基于脈搏色素譜分析的心輸出無創檢測系統及檢測方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種醫療檢測設備，尤其是基于脈搏色素譜分析的心輸出參數的無創 檢測系統及檢測方法。
【背景技術】
[0002] 按照臨床定義，心輸出（Cardiac output，CO)是指單側心室在單位時間（min)內 向循環系統所泵入的總血量，其單位為L/min。心輸出是對心臟及其周圍組織進行功能性評 價的一項重要心血流動力學參數。此外，通過心輸出指標還可以進一步推導出心臟血液循 環的容積、流量、壓力和阻力等其他參數。由此可見，心輸出在急、危重心臟疾病和肝病的病 情評估與手術監測中具有明確的應用意義。
[0003] 當前，醫學臨床上心輸出測量的"金標準"，是采用肺靜脈穿刺插管的"熱稀釋 法"。它的具體操作步驟是：首先由鎖骨下靜脈穿刺置入Swan-Ganz導管，進入右心房、右 心室和肺動脈；向右心房快速而平穩地注入溫度已知的指示劑，使之與血液混合后發生溫 度的變化；利用導管前方的熱敏傳感器，記錄該混合液體的溫度傳導時間曲線；最后，根據 Stewart-Hamilton熱量守恒方程，計算得到心輸出的數值。
[0004] 熱稀釋法具有準確度高和重復性好的優點，但是作為一種有創傷測量方法，容易 引起并發癥而導致患者死亡。此外，在臨床操作時必須將導管及時移除以避免感染，這使得 測量時間受到限制。
[0005] CN2451037Y公開了一種"經左心插管心輸出量測定導管":將導管以逆血流方向插 入左心室，使導管前端的熱敏電阻位于主動脈處；注入生理鹽水，使之與左心室的血液一起 被泵入主動脈；由熱敏電阻感知混合液體的溫度變化量，再通過外接的測量儀器，計算出心 輸出量的數值。使用該導管雖然可以直接測出左心室的排血量，但其采用的是一種有創傷 和非連續的檢測方法，操作過程復雜、安全性差，易發生感染，同時也給患者和操作人員帶 來壓力。
[0006] CN103315730A公開了一種"確定有效肺容量和心輸出量的方法":通過測定呼吸期 內的吸入和呼出氣流量，以及呼氣C02含量，確定肺泡二氧化碳分數與動脈血C02含量；根 據C02動力學參數，建立并求解超定方程組，從而得到心輸出量的數值。該方法雖然是一種 無創和連續的檢測手段，但其操作過程繁瑣，解析計算復雜，而且測量結果容易受到肺內分 流的影響，這些因素導致其在心輸出測量上的準確度不高。
[0007] CN101176663A公開了一種"脈搏波心輸出測量裝置":通過壓力傳感器檢測脈搏波 信號，對其進行放大、濾波和交、直流分量的分離處理；由交流分量估算出舒張期脈搏波按 指數衰減的時間常數T和平均動脈壓力MAP，進一步可解算出心輸出的數值。該裝置雖然 實現了心輸出參數的無創檢測，但其測量精度有限。此外，如果脈搏波傳感器的放置方式不 當，也容易引起皮膚損傷。
[0008] 根據以上分析可知，現有的心輸出測量法大多為有創或微創的測量方法，其操作 工序復雜，測量時間受限，醫護人員不易控制，患者容易感染，且測量精度不高。在目前已公 開的專利中，尚沒有根據ICG色素與血紅蛋白Hb的近紅外光譜吸光特性，通過建立色素譜 曲線和進行分析計算，實現心輸出參數無創測量的技術方法及系統的相關描述。

【發明內容】

[0009] 本發明的目的是針對現有心輸出測量方法存在的有創傷、非連續，以及操作復雜、 精度低的缺點，根據ICG色素和血紅蛋白Hb在近紅外區的吸收光譜特性，提供一種基于脈 搏色素譜分析實現的心輸出無創檢測系統及檢測方法。
[0010] 將作為稀釋和排泄試驗指示劑的Π 引噪氰綠（Indocyannie green,簡寫為ICG)色 素通過靜脈注入人體，同時在805nm和940nm這兩個特征吸光波長點上，從手指末端連續采 集脈搏波信號。人體動脈血液中的主要吸光物質是以氧合血紅蛋白〇2Hb與還原血紅蛋白 RHb形式存在的血紅蛋白Hb，以及注入的ICG色素。根據這些吸光物質在近紅外區的光譜 特性曲線，依據朗伯一比爾定律，對采集到的雙波長脈搏波信號進行交、直流成分分析，繪 制隨時間變化的ICG色素譜曲線，以此建立ICG色素與血液循環系統中稀釋與排泄的數學 模型，進一步可推導出心輸出參數的數值。該無創檢測方法對于臨床心血管疾病的診斷與 治療，以及急、危重心臟病與肝病的手術風險評估等，具有重要應用價值。
[0011] 本發明的目的是通過以下技術方案實現的：
[0012] 一種基于脈搏色素譜分析的心輸出無創檢測系統，是由計算機經微控制器和光源 驅動電路與指夾式光電脈搏波傳感器連接，指夾式光電脈搏波傳感器傳感器經單波長信號 分離電路分別連接微控制器和交流成分提取電路，交流成分提取電路與微控制器鏈接構 成。
[0013] 交流成分提取電路是由四階有源高通濾波器經二階有源低通濾波器、程控放大 器、電壓抬升電路、A/D轉換電路和低通濾波器與四階有源高通濾波器連接，A/D轉換電路 經微控制器與程控放大器連接構成。
[0014] 指夾式光電脈搏波傳感器是由外層保護套內裝有集成化雙波長發光二極管的發 射器和接收光電管構成。
