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無創(chuàng)血液參數(shù)測量的研究,碩士研究生學位論文中期檢查,(裝置研制和實驗建模),1,研究生姓名 指導教師姓名 李 副教授 專業(yè) 精密儀器與機械 研究方向 光電檢測與測控技術(shù),2,研究工作進程的安排 目前主要遇到的問題 已經(jīng)進行和完成的工作 研究工作的目標和計劃,3,研究工作進程的大致安排,4,在9月底完成前期的調(diào)研和熟悉原來電路的工作 12月底完成對電路的改進完善和調(diào)試 12月底到明年的3月底爭取進行臨床試驗,并在此基礎上完成試驗數(shù)據(jù)的處理與分析 明年的4月到6月完成論文的撰寫與發(fā)表,5,目前主要遇到的問題和需要改進的地方,6,測頭的改進,7,8,1993年，日本的田村守首先開始了利用NIRS的腦功能研究：同時用5臺NIRS儀器在額葉左右處、左右顳葉處以及枕葉五處進行測量，對默算、回答問題、看圖畫、聽音樂等功能測量獲得了較多的數(shù)據(jù)【4】。而日立中央研究所的牧敦等人則在一個大腦區(qū)域采用10點傳輸、接收人腦的光，對人手指動作時的腦功能狀況進行監(jiān)測，將腦地形圖畫出來，并形成靜態(tài)及動態(tài)地形圖?！?】【6】。慶應大學工學部齊藤對NIRS的光傳播進行了蒙特卡羅仿真計算已經(jīng)得到一些顱骨的光學常數(shù)【7】。88年以來利用NIRS的光CT(Computed Tomography)研究已從萌芽發(fā)展到現(xiàn)在的百花爭艷的局面〖8〗〖9〗。,9,光CT研究中時間分辨率光譜法、散射光法等多種方法已經(jīng)出現(xiàn)。STANFORD的D.Bonaron還于1996年發(fā)表了新生兒頭部的光CT像【10】。日本的Yoko Hoshi于1997年發(fā)表論文探討了休眠狀態(tài)下腦血氧狀態(tài)的波動的各種情況【11】。,左邊的這副圖是北海道大學用CT測量的結(jié)果,顯示了人體的左右手指動作中腦部血氧的變化,10,我國在這一領(lǐng)域的研究剛剛起步，我們實驗室長期以來，一直在做這方面的工作，有了很大的進展。華中理工大學、清華大學等院校在這一領(lǐng)域也都有所研究，但報道不多。,左圖是他們的測量方法,11,本課題的主要內(nèi)容,本課題是在對無創(chuàng)血糖血氧理論研究的深入理解的基礎上，對姚鵬同學的血氧測量儀和劉煜同學的血糖測量儀進行進一步的改造，主要是針對血氧測量儀的改造，他們都是采用光譜分析法,所以他們在采集電路和放大電路,以及后續(xù)的數(shù)據(jù)處理方面，出了在原理和公式有不同之外，大都可以相互通用。,12,第一．在機械結(jié)構(gòu)上進行改進，簡化整個儀器 的結(jié)構(gòu)。 第二．在硬件方面，消除由于各種干擾而導致的測量結(jié)果不精確，漂移較大的一些不足之處，提高信號強度，提高信噪比。 第三．重新設計軟件，使數(shù)據(jù)的輸出可以即時地顯示出來，而不是在采集和處理完之后才顯示，這樣可以在測量過程中進行更好地控制和操作。 通過大量的實驗，對各種數(shù)據(jù)進行檢驗和分析，對其中的重要參數(shù)進行評定。在此基礎上初步建立數(shù)學模型。 具體內(nèi)容將在設計方案中再作進一步的詳述。,13,原理和研究方案,近紅外光對人體有較強的透過能力,從頭蓋骨外照射的光經(jīng)過組織后可再次在頭蓋骨外接受到,其穿透深度可多達大腦的20mm，下圖顯示的是探測光經(jīng)過頭部組織的一個示意圖。,4-1 原理,14,圖1 入射光經(jīng)過腦組織的示意圖,15,在血紅蛋白的本征吸收光譜內(nèi)，沒有或很少有血液或組織中其它成分的吸收，或者其它成分在它的特征光譜區(qū)內(nèi)的吸收相對恒定，這樣就可以測得在血液中主要以氧合血紅蛋白(HbO2)和脫氧血紅蛋白(Hb)形式存在的血氧的濃度。 在近紅外光譜區(qū)，人體表皮對光以吸收為主，因此可以忽略散射的影響。根據(jù)廣義朗伯特－比爾定律【12】（Lambert-Beer Law）可以得出生物體組織關(guān)于單色點光源的入射光強和透射光強的關(guān)系，做進一步變換，就可獲得氧合血紅蛋白與脫氧血紅蛋白濃度的變化的關(guān)系式。