi)發(fā)了一個(gè)由三波長(zhǎng)光源和8個(gè)探測(cè)器組成的FNIR檢測(cè)系統(tǒng)[5]。2003年，英國(guó)倫敦大學(xué)Delpy研究小組開(kāi)發(fā)了一套針對(duì)前額葉皮層的血氧檢測(cè)探頭[6-7]。2006年，國(guó)內(nèi)李良成等提出了同時(shí)檢測(cè)雙側(cè)腦組織血氧含量變化的新方法及設(shè)備[8]。華中科技大學(xué)的駱清銘等研發(fā)了便攜式的FNIRS儀器，用于研究有關(guān)認(rèn)知學(xué)習(xí)的腦功能[9-10]。但上述檢測(cè)方法復(fù)雜，測(cè)試時(shí)測(cè)試人員必須保持靜止并采取相應(yīng)的遮光措施方能保證測(cè)試的準(zhǔn)確性，因此實(shí)際效果并不理想。

在生物信號(hào)的NIRS測(cè)量方法中，測(cè)量信號(hào)的信噪比及抗干擾性對(duì)測(cè)量結(jié)果起著至關(guān)重要的影響[11]。本文設(shè)計(jì)了一種腦血氧功能分析儀，通過(guò)全面地分析與探討影響腦血氧檢測(cè)精度的因素，建立了一個(gè)針對(duì)源端干擾與環(huán)境漏光干擾的干擾模型，選取三波長(zhǎng)(735 nm/805 nm/850 nm)檢測(cè)光源并結(jié)合推導(dǎo)的源端干擾表達(dá)式修正測(cè)試數(shù)據(jù)，達(dá)到了合理準(zhǔn)確檢測(cè)腦血氧的目的。該腦血氧功能分析儀通過(guò)檢測(cè)大腦前額葉的血氧參數(shù)變化來(lái)反映大腦前額葉的活動(dòng)狀態(tài)，具有安全無(wú)創(chuàng)、體積小、可穿戴、連續(xù)監(jiān)測(cè)等特點(diǎn)。

2　基本原理

2.1腦血氧檢測(cè)的基本原理

NIRS可對(duì)血氧含量進(jìn)行無(wú)損測(cè)量的理論基礎(chǔ)在于：

(1) 生物組織對(duì)近紅外譜段(700～900 nm)的光具有散射度高、吸收度低的特點(diǎn)，因此該波段的光被稱(chēng)為組織的“光學(xué)窗”，處于該波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光易于穿過(guò)生物組織[12]。

(2) HbO2與HbR的濃度變化可表征組織血氧飽和度的變化，反映組織的功能活動(dòng)狀態(tài)。這為組織功能活動(dòng)的研究提供了前提條件[13]。

HbO2與HbR的含量變化會(huì)引起組織的吸收光譜的變化，故穿過(guò)腦組織后透射出的光子的波長(zhǎng)分布及能量攜帶了反映腦組織活動(dòng)狀態(tài)的信息。

NIRS腦血氧檢測(cè)基于朗伯-比爾定律(Lambert- Beer' s law)[14]，根據(jù)生物組織中HbO2與HbR的近紅外吸收光譜，利用兩種物質(zhì)在近紅外光譜區(qū)等吸光點(diǎn)(805 nm)兩側(cè)吸光度的不同，可以有效地檢測(cè)HbO2與HbR的濃度變化。

圖1　氧合血紅蛋白與還原血紅蛋白近紅外吸收譜Fig.1　Absorption spectra of HbR and HbO2

根據(jù)Lambert-Beer' s law可以得到：

(1)

式中：I0,I分別表示入射光強(qiáng)和接收光強(qiáng)，c表示待測(cè)均一無(wú)散射性介質(zhì)的濃度，ε代表該介質(zhì)的吸光度，L表示光穿過(guò)該介質(zhì)的路徑長(zhǎng)度，OD為光密度。

由于光子在生物組織內(nèi)傳播存在無(wú)規(guī)律性和隨機(jī)性，1988年Cope M等提出了修正的朗伯比爾定律[15]。根據(jù)該定律,當(dāng)入射光強(qiáng)為I0，并以波長(zhǎng)為λ的平行光通過(guò)厚度為D、濃度為c的均勻介質(zhì)，以光強(qiáng)I出射時(shí)，光密度為：

(2)

