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；
[0043] 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；
[0044] 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；
[0045] 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；
[0046] 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；
[0047] 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；
[0048] 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。
[0049] 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。
[0050] 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。
[0051] 基于脈搏色素譜分析的心輸出無創檢測方法及其實現系統，是由指夾式光電脈搏 波傳感器，光源驅動電路、單波長信號分離電路、交流成分提取電路，以及微控制器與計算 機組成的上、下位機系統，它的總體結構如圖1所示。其中，指夾式光電脈搏波傳感器的外 層采用軟質保護套，內嵌集成化的雙波長發光二極管和接收光電管。在脈搏波傳感器工作 時，從人體的手指末端采集到脈搏波信號。圖2是指夾式光電脈搏波傳感器的結構示意圖。 由于傳感器輸出的脈搏波信號是包含交、直流成分的雙波長復合信號，需要對其進行單波 長分離和交流成分提取的處理。
[0052] 具體方法是：首先在單波長信號分離電路中，利用與光源驅動信號同步的方波信 號，控制數控模擬開關，將復合脈搏波信號分離為兩路單波長的信號，其次在交流成分提取 電路中，對分離后的單波長脈搏波信號進行處理，以便將微弱的交流成分提取出來。圖3 是單波長信號分離電路和交流成分提取電路的原理圖。圖4和圖5則分別給出了脈搏波及 其交流成分的信號波形。系統中的微控制器除了完成對各功能模塊的控制以外，也通過內 置的A/D轉換器采集脈搏波數據，并將數據發送至上位計算機。上位計算機完成脈搏波數 據接收、吸光度計算、ICG色素譜曲線繪制，以及心輸出的數值計算等。
[0053] 基于脈搏色素譜分析的心輸出無創檢測方法及其實現系統是通過靜脈注射ICG 色素，實時分析其稀釋和排泄的代謝情況，從而計算心輸出參數的一種無創測量手段。ICG 作為一種三羰花氰類染料（分子式為C43H47N2Na06S2)，經靜脈注入血液后能迅速而完全 的與血紅蛋白Hb結合，隨動脈血流遍全身。由于只被肝細胞清除，無腸肝循環，ICG在跨肝 竇側膜轉運時呈主動轉運方式，并最終排泄至膽汁中，導致ICG在血漿中的濃度呈指數規 律下降。由以上分析可知，ICG色素可用作臨床人體心血流動力學參數測量的一種理想指 示劑。圖6是ICG色素的分子結構及其與血紅蛋白結合的轉運方式示意圖。
[0054] ICG色素進入人體后，隨著血液循環而在全身分布。依據朗伯一比爾定律，指夾式 光電脈搏波傳感器發射的805nm和940nm這兩種波長的測量光信號，同時受到血紅蛋白Hb 和ICG色素的吸收作用。根據圖7所示的氧合血紅蛋白02Hb、還原血紅蛋白RHb和ICG色 素在近紅外區的吸收光譜曲線，在手指末端接收到的透射光信號，對于影響其吸光度測量 值準確性的因素分析如下：在805nm波長，ICG具有最大的吸光系數，而02Hb和RHb的吸光 系數則相同；在940nm波長，ICG的吸光系數為零，而02Hb和RHb的光譜曲線變化平緩且相 互靠近，一旦發生光源波長偏離或血氧波動的情況，其對吸光度的影響最小。綜上考慮，為 降低血氧波動對測量精度的影響，提高ICG色素譜的測量精度，選擇805nm和940nm作為色 素譜測量的特征波長。表1給出了氧合血紅蛋白〇2Hb、還原血紅蛋白RHb和ICG色素在特 征測量波長的吸光系數標稱值。
[0055] 基于脈搏色素譜分析的心輸出無創檢測方法及其實現系統是根據公式（1)完成 人體內ICG色素濃度計算的
[0056] (I)
[0057] 其中Cp 分別表示血液中ICG與Hb的濃度以及二者在805nm處的 JC / DC 吸光系數，940表亦Hb在940nm處的吸光系數， Φ805/940 ~ ^ 稱為脈動量比，分式 ^^940 ^ ^^940 的上下分別表不805nm透射光的交直流成分之比以及940nm透射光的交直流成分之比。
[0058] 圖8是稀釋與排泄試驗的ICG色素譜曲線。為了完整的表示ICG色素的排泄過程， 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。通過雙線性變換法積分計算該封閉圖形的面積，即可推算 出心輸出量的數值。
[0059] 脈搏色素譜分析心輸出量原理
[0060] 將總質量為A(單位：mg)的ICG色素經靜脈注入人體后，其在血液中的濃度為 C (單位：mg/L)。如果流過動脈血管橫截面的血流速度為V (單位：L/min)，全部色素微粒由 該橫截面流過的時間為T (單位：min)，則有
[0061] A = VXCXT (2)
[0062] 即單位時間內通過該截面的血液體積W(單位：L)為
【主權項】
1. 一種基于脈搏色素譜分析的心輸出無創檢測系統，其特征在于，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。
2. 按照權利要求1所述的基于脈搏色素譜分析的心輸出無創檢測系統，其特征在于， 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。
3. 按照權利要求1所述的基于脈搏色素譜分析的心輸出無創檢測系統，其特征在于， 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。
4. 按照權利要求1所述的基于脈搏色素譜分析的心輸出無創檢測系統，其特征在于， 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O2Hb和RHb的吸收曲線都比較平緩且相接近。
5. -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，其特征在于，包括以 下步驟： 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； 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； 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； D、 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； 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； 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； 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。
6. 按照權利要求5所述的基于脈搏色素譜分析的心輸出無創檢測系統的檢測方法，其 特征在于，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。
7. 按照權利要求5所述的基于脈搏色素譜分析的心輸出無創檢測系統的檢測方法，其 特征在于，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n 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n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。
【專利摘要】本發明涉及一種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,是由指夾式光電脈搏波傳感器、光源驅動電路、單波長信號分離電路、交流成分提取電路構成。本發明通過靜脈注射吲哚氰綠(ICG)色素并通過指夾式光電脈搏波傳感器在指端連續、同步采集805nm和940nm這兩個特征波長的脈搏波信號，根據色素和血紅蛋白在近紅外波段的吸收光譜特性，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，根據曲線建立ICG在血液循環系統中稀釋與排泄的數學模型，最終實現對心輸出參數無創檢測的目的。心輸出量的測量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，具有重要意義。
【IPC分類】A61B5-029, A61B5-02
【公開號】CN104688198
【申請號】CN201510028521
【發明人】牛俊奇, 劉光達, 周潤東, 高普均, 王永祥, 查雨彤, 蔡靖, 王偉, 王憲忠
【申請人】吉林大學
【公開日】2015年6月10日
【申請日】2015年1月20日