RU2501522C2 - Method of determining hemoglobin concentration in biological tissues - Google Patents
Method of determining hemoglobin concentration in biological tissues Download PDFInfo
- Publication number
- RU2501522C2 RU2501522C2 RU2012108900/14A RU2012108900A RU2501522C2 RU 2501522 C2 RU2501522 C2 RU 2501522C2 RU 2012108900/14 A RU2012108900/14 A RU 2012108900/14A RU 2012108900 A RU2012108900 A RU 2012108900A RU 2501522 C2 RU2501522 C2 RU 2501522C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- radiation
- hemoglobin
- hemoglobin concentration
- tissue
- concentration
- Prior art date
Links
- 108010054147 Hemoglobins Proteins 0.000 title claims abstract description 38
- 102000001554 Hemoglobins Human genes 0.000 title claims abstract description 38
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 19
- 239000002075 main ingredient Substances 0.000 claims 1
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 abstract description 30
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 26
- 210000002615 epidermis Anatomy 0.000 abstract description 7
- INGWEZCOABYORO-UHFFFAOYSA-N 2-(furan-2-yl)-7-methyl-1h-1,8-naphthyridin-4-one Chemical compound N=1C2=NC(C)=CC=C2C(O)=CC=1C1=CC=CO1 INGWEZCOABYORO-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 6
- 108010003320 Carboxyhemoglobin Proteins 0.000 abstract description 6
- 108010061951 Methemoglobin Proteins 0.000 abstract description 6
- 108010002255 deoxyhemoglobin Proteins 0.000 abstract description 6
- 108010064719 Oxyhemoglobins Proteins 0.000 abstract description 5
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 abstract description 3
- 239000003814 drug Substances 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 230000008030 elimination Effects 0.000 abstract 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 abstract 1
- 230000007717 exclusion Effects 0.000 abstract 1
- 210000003491 skin Anatomy 0.000 description 20
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 15
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 11
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 description 10
- 239000008280 blood Substances 0.000 description 10
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 9
- 239000013598 vector Substances 0.000 description 9
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 8
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 6
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 6
- 210000004207 dermis Anatomy 0.000 description 5
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 5
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 5
- XUMBMVFBXHLACL-UHFFFAOYSA-N Melanin Chemical compound O=C1C(=O)C(C2=CNC3=C(C(C(=O)C4=C32)=O)C)=C2C4=CNC2=C1C XUMBMVFBXHLACL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 4
- 208000012641 Pigmentation disease Diseases 0.000 description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 3
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 3
- 238000000342 Monte Carlo simulation Methods 0.000 description 2
- 230000000747 cardiac effect Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 210000004400 mucous membrane Anatomy 0.000 description 2
- 210000000056 organ Anatomy 0.000 description 2
- 230000019612 pigmentation Effects 0.000 description 2
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 2
- 230000033764 rhythmic process Effects 0.000 description 2
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 2
- 238000001356 surgical procedure Methods 0.000 description 2
- 208000032843 Hemorrhage Diseases 0.000 description 1
- 206010027476 Metastases Diseases 0.000 description 1
- 206010067268 Post procedural infection Diseases 0.000 description 1
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 1
- 210000003484 anatomy Anatomy 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008081 blood perfusion Effects 0.000 description 1
- 210000004204 blood vessel Anatomy 0.000 description 1
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 1
- 210000002808 connective tissue Anatomy 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000002059 diagnostic imaging Methods 0.000 description 1
- 238000005315 distribution function Methods 0.000 description 1
- 229940079593 drug Drugs 0.000 description 1
- 210000000624 ear auricle Anatomy 0.000 description 1
- 210000003743 erythrocyte Anatomy 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 108010036302 hemoglobin AS Proteins 0.000 description 1
- 230000001771 impaired effect Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 1
- 230000004199 lung function Effects 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001575 pathological effect Effects 0.000 description 1
- 238000005375 photometry Methods 0.000 description 1
- 230000035479 physiological effects, processes and functions Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000005295 random walk Methods 0.000 description 1
- 238000000611 regression analysis Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000012549 training Methods 0.000 description 1
- 230000001131 transforming effect Effects 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области лабораторного медицинского анализа, аналитического приборостроения.The invention relates to the field of laboratory medical analysis, analytical instrumentation.
