CN114947838B - 一种颅内多点位血氧检测与闭环超声刺激装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种颅内多点位血氧检测与闭环超声刺激装置，属于颅内血氧检测系统领域，包括发出激光的激光发生器、对激光的出射方向进行可控调试的慢速振镜、传输激光照进与穿出颅内血管的光纤束、将光纤束固定在颅骨上的陶瓷插芯、将穿过血管的激光转换为电信号的光电探测器、将电信号转换为数字信号的数据采集卡、根据数字信号进行颅内血氧值计算与判断的处理器、发出超声波提升颅内血氧值的超声换能器和限制超声波输出方向的准直器；数据采集卡与超声换能器连接，控制超声换能器的开启与关闭。本发明能够在低成本、微入侵状态下准确、连续、实时、多点位地测量出颅内血氧饱和度的同时，对颅内低血氧状态进行同步提升。

Description

一种颅内多点位血氧检测与闭环超声刺激装置

技术领域

本发明涉及颅内血氧检测系统领域，尤其是一种颅内多点位血氧检测与闭环超声刺激装置。

背景技术

氧气作为人体组织活动的基础，人体内细胞维持正常的生存和活动都有赖于氧的连续充足的供应。许多呼吸系统的疾病会引起人体血液中氧含量的下降，甚至会威胁到人的生命，短短几分钟的缺氧也会导致大脑组织的不可逆损伤。所以实时监测人体内血红蛋白的氧合程度，对临床诊断和治疗工作至关重要。

目前国内对颅内血氧检测的方法大多还是在颈动脉和颈静脉埋置导管，不定期采取颅内血氧，然后放置于血气分析仪内进行检测。事实证明对颅内血氧的实时监测，可以降低手术中和手术后患者发生脑中风的概率，并且可以缩短患者在重症监护室的住院时间等。

然而，目前国内对颅内血氧监测的手段具有侵入性，会导致较大风险的产生。由于需要在动脉进行插管，尤其对于中老年人，如果止血工作存在一丝的马虎，就会导致体内出血，造成病情的加重。其次，该手段为有创采血检验，只能在某些特定的时间点进行数据采集，不能作为监护手段进行颅内血氧的实时监测。

因此，有必要研发一种能够准确、连续、实时、多点位地测量出颅内血氧值的微入侵式颅内血氧检测装置。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种颅内多点位血氧检测与闭环超声刺激装置，能够在低成本、微入侵状态下准确、连续、实时、多点位地测量出颅内血氧饱和度的同时，对颅内低血氧状态进行同步提升。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种颅内多点位血氧检测与闭环超声刺激装置，包括发出激光的激光发生器、对激光的出射方向进行可控调试的慢速振镜、传输激光照进与穿出颅内血管的光纤束、将光纤束固定在颅骨上的陶瓷插芯、将穿过血管的激光转换为电信号的光电探测器、将电信号转换为数字信号的数据采集卡、根据数字信号进行颅内血氧值计算与判断的处理器、发出超声波提升颅内血氧值的超声换能器和限制超声波输出方向的准直器；所述数据采集卡与所述超声换能器相连。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述激光发生器发出激光的波长为488nm。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述慢速振镜为检流计型慢速振镜。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述光纤束包括若干个通道，每个通道上成对设置的传输激光照进颅内血管的入射光纤和收集并传输穿出颅内血管激光的出射光纤，所述入射光纤与出射光纤均为多模光纤。

本发明技术方案的进一步改进在于：每对入射光纤和出射光纤通过陶瓷插芯固定在颅骨上的同一纬度，夹角为预设角度。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述光电探测器包括集成的光电倍增管和前端放大器。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述处理器中进行颅内血氧值计算与判断的方法，包括以下步骤：

S1、对激光强度数据进行分通道预处理，通过改变慢速振镜的控制电压，改变慢速振镜的方向，使激光依次穿过每个通道的入射光纤和出射光纤，并由处理器通过数据采集卡采集出射光纤上的激光强度数据，将激光强度数据按慢速振镜的控制电压，分通道对应每个颅内点位；