,16,上式為生物體組織關(guān)于單色點光源的入射光強和透射光強φ的關(guān)系式。 式中 φ0是單色點光源的入射光強； φ是單色點光源的透射光強； εi是組織i的吸光系數(shù)； Ci(x,y,z)是位于坐標(x,y,z)的組織的濃度； S是單色點光源的輻射路徑。,(4-1),(4-2),17,其中D1，D2，D3，代表、和的光密度，是通過測量可得出的值，由方程組(4-2)可求得和，即氧合血紅蛋白與脫氧血紅蛋白濃度的變化.,經(jīng)過變換得出，設兩次測量的間隔時間為，則,(4-3),18,4-2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),下面顯示的是系統(tǒng)圖,,,,圖2 系統(tǒng)示意圖,19,左圖Somanetics公司的一個測量意圖,我們采用相類似的方法,激光可以達到大腦的皮層,可以在另一處接受到.,我們采用的是三種不同波長的激光光源,780,803和830nm.,20,4-3 過去系統(tǒng)中的一些不足之處和改進方案,21,首先是對硬件方面的改進，主要是對光源驅(qū)動部分的改進。為了保證激光器能正常發(fā)光，因此必須保證必須保證流過激光器的電流為正確的方向。這樣，用來驅(qū)動的正弦信號必須加在一直流箝位上，這樣才能提高電流的穩(wěn)定性。而姚鵬同學只作了自動增益控制(Auto-Gain Control, AGC)和自動功率控制(Auto-Power Control,APC)來對保證LD的輸出光功率中交流成分的穩(wěn)定。而沒有考慮到直流成分對光源的穩(wěn)定也有很大的影響。在后面的實驗中，由于沒有考慮到直流溫漂的影響，使得實驗結(jié)果受溫度的影響很大，以至于不能測得比較理想的數(shù)據(jù)，對后面的數(shù)學模型的建立造成了困難。因此，這里要改進的地方是對采用各種電路，來找到一種最好的消除這種直流溫漂的方法。其次是對以前的一些電路進行一些改進設計，消除他們的一些飛線。,22,以前的顯示是在數(shù)據(jù)全部接受經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后，在經(jīng)過計算機進行處理并一次全部顯示出來，這樣就不能實現(xiàn)即時地顯示，因而不能對整個系統(tǒng)進行更好的控制和操作。所以對計算機的處理和顯示要進行改進，重新設計軟件，使數(shù)據(jù)的顯示能夠即時地顯示出來，從而能夠進行更好地控制和操作。,23,實驗部分將貫穿整個課題.通過大量實驗對各種參數(shù)進行評定，這是工作中比較重要的一節(jié)。前面的同學由于時間緊迫，沒有能夠做大量的實驗，而且由于儀器本身的缺陷，沒有能夠獲得理想的數(shù)據(jù)，也沒能建立起比較理想的數(shù)學模型。在國外的雜志中也看到了一些已經(jīng)建立起來的數(shù)學模型，但經(jīng)過實驗后，覺得有些參數(shù)的選擇不能達到要求。 下面是在國外雜志上看到的由兩名日本人建立的一個數(shù)學模型. 【13】,24,25,由于他們采用過的是相同功率的激光器,所以在這里的幾個參數(shù)在我們的實際實驗中，不能得出比較正確的數(shù)值，因此，要對參數(shù)重新進行標定。這里要做各種實驗，比如測量不同顏色的各種溶液對各種波長的激光的吸收率。測量在吸氣或憋氣時，得出的數(shù)據(jù)到底有什么變化。如果在有可能的情況下，希望能和生物系配合，作一些動物實驗。通過作大量的實驗后，希望能夠通過這些數(shù)據(jù)建立起一個初步的數(shù)學模型。最后能在臨床上在做進一步的驗證。,26,研究工作進度的大致安排,27,實驗將貫穿整個工作中,28,預期研究成果,能夠建立起一個計算血氧濃度的數(shù)學模型. 能夠制作出一套完整的血氧測量儀. 在這些技術(shù)基礎上完成一到兩篇發(fā)表在核心期刊上論文. 現(xiàn)在正在進行的一個項目是諧振式傳感器的設計,爭取能夠申請到一個發(fā)明專利.,29,參考文獻,30,1. 王強，“無創(chuàng)傷紅外光譜腦血氧監(jiān)測儀”，國外醫(yī)學, 21(1), pp. 19-26,1998. 2. 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