Содержание гемоглобина в крови определяет жизнедеятельность всего организма человека, поэтому мониторинг гемоглобина, является необходимой клинической процедурой для достоверной оценки текущего состояния пациента и последующего прогноза развития критических состояний в анестезиологии, реаниматологии и интенсивной терапии. Процедура, используемая в настоящее время для определения уровня гемоглобина в крови, включает взятие пробы крови, обработку ее в трансформирующем растворе, с целью разрушения эритроцитов, и прямое фотометрирование полученной пробы. Данная процедура не обладает оперативностью, требуют строгого выполнения длительных операций и высокой квалификации медперсонала. При этом в анестезиологии и хирургии часто необходимо осуществлять непрерывный мониторинг уровня гемоглобина в крови, в частности при кровоизлиянии и переливании крови во время хирургических операций. Такой мониторинг дает непрерывную информацию о динамке изменений крови, что позволяет избежать лишних переливаний и связанных с ними осложнениями, такими как послеоперационное инфицирование, увеличение вероятности метастазов и нарушение функции легких. Необходимость неинвазивного и оперативного определения содержания гемоглобина в поверхностных слоях биологических тканей (кожа, слизистые оболочки органов) существует и в онкологии [1, 2].The hemoglobin content in the blood determines the vital activity of the entire human body, therefore monitoring of hemoglobin is a necessary clinical procedure for a reliable assessment of the patient’s current condition and subsequent prediction of the development of critical conditions in anesthesiology, resuscitation and intensive care. The procedure currently used to determine the level of hemoglobin in the blood includes taking a blood sample, processing it in a transforming solution to destroy red blood cells, and direct photometry of the resulting sample. This procedure does not have efficiency, they require strict implementation of lengthy operations and highly qualified medical staff. Moreover, in anesthesiology and surgery it is often necessary to continuously monitor the level of hemoglobin in the blood, in particular during hemorrhage and blood transfusion during surgical operations. Such monitoring provides continuous information on the dynamics of blood changes, which helps to avoid unnecessary transfusions and related complications, such as postoperative infection, increased likelihood of metastases and impaired lung function. The need for non-invasive and rapid determination of hemoglobin in the surface layers of biological tissues (skin, mucous membranes of organs) also exists in oncology [1, 2].
Известен способ определения гемоглобина и дисгемоглобиовых фракций, основанный на измерении прохождения света через пульсирующие сосуды в спектральных участках 600, 625, 660, 760, 800, 940 и 1300 нм. Для проведения измерений фотометриический датчик крепится на пальце или на мочке уха. Строгая привязка способа к анатомической части тела и кардиоритму в перфузии тканей кровью исключает возможность ее использования для определения содержания гемоглобина в поверхностных слоях кожи и слизистых оболочек органов, а также в тех случаях, когда кардиоритм отсутствует, например, при проведении операций на сердце.A known method for determining hemoglobin and dyshemoglobin fractions, based on measuring the passage of light through pulsating vessels in the spectral regions of 600, 625, 660, 760, 800, 940 and 1300 nm. For measurements, the photometric sensor is mounted on the finger or earlobe. Strict attachment of the method to the anatomical part of the body and cardiac rhythm in blood perfusion excludes the possibility of its use for determining the hemoglobin content in the surface layers of the skin and mucous membranes of organs, as well as in cases where the cardiac rhythm is absent, for example, when performing heart operations.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ [4], в котором измеряются коэффициенты диффузного отражения R(λ) биологической ткани на двух изобестических длинах волн окси-HbO2 и деоксигемоглобина Hb, а концентрация общего гемоглобина в ткани определяется на основе ее корреляции с отношением коэффициентов R(λ) для изобестических длин волн. Для предварительного установления данной корреляции используются измерения R(λ) для множества образцов биоткани или моделирующих ее фантомов с известным содержанием гемоглобина. К недостаткам данного метода следует отнести влияние на точность измерений вариаций рассеивающих свойств ткани и ее пигментации, отсутствие учета таких форм гемоглобина, как карбоксигемоглобин и метгемоглобин. Кроме того, устройство, реализующее данный метод требует калибровки перед каждым измерением, что затрудняет его применение в широкой клинической практике.Closest to the proposed invention is a method [4], in which the diffuse reflection coefficients R (λ) of biological tissue are measured at two isobestic wavelengths of oxy-HbO 2 and deoxyhemoglobin Hb, and the concentration of total hemoglobin in the tissue is determined based on its correlation with the ratio of the coefficients R (λ) for isobestic wavelengths. To preliminarily establish this correlation, R (λ) measurements are used for many samples of biological tissue or phantoms modeling it with a known hemoglobin content. The disadvantages of this method include the effect on the measurement accuracy of variations in the scattering properties of the tissue and its pigmentation, the lack of consideration for such forms of hemoglobin as carboxyhemoglobin and methemoglobin. In addition, a device that implements this method requires calibration before each measurement, which complicates its use in wide clinical practice.
Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи повышения точности определения концентрации общего гемоглобина в биологических тканях за счет учета присутствия в ней молекул оксигемоглобина, деоксигемоглобина, метгемоглобина и карбоксигемоглобина, исключения влияния вариаций параметров тонкого верхнего слоя ткани (например, эпидермиса кожи) и ее рассеивающих свойств, устранения калибровочных измерений, а также снижения стоимости способа.The present invention is aimed at solving the problem of improving the accuracy of determining the concentration of total hemoglobin in biological tissues by taking into account the presence of oxyhemoglobin, deoxyhemoglobin, methemoglobin and carboxyhemoglobin molecules in it, eliminating the influence of variations in the parameters of the thin upper layer of the tissue (for example, the epidermis of the skin) and its scattering properties, eliminating calibration measurements, as well as reducing the cost of the method.
Для решения данной задачи в способе измерения концентрации гемоглобина в биологических тканях путем посылки оптического излучения на ткань и измерения его диффузного отражения от ткани посылку излучения на ткань в одну или более точек осуществляют на длинах волн λ равных 524, 578 и 662 нм или 524, 578 и 773 нм, измеряют сигналы диффузного отражения P(Ln,λ,) при трех или более расстояниях Ln (n=1, 2, 3 …) между точками посылки и регистрации излучения, определяют нормированные сигналы
Сущность данного изобретения поясняется с помощью фиг.1, 2. На фиг.1 представлена схема экспериментальной установки, реализующей предлагаемый способ. Оптоволоконный зонд 5 для измерения коэффициентов диффузного отражения (КДО) биологических тканей содержит два передающих волокна (каналы возбуждения) 4 между которыми вплотную размещаются принимающие волокна (каналы регистрации) 7. Излучение от лазерных диодов 1 при помощи светоделительных пластинок 2 последовательно подается в каналы возбуждения 4. Рассеянное тканью 6 в заднее полупространство излучение попадает в принимающие волокна 7, через которые оно поступает на фотоприемники или фокусируется микрообъективом 8 на линейку ПЗС 9. Таким образом, излучение регистрируется одновременно во всех пространственных каналах регистрации. Сравнение профилей рассеянного излучения от симметрично расположенных каналов возбуждения позволяет оценить степень неоднородности освещаемого объема и тем самым выбирать оптимальный для проведения измерений участок кожи. В качестве альтернативы может использоваться такая конфигурация оптических волокон, при которой в центре зонда 5 находится канал посылки, а по нескольким направлениям от него симметрично размещаются каналы регистрации. Такая схема также позволяет выявлять неоднородность исследуемого участка ткани и, кроме того, позволяет увеличить уровень полезного сигнала на фоне шума за счет большей суммарной собирательной способности принимающих волокон.The essence of the present invention is illustrated using figure 1, 2. Figure 1 presents a diagram of an experimental installation that implements the proposed method. An
Регистрируемые сигналы P(L,λ) в рассматриваемой оптоволоконной схеме зависят от спектрально-пространственного профиля КДО - R(L,λ), а также от аппаратурных констант и мощности излучения лазерных диодов P0(λ):The recorded signals P (L, λ) in the considered optical fiber scheme depend on the spectral-spatial profile of the BWW - R (L, λ), as well as on the hardware constants and the radiation power of the laser diodes P 0 (λ):
где L - расстояние между центрами посылающего и принимающего волокон, λ - длина волны излучения, S(λ) - спектральная чувствительности приемника, τ(λ) - функция пропускания оптической системы. Коэффициенты R(L,λ) зависят от оптических параметров среды и собирательной способности оптических волокон. Для устранения необходимости калибровки измерений P(L,λ) будем оперировать с отношением сигналов для пространственно разнесенных каналов регистрации
Следует отметить, что помимо исключения калибровочных измерений, использование для решения обратной задачи отношений сигналов диффузного отражения для пространственно разнесенных точек на поверхности биологической ткани позволяет также исключить и влияние ее тонкого верхнего (например, эпидермиса кожи) на точность восстановления параметров нижнего слоя (например, дермы кожи). Это связано с тем, что оптические пути, проходимых светом в тонком верхнем слое, для рядом расположенных каналов регистрации примерно одинаковы и вычитаются при делении соответствующих им сигналов P(L,λ).It should be noted that in addition to excluding calibration measurements, the use of diffuse reflection signals for spatially spaced points on the surface of biological tissue to solve the inverse problem also makes it possible to exclude the influence of its thin upper (e.g., epidermis of the skin) on the accuracy of restoration of the parameters of the lower layer (e.g., dermis skin). This is due to the fact that the optical paths traveled by light in a thin upper layer are approximately the same for adjacent recording channels and are subtracted by dividing the corresponding signals P (L, λ).