S2、对分通道预处理后的激光强度数据进行小波分解与重构法去噪后，应用希尔伯特黄变换提取激光强度数据变化特征值；

S3、将激光强度数据变化特征值转换为每个通道的颅内血氧饱和度信号；

S4、通过每个通道的颅内血氧饱和度信号与阈值比较，当任一通道的颅内血氧饱和度信号小于阈值时，处理器通过数据采集卡控制超声换能器开启，发出超声波提升颅内血氧值。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

1、本发明由激光发生器产生激光，经过慢速振镜按照一定的频率射入光纤束到达颅内的某些重要血管，再经另一光纤束对摄入颅内的激光进行漫反射收集，将光信号传输到光电倍增管完成光信号与电信号的转换工作，在经过信号放大器和数据的滤波环节去除原始信号中的绝大多数的干扰信号，最终在处理器上输出颅内的血氧饱和度数据信号。

2、本发明中的超声换能器会根据血氧饱和度信号按照系统期望值通过配置策略调整超声换能器下次对实验对象的信号参数，使得超声换能器按照USB-6001发出的调整后的参数对实验对象发射超声波，产生血氧饱和度信号，达到颅内刺激的闭环控制，如此闭环反复循环调节，直至达到设定的血氧饱和度。

3、本发明能够自动检测颅内血氧饱和度和给予超声刺激信号，同时可以对颅内进行多点位的血氧饱和度数据采集，并且使用微侵入式的手段，可以在实验的方式上尽可能的减少干扰信号，对数据的准确性进一步提升，真正的做到检测和治疗的一体。

4、本发明能够实现低成本下的颅内多点位血氧检测与闭环超声刺激。

附图说明

图1是本发明中颅内多点位血氧检测与闭环超声刺激装置示意图；

图2是本发明中多点位血氧检测与闭环超声刺激装置工作流程图；

其中，1、激光发生器，2、慢速振镜，3、光纤束，3-1、入射光纤，3-2出射光纤，4、陶瓷插芯，5、光电探测器，6、数据采集卡，7、超声换能器，8、准直器。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明：

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”……仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”……的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“若干个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

如图1所示，一种颅内多点位血氧检测与闭环超声刺激装置，包括发出激光的激光发生器1、对激光的出射方向进行可控调试的慢速振镜2、传输激光照进与穿出颅内血管的光纤束3、将光纤束3固定在颅骨上的陶瓷插芯4、将穿过血管的激光转换为电信号的光电探测器5、将电信号转换为数字信号的数据采集卡6、根据数字信号进行颅内血氧值计算与判断的处理器、发出超声波提升颅内血氧值的超声换能器7和限制超声波输出方向的准直器8；数据采集卡6与超声换能器7连接，控制超声换能器7的开启与关闭。

所述激光发生器1发出激光的波长为488nm。

所述慢速振镜2为检流计型慢速振镜。

所述光纤束3包括若干个通道，每个通道上成对设置的传输激光照进颅内血管的入射光纤3-1和收集并传输穿出颅内血管激光的出射光纤3-2，所述入射光纤3-1与出射光纤3-2均为多模光纤；每对入射光纤3-1和出射光纤3-2通过陶瓷插芯4固定在颅骨上的同一纬度，夹角为预设角度，预设角度一般为60°，若干对入射光纤3-1和出射光纤3-2设置在颅骨多位置上，实现了颅内多点位血氧饱和度测量。

所述光电探测器5包括集成的光电倍增管和前端放大器。

如图2所示，多点位血氧检测与闭环超声刺激装置工作流程中，所述处理器根据数字信号进行颅内血氧值计算与判断方法，包括以下步骤：

S1、对激光强度数据进行分通道预处理，通过改变慢速振镜2的控制电压，改变慢速振镜2的方向，使激光依次穿过每个通道的入射光纤3-1和出射光纤3-2，并由处理器通过数据采集卡6采集出射光纤3-2上的激光强度数据，将激光强度数据按慢速振镜2的控制电压，分通道对应每个颅内点位；

