动态光谱法在血氧饱和度无创检测中的应用

动态光谱法在血氧饱和度无创检测中的应用

检测血氧饱和度的方法在多波长光谱法中的应用血氧饱和度（sa2）是指血液中氧结合血红蛋白（hbo2）的能力占所有结合血红蛋白（hb）容量的比例的比率。医学上通常使用功能饱和来反映血液中氧气含量的变化，如等式（1）所示。SaO2能反应人体血液的携氧能力,临床认为血氧饱和度与患者的血氧含量紧密相关。其中,和cHb为血液中氧合血红蛋白和还原血红蛋白的浓度。基于脉搏波的血氧饱和度检测已经在临床上得到广泛应用,它实现了连续、无创、快速检测人体血氧饱和度的功能。传统的无创脉搏血氧饱和度测量是一种双波长确定血氧饱和度的方法,其测量原理是基于HbO2和Hb在660和940nm处吸收光谱的特性,由朗伯-比尔定律推得SaO2是与血液对两路光吸光度的变化之比呈线性对应关系,通过检测这种充血前后吸光度的变化求得SaO2。这种方法只利用了两个波长光的信息,忽略了其他波长光所含的信息,测量精度不能满足需要,重症患者仍然需要进行动脉取血检测血氧饱和度值。如何提高血氧饱和度无创检测精度成为国内外很多学者探究的问题,早在1964年,Shaw设计了一种八波长的自身调整的耳部血氧计,选取650~1050nm的八个光波,提供了更多吸收物质的数据;近期国内学者对三波长无创检测血氧饱和度的方法进行了研究,在婴幼儿的血氧检测方面取得了很好的效果,多波长检测越来越受到大家的重视。动态光谱法作为一种新的光谱检测方法,能有效的消除个体之间的差异以及测量环境对光谱检测的影响。动态光谱法被广泛应用在多波长光谱无创测量中,人体中多种血红蛋白含量检测等方面的研究均取得了很好的效果。本工作基于动态光谱的应用特点,采用单拍提取动态光谱的方法,利用多波长建模预测血氧饱和度值,充分利用不同波段的光谱信息,取得了比较理想的测量结果。1实验部分1.1高灵敏度光纤光谱的采集实验装置如图1所示。光源为50W的溴钨灯;测试部位选择了脉动比较明显的手指部位,考虑到光源通过人体组织后的衰减,实验时将人体手指直接置于光谱仪光信号入口处,使光源发出的光聚焦透过人体手指后,通过抗干扰型光纤接收直接由光谱仪进行采集;光谱仪采用AvaSpec-HS1024x58TEC高灵敏度光纤光谱仪,波长范围为200~1160nm;计算机和光谱仪中间通过USB数据线连接。1.2光谱分析和血氧饱和度检测被测对象为60名ICU患者,测前让受测者平卧放松,保持呼吸、情绪、心态稳定,左手食指置于光纤信号入口处,使食指指端完全遮挡住光纤入口,测量过程中让受测者保持指端压力稳定,光谱仪采集光谱数据并由计算机保存。设置计算机中AvaSoft光谱学软件的积分时间为10ms,采集点数为2000点。采集光谱数据的同时,记录被测者监护仪显示的血氧饱和度值,采集光谱数据后马上对病人进行动脉抽血,获取经过血气分析得到的血氧饱和度,作为实验参考真值。对于采集得到的光谱数据,采用动态光谱法进行预处理,提取被测者对应的动态光谱用于组合间隔偏最小二乘模型建立,通过模型预测得到对应被测者的血氧饱和度值。2结果与讨论2.1动血氧饱和度检测动态光谱法通过提取多波长下脉动血液部分的吸光度,即提取各单波长对应的单个对数脉搏波周期上吸光度的最大值与最小值的差值ΔOD构成动态光谱,利用动脉充盈与动脉收缩时吸光度的变化,来消除测量中由于皮肤组织和肌肉产生的个体差异以及测量环境对测量的影响。式中,ΔODλ,Ioλ,Iλmax,Iλmin分别为各个波长λ对应的脉动动脉血液吸光度、入射光强、最大出射光强(光电容积脉搏波峰值)、最小出射光强(光电容积脉搏波谷值),各波长下的ΔOD构成动态光谱,可知动态光谱只与脉动血液引起的光强变化有关,从而消除了非动脉血液成分对吸光度的影响。根据修正的Lambert-beer定律可知其中εi,ci,d分别为血液中某一成分的吸光系数、血液某一成分的浓度、最大充盈状态下脉动血液的等效光程长。因此,在得到各波长吸光度差值构成的动态光谱后,根据已知的血液中各组分的吸光系数和脉动血液等效光程,即可计算出血液中各成分的浓度ci,亦可计算血氧饱和度值。光谱仪采集得到的光谱数据是动态光谱的原始数据如图3所示,该光谱数据是一段时间内多次采样得到的波长及其对应光强值组成。图4为光谱仪采集得到的该被测者在波长为766.24nm处一段时间内原始脉搏波。由动态光谱的定义可知,吸光度只与各个波长对应的最大出射光强、最小出射光强有关。但是直接提取波形中的极值时,会存在误差,本工作在提取过程中采用单拍提取的方法。单拍提取法的基本思想是利用统计平均的方法提取各波长下峰峰值的对应比例关系,而非直接提取峰峰值。在算法实现中,单拍提取法有效剔除了脉搏波波形不稳定引入的误差,充分利用了采集得到的光谱数据,提高了动态光谱的信噪比。光谱仪采集到多个波长原始脉搏波后,经过单拍提取的方法处理后即可得到各波长下的最终动态光谱,如图5。由于光源波长范围与光谱仪特性的限制,选取波长范围为606.44~987.55nm,波长间隔约为0.92nm,共421个波长。2.2基于动态光谱的多波长血氧饱和度测量结果组合偏最小二乘法(synergyintervalpartialleastsquares,siPLS)是由Nue788rgaard等在2000年提出的间隔偏最小二乘的改进算法。该算法将全光谱数据等分为n份,通过不同区间个数的任意组合建模从而得到交叉验证均方根误差RMSECV最小的一组组合区间建立的稳健模型。经过动态光谱提取后,得到60组动态光谱-血氧饱和度数据样本。从60例数据中随机抽取45例作为校正集,剩余15例为预测集。将校正集的全光谱421个波长点等分为5~20个不同个数的子区间,并分别用2个、3个或多个区间组合建立偏最小二乘校正模型,对比得出当将全光谱等分为10个子区间,由[2346810]这6个子区间组合时模型的校正验证均方根误差(RMSECV)值最小为0.7269,被选择为建模谱区。最终确定建模波长范围为646.21~760.78,799.85~836.95,875.7~912.52,950.99~987.55nm,共252个波长点,建模主因子数为5。利用siPLS模型进行预测得到,预测值和生化分析血气值的相关系数为0.8443,相对误差为±0.0176,而在监护仪这种传统的两波长测量系统记录的值与生化分析血气值的相关系数为0.6230,相对误差为±0.1164。表明基于动态光谱的多波长光测量血氧饱和度方法与传统的两波长光测量方法相比,测量值与真值之间的相关性有所提高,而且测量误差明显降低,所得数据更加稳定。预测集样本的模型预测值、监护仪记录值与真实值之