式中：ODλ為波長(zhǎng)為λ的光密度，ελ為介質(zhì)的吸光系數(shù)，DPFλ為波長(zhǎng)為λ的路徑差分因子，Gλ為背景引起的光損耗。

由式(2)可知，當(dāng)探測(cè)波長(zhǎng)λ以及探測(cè)距離D一定時(shí)，ελ，DPFλ，Gλ均為常數(shù)，因此可通過(guò)選取等吸光點(diǎn)兩側(cè)的兩個(gè)不同波長(zhǎng)，通過(guò)測(cè)定光密度的變化量(ΔOD)來(lái)反映前額葉的HbO2和HbR含量的變化[16]。本文選用EPITEX公司的三波長(zhǎng)集成光源(L735/805/850-40C32P)作為系統(tǒng)的探測(cè)光源。

(3)

利用克萊姆法則求解線性方程組得到[17]：

(4)

2.2腦血氧檢測(cè)模型

該腦血氧儀的基本檢測(cè)模型如圖2所示，該設(shè)備依據(jù)光子在哺乳動(dòng)物組織中的傳播模型。一般來(lái)說(shuō)，光子在哺乳動(dòng)物組織中的傳播是散射傳播，呈現(xiàn)隨機(jī)性，但從概率意義上來(lái)講，近紅外光在進(jìn)入大腦前額葉后，光子近似以香蕉型光路在顱內(nèi)傳播。光線經(jīng)吸收、散射后在與光源一定距離處透過(guò)頭皮出射，穿透深度相當(dāng)于探測(cè)器與光源距離的1/4[18-20]。

圖2　腦血氧儀檢測(cè)原理Fig.2　Principle of cerebral oxygen analyzer

2.3干擾檢測(cè)模型的建立

在腦血氧測(cè)量過(guò)程中必然會(huì)存在接觸不穩(wěn)定、漏光等情況，從而影響檢測(cè)的準(zhǔn)確性與精度。

圖3　干擾模型示意圖Fig.3　Schematic diagram of interference model

圖3為干擾模型示意圖。干擾主要來(lái)源于兩個(gè)方面:一是接收器接收到無(wú)關(guān)檢測(cè)光的環(huán)境光干擾，該干擾可以通過(guò)在檢測(cè)端同步檢測(cè)環(huán)境光來(lái)消除;二是發(fā)射器與皮膚接觸的程度受呼吸帶來(lái)的源端漂移干擾，其主要體現(xiàn)為入射光強(qiáng)I0的變化。

根據(jù)式(2)可以得到：

(5)

(6)

令

(7)

則根據(jù)式(5)和式(7)得到：

(8)

根據(jù)式(6)和式(7)得到：

(9)

令

(10)

根據(jù)式(8)和式(9)相等，并且結(jié)合式(10)可以得到：

(11)

在實(shí)際應(yīng)用中，通常認(rèn)為不同波長(zhǎng)的DPF值近似相等[21]。故將式(7)代入式(11)，可以得到:

mOD850+nOD735-OD805=mG850+nG735-G805.

(12)

將式(2)代入式(12)可得:

(13)

令

C=mlnI850+nlnI735-lnI805,

(14)

并且設(shè)

(15)

對(duì)式(14)求全微分并結(jié)合式(15)，可以得到:

(16)

根據(jù)式(16)可以得到:

(17)

將式(17)用差分方式表示:

(18)

式中λ表示735,805,850 nm中的任意波長(zhǎng)。令:

(19)

將式(19)代入式(18)可得:

(20)

由式(20)可得:

(21)

光密度的變化量表示為:

(22)

而傳統(tǒng)的雙波長(zhǎng)腦血氧測(cè)量方法并未考慮初始入射光強(qiáng)I0的變化，即光密度的變化量為[22-24]：

(23)

因此根據(jù)式(23)所得到的測(cè)量結(jié)果必然存在源端干擾誤差。這里通過(guò)引入805 nm(等吸收點(diǎn))測(cè)量波長(zhǎng)可以間接獲得初始光強(qiáng)I0的變化，因此將式(21)代入式(22)即可修正因源端干擾帶來(lái)的誤差，修正后的光密度變化量為：

(24)

3　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖4所示，本設(shè)備系統(tǒng)由光源驅(qū)動(dòng)電路、三波長(zhǎng)光源探頭、光電接收器、放大濾波電路、主控制器及上位機(jī)組成。

圖4　腦血氧儀的硬件功能框圖Fig.4　Hardware block diagram of proposed celebral oxygen analyzer

微控制器通過(guò)控制光源驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)三波長(zhǎng)光源的分時(shí)驅(qū)動(dòng)，控制三波長(zhǎng)光源分時(shí)發(fā)光照射大腦前額葉。近紅外光經(jīng)大腦前額葉吸收、散射后被光電接收器接收，光電接收器輸出的電信號(hào)經(jīng)放大、濾波后再經(jīng)AD轉(zhuǎn)換由微控制器上傳至上位機(jī)。上位機(jī)負(fù)責(zé)原始數(shù)據(jù)的濾波處理以及HbO2濃度變化量的計(jì)算。