由于光纤束3包括多通道激光强度数据，因此需要对数据进行分通道预处理。在预处理的过程中，通过处理器改变慢速振镜2的控制电压，将出射光纤3-2上采集到的激光强度数据划分到对应的通道。在现有的技术上实现了颅内多点位血氧检测。

以双通道模式举例，慢速振镜2为第一电压时对应第一通道，慢速振镜2为第二电压时对应第二通道，即第一电压时间段采集到的数据就是第一通道对应脑区记录到的血氧饱和度信息，第二电压时间段采集到的数据就是第二通道对应脑区记录到的血氧饱和度信息，实现激光强度数据与通道及脑区对应。

S2、对分通道预处理后的激光强度数据进行小波分解与重构法去噪后，应用希尔伯特黄变换提取激光强度数据变化特征值；

在以往的颅内血氧饱和度信号分析中，广泛采用快速傅里叶变换的方法研究。信号在傅里叶变换时，把信号在时频上的变化反应在频域上，展示了信号在整个变化周期内的频率情况，但对信号的类型要求比较高，如果信号是平稳的，根据变换结果即可得到信号的特征。

在实际的工程中，血氧饱和度信号往往不是平稳信号，其频率随着时间及实验任务的设置有着较大的差异，因此仅使用傅里叶变换处理信号，无法达到时间分辨率与频率分辨率都得到较好的结果，尤其无法观察到血氧饱和度信号频域特征在时间变化时因任务刺激而产生对应的变换特征，因此，要对反应血氧饱和度信号的激光强度数据进行处理。

S2.1、对分通道预处理后的激光强度数据进行小波分解与重构法去噪；

本发明采用基于Mallat小波分解重构法，基于Mallat小波分解重构法可以消除基线漂移以及环境高频干扰分量，通过对信号进行多尺度化分析，能够有效的提取激光强度数据中的有用信息，采用小波重构去噪法可以将高频部分以及基线漂移去除。

小波分解重构法在一维信号中应用时，首先使用小波分解激光强度数据，选择的小波基根据小波函数的数学特性和小波的尺度函数。

设多尺度分析的生成元为φ(t)，若<ψ(t-k)；k∈z>构成W₀中的一组标准正交基，l²(Z)为离散域能量限度，滤波器系数为g_n∈l²(Z)，表示滤波器系数在离散域上能量有限，构造的系数列为h_n∈l²(Z)，表示构造的系数在离散域上能量有限，则尺度函数φ(t)和小波函数ψ(t)满足以下双尺度方程：

则激光强度数据的Mallat小波分解重构法算法如下：

1分解算法

其中，j-1尺度空间的尺度函数经过滤波器系数g_n进行加权求和得到对应与j尺度空间的尺度系数和小波系数

2重构算法

选择用Sym8小波函数的数学特性为正交但不严格对称；Sym8小波的尺度函数很接近血氧饱和度信号的特征波段，所以选择Sym8小波对血氧饱和度信号进行去噪处理。确定血氧饱和度信号的分解层数，血氧饱和度信号的频率范围3～40Hz；常见的干扰为环境光干扰，其频率从为7～2000Hz；基线漂移一般频率<1Hz。将基线漂移的频率和高频干扰频率段置零。

将使用除基线漂移和高频段以外的频段对激光强度数据进行重构，重构的信号就是去噪后的激光强度数据。经使用Matlab演示结果，设定激光强度数据的采样频率为300Hz，起始时间为20s，去信号长度为N＝2048点。由于激光强度数据的频率范围为3～40Hz，又由于基线的频率小于1Hz，常见的干扰为环境光干扰，其频率从为7～2000Hz。由此本设计把低频段的基线漂移和高频段的环境光干扰直接置零，把其它的激光强度数据进行重构。

