基于光纖傳感器的透析穿刺針頭漏血檢測方法研究*

張敏，邱召運,2△，陳雪梅，王倩倩，齊靜，隋亞奇

(1.濰坊醫(yī)學(xué)院生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，濰坊 261053；2.濰坊醫(yī)學(xué)院電子與計算機技術(shù)教研室，濰坊 261053)

1 引 言

血液透析是腎功能衰竭患者腎臟替代治療的方式之一，屬于血液凈化技術(shù)。目前國內(nèi)約有200萬名患者需要做血液透析來維持生命，一般患者需每周血液透析2～3次，每次4～5 h。臨床上患者的靜脈與動脈內(nèi)瘺仍是維持血液透析的理想血管通路。但動靜脈內(nèi)瘺構(gòu)建后，透析部位的靜脈壓也隨之升高，長期定點穿刺、透析中抗凝劑的使用等因素可導(dǎo)致靜脈血管彈性下降，引起內(nèi)瘺穿刺針孔漏血[1]，另外患者在長時間透析過程中的身體移動亦會引起穿刺針頭脫落而漏血，透析時發(fā)生漏血十分危險，若不及時采取措施則可能危及患者的生命安全[2]。迄今為止，臨床上使用過的漏血檢測方法有：人工巡查法[3]，但增加了醫(yī)護人員的工作負擔(dān)和心理壓力；壓力檢測法[4]，但是透析過程中當(dāng)進血針頭和出血針頭同時脫針時，透析機檢測不到壓力差變化，將無法觸發(fā)透析機報警；阻抗檢測法[5]，利用血液引起電極的阻抗變化實現(xiàn)漏血檢測，存在的問題是患者出汗時易造成誤報警，電極接觸皮膚給患者帶來安全隱患，其可靠性和安全性較低；圖像檢測法[6]，為了獲取漏血信息，圖像傳感器系統(tǒng)需要覆蓋在穿刺針頭部位，不利于醫(yī)護人員巡查。上述漏血檢測方法均存在一定的弊端和不足，需要創(chuàng)新檢測方法。

透析過程發(fā)生漏血是嚴(yán)重的醫(yī)療責(zé)任事故，因此，漏血檢測方法需具備以下特點：不能遮擋穿刺部位，漏血檢測不能影響醫(yī)護人員巡查，任何檢測裝備均不可完全代替人工巡查；漏血檢測設(shè)備需操作簡單，在減輕醫(yī)護人員的心理壓力的同時，不能帶來額外的工作負擔(dān)；漏血檢測技術(shù)需安全可靠，避免給患者帶來額外的安全隱患；漏血檢測設(shè)備的舒適性要好，不能給患者帶來不適感。針對上述要求，本研究提出了一種基于光纖傳感器的透析針頭漏血檢測的新技術(shù)，能有效檢測穿刺針孔的微量漏血，提高了檢測裝置的靈敏度，具有安全可靠的優(yōu)點。采用該技術(shù)的檢測裝置有漏血報警功能，能有效克服誤報、漏報問題，降低透析過程中的安全風(fēng)險。

2 透析漏血檢測方法

2.1 漏血檢測實驗裝置

漏血檢測光纖傳感器[7-8]是利用光導(dǎo)纖維的傳光導(dǎo)像功能，將待測部位的信息傳至遠端進行測量，通過待測部位對光的反射或吸收引起光強改變而實現(xiàn)檢測，檢測方式分為對射式和反射式。以Y型光纖為光信號的傳輸介質(zhì)[9]，光電轉(zhuǎn)換元件為光信號接受器，設(shè)計了一種反射式Y(jié)型光纖傳感器，用來進行血紅細胞濃度的檢測實驗。