非平穩(wěn)的NIRS信號(hào)含有白噪聲、心跳(～1.1 Hz)、呼吸(～0.25 Hz)和Mayer wave(～0.1 Hz)等成分；而在研究腦功能的實(shí)驗(yàn)中，所關(guān)注的信號(hào)成分是任務(wù)誘發(fā)的血液動(dòng)力學(xué)響應(yīng)信號(hào)，其頻率通常低于0.1 Hz，因此，這里應(yīng)用高階數(shù)字濾波器消除生理信號(hào)成分[25]。

4　實(shí)　驗(yàn)

4.1屏氣實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本分析儀對(duì)HbO2濃度反應(yīng)的正確性，對(duì)測(cè)試人員進(jìn)行屏氣實(shí)驗(yàn)，分析其cHbO2和cHbR的變化情況。

實(shí)驗(yàn)1 被測(cè)者為21歲成年女性大學(xué)生，身體健康，無(wú)心血管疾病、糖尿病及神經(jīng)科病史。被測(cè)者正常呼吸1 min,然后屏氣1 min，動(dòng)作完成后恢復(fù)正常呼吸。實(shí)驗(yàn)前將自制的雙通道血氧探頭固定至前額，并對(duì)探頭采取必要的遮光措施，整個(gè)測(cè)試過(guò)程被測(cè)者保持直立坐姿，無(wú)情緒波動(dòng)。

圖5顯示是被測(cè)者一次檢測(cè)中兩個(gè)通道的HbO2和HbR的濃度變化情況。可以明顯看出，在前1 mincHbO2與cHbR變化穩(wěn)定；1 min后開(kāi)始憋氣，前額葉原有HbO2的含量經(jīng)消耗后未得到及時(shí)的補(bǔ)充，致使cHbO2降低，前額葉HbR的含量增加。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至2 min后被測(cè)者恢復(fù)正常呼吸，cHbO2與cHbR迅速恢復(fù)至原先水平。

圖5　被測(cè)者的屏氣實(shí)驗(yàn)曲線Fig.5　Variation curves of HbO2 and HbR concentration in breathlessness experiments

4.2源端干擾消除實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證源端抗干擾算法的正確性和評(píng)價(jià)源端抗干擾算法的質(zhì)量，將腦血氧檢測(cè)探頭固定，通過(guò)調(diào)整探頭上的可調(diào)電位器來(lái)控制三波長(zhǎng)光源的發(fā)光光強(qiáng)模擬源端干擾。由于血氧探頭固定并不進(jìn)行血氧檢測(cè)，因此,理論上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)為cHbO2與cHbR無(wú)變化。

圖6　源端干擾校正前后實(shí)驗(yàn)曲線Fig.6　Concentration curves before and after correcting source interference in different channels

實(shí)驗(yàn)2將腦血氧探頭固定，分別于5～20 s與45～60 s調(diào)節(jié)電位器降低腦血氧探頭的出射光強(qiáng)，之后再恢復(fù)至初始光強(qiáng)。圖6反映了抗干擾算法校正前后cHbR與cHbO2的變化趨勢(shì)，可見(jiàn)校正前實(shí)驗(yàn)結(jié)果受到入射光強(qiáng)變化的影響很大。校正前算法將入射光強(qiáng)的變化錯(cuò)認(rèn)為是被測(cè)物質(zhì)的變化而得到了錯(cuò)誤的結(jié)果，而抗干擾算法則能有效識(shí)別出源端干擾，校正后cHbR與cHbO2的變化已經(jīng)趨于穩(wěn)定。

根據(jù)校正前后HbO2與HbR與理論值的絕對(duì)誤差(Absolute Error，AE)以及已校正的相對(duì)誤差(Corrected Relative Error，CRE)來(lái)定量描述源端干擾校正算法的準(zhǔn)確度。

AE=|x′-x|,

(25)

(26)

式中：x′表示實(shí)驗(yàn)中血紅蛋白的變化量，x表示理論血紅蛋白的變化量，AE**表示經(jīng)過(guò)源端校正算法校正后的絕對(duì)誤差，AE*表示未經(jīng)過(guò)源端校正算法得到的絕對(duì)誤差，CRE表示經(jīng)校正的絕對(duì)誤差相對(duì)于校正前絕對(duì)誤差的百分比。計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1　源端干擾消除結(jié)果