S2.2、应用希尔伯特黄变换提取激光强度数据变化特征；

然后使用希尔伯特黄变换HHT去掉低频分量信号和从大量的激光强度数据中提取有用的变化特征。对于去除基线漂移和高频噪声来说，小波分解重构法相对希尔伯特黄变换法更有优势。但是对于低频噪声希尔伯特黄变换法则更有优势。希尔伯特黄变换首先经验模态分解EMD，经过EMD分解之后，复杂的信号被分解成若干个频率从高到低的固有模态函数IMF，产生的数据序列因此具有不相同的特征值，去除掉低频噪声的模态分量。

激光强度数据经过EMD分解之后，对每个进行Hilbert变换，得到Hilbert谱，也就是每一个IMF在整个时间区域内的瞬时频率。由于HHT有着自适应的优点，不需要像傅里叶变换那样提前学好基底，对于不同的测试对象，不同的信号都可以自适应的处理。

S3、将激光强度数据变化特征值转换为每个通道的颅内血氧饱和度信号；

处理器根据每对入射光纤3-1上的激光强度和经过S2处理的出射光纤3-2上的激光强度的变化以及每对入射光纤3-1与出射光纤3-2之间的夹角，计算每个通道的颅内血氧值，转换为每个通道的颅内血氧饱和度信号；

S4、通过每个通道的颅内血氧饱和度信号与阈值比较，当任一通道的颅内血氧饱和度信号小于阈值，处理器通过数据采集卡6控制超声换能器7开启，发出超声波提升颅内血氧值。

实施例

激光发生器1选用L488P60，该激光发生器能发射出488nm波长的蓝光，同时其功率只有60mw可以使其对电量的消耗达到最小。

检流计型慢速振镜2选用GVS0012KHz，2KHz的频率可以满足设备对数据的采集要求。

光纤束3包括若干根均匀排列的多模光纤，单根多模光纤采用直径200um、数值孔径为0.39的光纤，直径越小，在植入大脑后对大脑的损伤也就越小，并且其数值孔径达到0.39可以保证激光在光纤内的传输功率达到最大化。

光电探测器5中的光电倍增管选用H10720-210，具有尺寸小、高增益、宽动态范围和高速响应等优点，可以保证将光信号转化为电信号的准确性。

数据采集卡6选用USB-6001，USB-6001提供了模拟I/O、数字I/O和一个32位计数器，具有轻便的机械外壳，采用总线供电，非常便于携带。多功能I/O设备的I/O提供不同的通道、采样率、输出率可以满足对颅内血氧饱和度数据的采集和传输工作。

超声换能器7是一种将电磁能转化为机械能的装置，选用V301-SU，其直径为31mm，与准直器8配合使用，其中心频率为500KHz。超声换能器7用于接受数据采集卡6的控制信号并发射超声波输出。超声换能器7由压电陶瓷或其他的磁致伸缩材料制成，属于二类医疗器械，对人体的康复有着重要作用，未来的应用前景也十分明朗。