[0015] 指夾式光電脈搏波傳感器的測量光源選擇805nm和940nm波長的入射光，在 805nm波長處ICG具有最大的吸光系數，O 2Hb與RHb的吸光系數相同；在940nm處ICG的吸 光系數為零，且O2Hb和RHb的吸收曲線都比較平緩且相接近。
[0016] 一種基于脈搏色素譜分析的心輸出無創檢測系統的檢測方法，包括以下步驟：
[0017] A、被檢測者盡量保持靜臥的姿勢，將指夾式光電脈搏波傳感器夾在右手食指部 位；
[0018] B、待被檢測者呼吸均勻后將5mg/ml的ICG注射液經左臂肘靜脈注入；
[0019] C、計算機發送數據采集指令，微控制器通過光源驅動電路，驅動指夾式光電脈搏 波傳感器的發光二極管光源向人體的手指末端皮膚分時發出805nm和940nm兩種波長的測 量光信號，對側的光電管接收對應的透射光信號，并將光信號轉換為電信號；
[0020] B、單波長信號分離電路對復合的雙波長脈搏波信號進行分離處理，獲得單波長信 號；
[0021] E、交流成分提取電路從單波長脈搏波信號中提取出其中的交流成分數據并上傳 至微控制器；
[0022] F、微控制器通過A/D轉換器，采集脈搏波信號的交、直流分量數據；
[0023] G、計算機接收微控制器發送的采樣數據，對交直流成分進行分析，繪制隨時間變 化的ICG色素譜曲線，建立ICG色素在血液循環系統中稀釋與排泄循環的數學模型，根據模 型得出心輸出的數值。
[0024] 計算機根據朗伯一比爾定律及ICG和血紅蛋白Hb在兩個波長點的吸光系數繪制 動脈血中隨時間變化的色素濃度曲線，并針對由于色素殘留所導致的色素譜曲線的再循環 上翹問題，將衰減曲線的末端向下擬合，使之與時間軸形成封閉的圖形，以此描述ICG色素 完整的排泄過程。
[0025] 計算機對ICG色素譜曲線進行雙線性變換法積分，將濃度曲線按時間平均分成η 個區間，對每個區間進行梯形積分以表示其與時間軸圍成區域的面積，當η無限大時，所有 區間的積分和就是色素譜曲線與時間軸圍成封閉圖形的總面積S，根據色素注入的起始含 量A與S的比值求得心輸出量CO的值。
[0026] 有益效果：本發明針對當前臨床心輸出檢測技術存在的有創傷、操作復雜和患者 易被感染等問題，提供了基于脈搏色素譜分析原理實現的心輸出無創檢測方法及其實現系 統。是根據心血管疾病的診斷與治療，以及急、危重心臟病與肝病的手術風險評估等臨床需 要，依據氧合血紅蛋白〇2Hb、還原血紅蛋白RHb和ICG色素在近紅外區的光譜特性，通過對 雙波長的脈搏波信號進行交、直流成分分離，繪制隨時間變化的ICG色素譜曲線，建立ICG 色素在血液循環系統中稀釋與排泄的數學模型，最終實現心輸出參數的無創測量。該方法 具有無創、可連續測量的優點，且測量結果受外界影響因素較小，精度較高，對于心血管疾 病的診斷與治療，急、危重癥病人的手術風險評估，以及術中的病情監測。該方法對于心血 管疾病的診斷與治療，急、危重癥病人的手術風險評估，以及術中的病情監測，具有重要作 用。
【附圖說明】
[0027] 圖1是基于脈搏色素譜分析的心輸出無創檢測系統結構框圖；
[0028] 圖2是指夾式光電脈搏波傳感器結構示意圖；
[0029] 圖3是（a)單波長信號分離電路圖；(b)交流成分提取電路圖；
[0030] 圖4是（a)光電脈搏波信號；(b)信號局部放大；
[0031] 圖5是脈搏波信號交流分量；
[0032] 圖6是吲哚氰綠（ICG)色素的分子結構及其與血漿蛋白結合的轉運方式；
[0033] 圖7是氧合血紅蛋白02Hb、還原血紅蛋白RHb和ICG色素的吸收光譜特性曲線；
[0034] 圖8是ICG色素譜的稀釋與排泄循環曲線； 圖9是O2Hb和ICG的吸光系數標稱值
[0035] 表1是氧合血紅蛋白02Hb、還原血紅蛋白RHb和ICG色素在測量波長點的吸光系 數標稱值。
【具體實施方式】
[0036] 下面結合附圖和實例對本發明作進一步的詳細說明。
[0037] 一種基于脈搏色素譜分析的心輸出無創檢測系統，是由計算機經微控制器和光源 驅動電路與指夾式光電脈搏波傳感器連接，指夾式光電脈搏波傳感器傳感器經單波長信號 分離電路分別連接微控制器和交流成分提取電路，交流成分提取電路與微控制器鏈接構 成。
[0038] 交流成分提取電路是由四階有源高通濾波器經二階有源低通濾波器、程控放大 器、電壓抬升電路、A/D轉換電路和低通濾波器與四階有源高通濾波器連接，A/D轉換電路 經微控制器與程控放大器連接構成。
[0039] 指夾式光電脈搏波傳感器是由外層保護套內裝有集成化雙波長發光二極管的發 射器和接收光電管構成。
[0040] 指夾式光電脈搏波傳感器的測量光源選擇805nm和940nm波長的入射光，在805nm 波長處ICG具有最大的吸光系數，O2Hb與RHb的吸光系數相同；在940nm處ICG的吸光系 數為零，且O 2Hb和RHb的吸收曲線都比較平緩且相接近。
[0041] 一種基于脈搏色素譜分析的心輸出無創檢測系統的檢測方法，包括以下步驟：
[0042] A、被檢測者盡量保