實驗裝置由單色LED光源[10]、Y型光纖和光電轉(zhuǎn)換元件構(gòu)成，圖1是Y型光纖實驗系統(tǒng)實物圖，A是Y型光纖，B是光纖探頭，C是測試樣本，D是檢測光斑。Y型光纖包括光源端、檢測端、探頭端三部分。LED分別發(fā)出紅、綠、藍光，從Y型光纖的光源端進入，探頭端將入射的光照射到測試樣本上形成檢測光斑[11]，反射光信號經(jīng)光纖導(dǎo)出并在檢測端通過光電轉(zhuǎn)換元件完成電信號的轉(zhuǎn)化。Y型光纖傳遞光信號，具有損耗低、絕緣性好、抗干擾能力強等特點。實驗裝置采用的Y型光纖探頭端纖細且光滑，接觸皮膚時不會給患者帶來不適感，且易消毒滅菌，方便重復(fù)使用。Y型光纖傳感器的光電轉(zhuǎn)換元件采用了顏色傳感器[12]，具有靈敏度高、波長范圍窄、轉(zhuǎn)換速度快的特點，能夠識別檢測樣本色度的微小變化。實驗過程中，需要保持探頭端與測試樣本的距離與角度不變，否則會影響實驗精度。

圖1 Y型光纖實驗系統(tǒng)實物圖Fig.1 Diagram of Y-type optical fiber experimental system

2.2 反射式漏血檢測原理

由于透析穿刺針頭包埋于創(chuàng)可貼下方，漏血檢測處于黑暗環(huán)境，因此，需要利用Y型光纖將光源引入到穿刺部位，并通過光的反射將漏血信息導(dǎo)出到檢測端，實現(xiàn)穿刺部位的漏血檢測。透析治療時，將光導(dǎo)纖維和透析針頭通過創(chuàng)可貼固定于穿刺部位，當(dāng)穿刺針孔無血液滲出時，固定穿刺針頭的創(chuàng)可貼呈現(xiàn)白色，因此，測試樣本反射的光信號相對較強。當(dāng)產(chǎn)生漏血時，包埋光纖探頭端的測試樣本被血液迅速染紅，導(dǎo)致反射光的強度發(fā)生改變，光纖檢測端輸出的電壓信號也隨之產(chǎn)生變化。

3 漏血檢測電路設(shè)計

3.1 信號采集電路

圖2為漏血檢測的信號采集電路原理圖，由Y型光纖和電壓放大器兩部分構(gòu)成。透析時穿刺靜脈形成血液的循環(huán)通路，需要同時監(jiān)測出血針孔和進血針孔的漏血狀態(tài)，所以，應(yīng)設(shè)置兩組光纖傳感器對透析針頭進行實時檢測。本研究中單色發(fā)光二極管L1、L2分別發(fā)出紅、綠、藍三種顏色的光作為光源，通過Y型光纖SY1、SY2的光源端射入，探頭端垂直照射測試樣本中心，光源從探頭端照射到檢測點上，當(dāng)有血液滲出時，光纖的檢測端將導(dǎo)出不同強度的光信號，由顏色傳感器D1、D2接收并轉(zhuǎn)換為電信號。U1A和U1B構(gòu)成兩組同相電壓放大電路，其放大倍數(shù)約為十倍，用于放大光纖傳感器輸出的電信號，實現(xiàn)漏血檢測的信號采集。

圖2 信號采集電路原理圖Fig.2 Principle of signal acquisition circuit diagram

3.2 信號處理電路

圖3為漏血檢測的信號處理電路圖，主要由兩個電壓比較器、單片機系統(tǒng)和報警電路三部分構(gòu)成。兩組光纖傳感器輸出的電壓信號U1、U2與其對應(yīng)的電壓比較器U1C和U1D設(shè)定的閾值進行比較，當(dāng)任意一組輸入的電壓信號小于閾值電壓時，比較器輸出漏血信號，該信號由STC15F104E單片機系統(tǒng)進行確認后輸出報警信號，驅(qū)動報警電路發(fā)出聲光報警。漏血報警系統(tǒng)設(shè)有兩個可操作的按鍵，當(dāng)按下K1鍵時，漏血檢測報警系統(tǒng)開始運行，實時檢測穿刺針頭部位的漏血狀態(tài)，一旦出現(xiàn)漏血將立即觸發(fā)報警系統(tǒng)，提醒醫(yī)護人員及時處理，處理完畢后按下K2鍵，系統(tǒng)消除報警并回到正常檢測工作狀態(tài)。