准直器8固定连接在超声换能器的输出端，配置用于将超声波输出限制在设定的范围内向实验对象发射。

工作原理

光纤测量颅内血氧饱和度的原理依据郎伯比尔定律，该定律又称为光吸收基本定律。其物理意义为：当一束平行单色光垂直通过某一均匀非散射的吸光物质时，其吸光度与吸光物质的浓度以及吸收层厚度成正比，而与透光度成反比。根据郎伯比尔定律，血液对光的吸收随着氧合血红蛋白的比例改变，但皮肤，肌肉，骨骼，静脉血等对光的吸收是恒定不变的。颅内多点位血氧检测与闭环超声刺激装置，将一束488nm的激光通过慢速振镜2依次照射入射光纤3-1，将激光依次传导至颅内某些重要的部位，照射氧合血红蛋白，因为血管壁以及血液中其他物质对光的吸收度恒定不变，那么漫反射后的光线就可以反应血液中的氧合血红蛋白含量。光线经过漫反射之后，由出射光纤3-2负责收集并传输到光电倍增管进行光信号与电信号的转换工作，这里应该注意使入射光纤3-1与出射光纤3-2之间存在一定的夹角，以便对漫反射之后的光进行收集，由于夹角的大小也会对最后得到的数据产生影响，所以最后经过处理器根据夹角的大小，入射光的强度以及光电倍增管的电信号数据来对颅内血氧饱和度进行计算。这里因为光信号转换为电信号之后的电信号非常微弱，需要设置一个前端放大器，将电信号进行放大。使用数据采集卡6将光电倍增管的电信号转换成数字信号，并将数字信号传输到处理器，本实施例中设定数据采集卡6的采集频率为2KHz，足以满足血氧饱和度信号的采集要求。

本发明的方案已提交给燕山大学动物伦理与管理委员会并获得批准。

综上所述，本发明能够在低成本、微入侵状态下准确、连续、实时、多点位地测量出颅内血氧饱和度的同时，对颅内低血氧状态进行同步提升。

Claims (4)

1.一种颅内多点位血氧检测与闭环超声刺激装置，其特征在于：包括发出激光的激光发生器（1）、对激光的出射方向进行可控调试的慢速振镜（2）、传输激光照进与穿出颅内血管的光纤束（3）、将光纤束（3）固定在颅骨上的陶瓷插芯（4）、将穿过血管的激光转换为电信号的光电探测器（5）、将电信号转换为数字信号的数据采集卡（6）、根据数字信号进行颅内血氧值计算与判断的处理器、发出超声波提升颅内血氧值的超声换能器（7）和限制超声波输出方向的准直器（8）；所述数据采集卡（6）与所述超声换能器（7）相连；

所述光纤束（3）包括若干个通道，每个通道上成对设置的传输激光照进颅内血管的入射光纤（3-1）和收集并传输穿出颅内血管激光的出射光纤（3-2），所述入射光纤（3-1）与出射光纤（3-2）均为多模光纤；每对入射光纤（3-1）和出射光纤（3-2）通过陶瓷插芯（4）固定在颅骨上的同一纬度，夹角为预设角度；

所述处理器实现颅内血氧值计算与判断，颅内血氧值计算与判断的方法，包括以下步骤：

S1、对激光强度数据进行分通道预处理，通过改变慢速振镜（2）的控制电压，改变慢速振镜（2）的方向，使激光依次穿过每个通道的入射光纤（3-1）和出射光纤（3-2），并由处理器通过数据采集卡（6）采集出射光纤（3-2）上的激光强度数据，将激光强度数据按慢速振镜（2）的控制电压，分通道对应每个颅内点位；

S2、对分通道预处理后的激光强度数据进行小波分解与重构法去噪后，应用希尔伯特黄变换提取激光强度数据变化特征值；

S3、将激光强度数据变化特征值转换为每个通道的颅内血氧饱和度信号；

S4、通过每个通道的颅内血氧饱和度信号与阈值比较，当任一通道的颅内血氧饱和度信号小于阈值时，处理器通过数据采集卡（6）控制超声换能器（7）开启，发出超声波提升颅内血氧值。

2.根据权利要求1所述的一种颅内多点位血氧检测与闭环超声刺激装置，其特征在于：所述激光发生器（1）发出激光的波长为488nm。

3.根据权利要求1所述的一种颅内多点位血氧检测与闭环超声刺激装置，其特征在于：所述慢速振镜（2）为检流计型慢速振镜。

4.根据权利要求1所述的一种颅内多点位血氧检测与闭环超声刺激装置，其特征在于：所述光电探测器（5）包括集成的光电倍增管和前端放大器。