為了驗(yàn)證抗干擾算法的可重復(fù)性，檢驗(yàn)抗干擾算法在不同情況下的準(zhǔn)確度，增加抗干擾實(shí)驗(yàn)的組數(shù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算每組實(shí)驗(yàn)的CRE。利用CRE來(lái)定量評(píng)價(jià)抗干擾算法的準(zhǔn)確度。實(shí)驗(yàn)方法與實(shí)驗(yàn)2相同，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，CRE評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

(a) 第1組源端干擾校正前后的實(shí)驗(yàn)曲線　　　　　　　(b) 第2組源端干擾校正前后的實(shí)驗(yàn)曲線(a) Concentration curves before and after correcting 　　　(b) Concentration curves before and after correcting 　　　source interference in test 1　　　 source interference in test 2

(c) 第3組源端干擾校正前后實(shí)驗(yàn)曲線 　　　　　　　　　　 (d) 第4組源端干擾校正前后實(shí)驗(yàn)曲線 (c)Concentration curves before and after correcting 　(d)Concentration curves before and after correcting 　　　source interference in test 3　　　the source interference in test 4圖7　抗干擾算法驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.7　Results of verification experiment of anti-disturbance algorithm

表2　多組源端干擾消除實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

注：t1,t2分別為實(shí)驗(yàn)過(guò)程中干擾出現(xiàn)時(shí)CRE最小值對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，抗干擾算法可以修正至少70%的源端干擾，有效消除了由源端入射光強(qiáng)I0變化引起的誤差。

5　結(jié)　論

本文建立了源端干擾和環(huán)境光干擾的干擾模型，詳細(xì)介紹了腦血氧檢測(cè)系統(tǒng)的基本原理以及源端干擾的消除方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：該腦血氧分析儀能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)人腦前額葉的血紅蛋白濃度的變化，且可通過(guò)源端校正算法抑制源端干擾，干擾抑制比可達(dá)70%以上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論值相符，基本上達(dá)到了對(duì)人體無(wú)創(chuàng)、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)的目的。該設(shè)備可以輔助醫(yī)生更加直觀、具體地掌握病人的基本情況，具有一定的使用價(jià)值和社會(huì)效益。

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蔡靖(1979-)，男，吉林長(zhǎng)春人，博士研究生，講師，2012年于吉林大學(xué)獲得碩士學(xué)位，主要從事人體生理信號(hào)檢測(cè)方面的研究。E-mail:caijing1979@jlu.edu.cn

(版權(quán)所有未經(jīng)許可不得轉(zhuǎn)載)

A anti-disturbance cerebral oxygen analyzer based on near-infrared spectra

LIU Guang-da, CAO Ze-yuan, ZHOU Ge, ZHOU Xiao-yu,CAI Jing*,ZHA Yu-tong,QIAN Cheng-hui

(CollegeofInstrumentScienceandElectricalEngineering,JilinUniversity,Changchun130061,China)

A sort of anti-disturbance cerebral oxygen analyzer based on near-infrared spectroscopy was researched to improve conventional test methods in complex measuring process and tedious anti-jamming treatment. Some effect factors on cerebral oxygen measuring accuracy were analyzed and a proper three-wavelength near-infrared detection light source (735nm/805nm/850nm)was selected to use in the system. On the basis of the absorptivities of HbO2and HbR in the near- infrared spectra, the variation of the two substance's concentration was received, and a source interference expression resulted from the impact of oxygen detection accuracy was calculated. Meanwhile, the ambient light was detected in the terminal simultaneously to eliminate the interference from leaked light. Finally, the original data from a upper computer and the interference data were processed to realize the real-time monitoring of the blood-oxygen fluctuation in the prefrontal lobe of the brain. A breathlessness experiment and a source interference experiment were performed and the correctness of instrument was verified. The experimental results show that the cerebral oxygen analyzer designed in this paper detects the changes of hemoglobin and eliminates the interference of the source effectively by the proposed anti-disturbance algorithm, and the correcting interference error is about 70% or more, which implements noninvasive, real time and correct monitoring for human body.

cerebral oxygen analyzer; Near-infrared Spectra (NIRS); anti-disturbance; interference model; breathlessness experiment

2016-02-20；

2016-04-10.

吉林市科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(No .2015313013)；吉林大學(xué)研究生創(chuàng)新研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(No.2015001) ；吉林大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目(No.2015650949)

1004-924X(2016)08-1846-08

TH773；O657.33

A

10.3788/OPE.20162408.1846

劉光達(dá)(1964-)，男，吉林長(zhǎng)春人，教授，1990年于吉林工業(yè)大學(xué)獲得碩士學(xué)位,2000年于中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所獲得博士學(xué)位，主要從事人體生物信號(hào)檢測(cè)與醫(yī)療儀器、光電儀器等方面的研究。E-mail: gdliu@jlu.edu.cn