圖3 信號處理電路原理圖Fig.3 Principle of signal processing circuit diagram

4 漏血檢測實驗

4.1 動物血樣實驗

不同波長的光照射同一物體時反射的光信號不同，因此，選用紅、綠、藍三種顏色的光照射檢測樣本進行模擬漏血實驗，用來優(yōu)選靈敏度更高的光纖傳感器。為了模擬透析過程中穿刺針頭漏血量的多少，將兔靜脈全血用0.9%的生理鹽水配備12組濃度為0%～100%的血溶液，每組取等量血溶液滴加至厚度和面積大小相同的無紡布上制成血液實驗樣本，其中0%濃度的樣本只需在無紡布上滴加等量的生理鹽水。圖4(a)是12組不同濃度的兔血實驗樣本，圖4(b)是12組不同濃度的志愿者血液實驗樣本。由圖可知，血液樣本的顏色呈現(xiàn)由淺入深，可等效為漏血染紅檢測區(qū)域的血量多少。

圖4 血液濃度樣本圖Fig. 4 Blood concentration sample diagram

實驗中分別采用紅、綠、藍光的光纖傳感器對濃度C為0%～100%的兔血進行檢測，由于透析針頭與光纖探頭端是包埋在創(chuàng)可貼下方，為了模擬檢測環(huán)境，避免環(huán)境光對檢測造成干擾，模擬實驗在黑暗條件下進行。設(shè)紅、綠、藍光的光纖傳感器的輸出電壓分別為Ur、Ug、Ub，實驗數(shù)據(jù)見表1。

圖5是根據(jù)表1的實驗數(shù)據(jù)繪制的光纖傳感器輸出特性曲線。圖中，U為光纖傳感器的輸出電壓，C為血液樣本濃度，Ur為紅光光纖傳感器的輸出特性曲線，Ug為綠光光纖傳感器的輸出特性曲線，Ub為藍光光纖傳感器的輸出特性曲線。對比分析Ur、Ug、Ub特性曲線可知，紅光光纖傳感器對樣本濃度的變化最不敏感，靈敏度最低；綠光光纖傳感器在檢測樣本微量變化時較敏感，靈敏度較高；藍光光纖傳感器其電壓變化量遠大于綠光傳感器，表明藍光光纖傳感器的靈敏度最高，故選藍光光纖傳感器進行漏血檢測。

表1 光纖傳感器兔血樣本實驗數(shù)據(jù)Table 1 The experimental data of rabbit blood sample of fiber optic sensor

圖5 光纖傳感器的輸出特性曲線Fig.5 Output characteristic curve of optical fiber sensor

4.2 志愿者血樣實驗

動物血樣實驗證明，藍光光纖傳感器對微量漏血的靈敏度最高，需要采集志愿者血液對該傳感器進行血樣實驗，進一步驗證其檢測靈敏度并確定檢測系統(tǒng)的報警閾值范圍。實驗條件和方法與動物血樣實驗相同。參照圖4(b)，采用濃度為0%～100%的12組志愿者血樣進行實驗。

以藍光光纖傳感器對12組不同濃度的血液樣本進行檢測，其輸出電壓為Ub，得出的實驗數(shù)據(jù)見表2。由表2可知，藍光光纖傳感器對不同濃度血樣對應(yīng)的輸出電壓值呈現(xiàn)明顯的遞減趨勢，進一步驗證了動物血樣實驗的結(jié)論。

表2 藍光光纖傳感器的志愿者血液樣本實驗數(shù)據(jù)Table 2 Experimental data of blood samples from volunteers using blue fiber optic sensor

圖6是藍光光纖傳感器隨血樣濃度變化的輸出特性曲線。圖中，U為光纖傳感器的輸出電壓，C為血液樣本濃度。曲線表明，藍光光纖傳感器對血樣濃度的微量變化靈敏度高，適于設(shè)計漏血檢測的報警裝置；藍光光纖傳感器在0%～40%的血樣濃度范圍內(nèi)電壓輸出變化量較大，40%～100%的血樣濃度范圍內(nèi)電壓輸出變化量較小，為提高報警速度，故優(yōu)選20%～40%濃度范圍對應(yīng)的輸出電壓值作為報警閾值設(shè)定范圍。

圖6 藍光光纖傳感器的輸出特性曲線Fig.6 Output characteristic curve of blue fiber sensor

4.3 臨床應(yīng)用實驗

漏血檢測時光纖探頭端與檢測部位的角度或距離難以保持一致，需要歸一化測量條件才能保證檢測精度。因此，設(shè)計一個由無紡布或脫脂藥棉制成的引血帽安裝在光纖探頭端，不僅能實現(xiàn)垂直照射測試樣本，還可擴大引血范圍，圖7為引血帽實物圖。圖中，A是已吸收血液引血帽，B是空白引血帽。透析治療過程中，當(dāng)穿刺針孔有血液滲出時，引血帽可以快速吸收并均勻擴散，便于光纖傳感器及時檢測到漏血信息。引血帽為一次性設(shè)計，使用方便，安全衛(wèi)生。

圖7 引血帽實物圖Fig.7 Diagram of absorbent cotton padded cap

圖8是Y型光纖漏血檢測的臨床應(yīng)用實物圖。圖中，C是固定針頭的創(chuàng)可貼，D是透析管，E是光纖探頭端，F(xiàn)是Y型光纖。臨床透析時出血口和進血口均需穿刺針頭插入靜脈，因此，需要兩組Y型光纖探頭與穿刺針包埋在創(chuàng)可貼下方進行漏血實時監(jiān)測。Y型光纖傳感器纖細柔軟便于固定，且絕緣性好，無觸電危險。本研究可將漏血信息傳輸至遠離穿刺的部位，操作簡便，安全性、可靠性、準(zhǔn)確性高，可保障透析患者的安全，有效避免漏血事件的發(fā)生，減輕醫(yī)護人員的工作負擔(dān)。

圖8 漏血報警系統(tǒng)的臨床應(yīng)用Fig.8 Clinical application of blood leakage alarm system

5 結(jié)束語

透析過程中發(fā)生漏血易導(dǎo)致嚴(yán)重的醫(yī)療事故，由于沒有安全可靠的漏血檢測技術(shù)，通常采取加固穿刺針頭和加大巡查力度來保障患者的安全。這些措施雖在一定程度上降低了透析的漏血風(fēng)險，但增加了醫(yī)護人員的工作負擔(dān)，同時也給患者增添了諸多不適。因此，研制一種性能可靠的漏血檢測裝備對降低醫(yī)療風(fēng)險和改善醫(yī)療條件具有實際應(yīng)用價值。實驗證明，藍光光纖傳感器對透析穿刺針頭的微量漏血檢測具有較高的靈敏度，利用光導(dǎo)纖維傳導(dǎo)光像，將漏血信息傳輸至遠離穿刺部位的漏血檢測報警裝置，實現(xiàn)了非接觸式漏血檢測，創(chuàng)新了漏血檢測的技術(shù)方法。為進一步提高檢測精度和可靠性，設(shè)計一次性引血帽安裝在光纖傳感器探頭端，歸一化了測量條件。報警裝置采用單片機進行智能化控制，抗干擾能力強，有利于避免誤報和漏報，可有效避免透析中的漏血事故。