Известно, что измерения диффузного рассеяния на нескольких расстояниях от точки освещения позволяют разделить вклады рассеяния и поглощения в регистрируемые сигналы. Если для решения обратной задачи использовать нормированные сигналы диффузного рассеяния rn(λ), то для одновременного определения объемных коэффициентов поглощения k(λ) и рассеяния µs(λ) биологической ткани необходимо осуществлять измерение ее рассеяния не менее чем на трех расстояниях от излучающего световода. Как было отмечено выше, отношения rn(λ) не зависят от параметров тонкого верхнего слоя ткани, например от ее пигментации, а значит, определяемые на их основе спектры k(λ) характеризуют компонентный состав только нижнего слоя. Его основой является слабопоглощающая, обескровленная ткань в которой проходят сосуды, наполненные кровью. Коэффициент поглощения крови определяется концентрацией общего гемоглобина и его химическим составом. В нормальных условиях гемоглобин на 96-98% состоит из оксигемоглобина HbO2. Содержание производных гемоглобина, не способных переносить кислород обычно не велико (1-4%), но при патологических состояниях может существенно увеличиваться. Клинически значимым производными гемоглобина являются деоксигемоглобин Hb, карбоксигемоглобин COHb и метгемоглобин MetHb.It is known that measurements of diffuse scattering at several distances from the point of illumination make it possible to separate the contributions of scattering and absorption to the recorded signals. If normalized diffuse scattering signals r n (λ) are used to solve the inverse problem, then for the simultaneous determination of volume absorption coefficients k (λ) and scattering μ s (λ) of biological tissue, it is necessary to measure its scattering at least three distances from the emitting fiber . As noted above, r n ratio (λ) does not depend on the parameters of a thin upper layer of tissue, such as its pigmentation, and thus determined based on their spectra k (λ) characterize the component composition of the lower layer only. Its basis is a weakly absorbing, bloodless tissue in which vessels filled with blood pass. The absorption coefficient of blood is determined by the concentration of total hemoglobin and its chemical composition. Under normal conditions, hemoglobin is 96-98% composed of oxyhemoglobin HbO 2 . The content of hemoglobin derivatives that are not able to carry oxygen is usually not large (1-4%), but in pathological conditions it can increase significantly. Clinically significant derivatives of hemoglobin are deoxyhemoglobin Hb, carboxyhemoglobin COHb and methemoglobin MetHb.
Исходя из анализа спектров поглощения Hb, HbO2, COHb и MetHb [5] для определения концентрации общего гемоглобина FtHb выбраны длины волн λ1=524 нм, λ2=578 нм, λ3=662 нм (или λ3=773 нм). Длина волны λ2 соответствует максимуму поглощения HbO2
Исходя из вышеизложенного, для определения концентрации общего гемоглобина в биологической ткани необходимы измерения ее диффузного отражения на длинах волн λ1, λ2 и λ3 не менее чем на трех расстояниях от точки освещения. Причем, исходя из точности определения FtHb, более предпочтительно восстанавливать данный параметр напрямую из измеряемых сигналов rn(λ), чем из коэффициентов k(λ). Однако сигналы rn(λ) содержат как спектральную, так и пространственную составляющие информации и не допускает простой одномерной интерпретации. Для удобства их анализа необходимо получить более однородную структуру данных. Значения ln rn(λ) можно рассматривать как компоненты случайного вектора r. Разложим вектор r по системе собственных векторов vk его ковариационной матрицы, образующих ортогональный базис [6]. Коэффициенты разложения ξk (главные компоненты) любой реализации вектора r находятся по формуле:Based on the foregoing, to determine the concentration of total hemoglobin in biological tissue, it is necessary to measure its diffuse reflection at wavelengths λ 1 , λ 2 and λ 3 at least three distances from the point of illumination. Moreover, based on the accuracy of determination of F tHb , it is more preferable to restore this parameter directly from the measured signals r n (λ) than from the coefficients k (λ). However, the signals r n (λ) contain both the spectral and spatial components of the information and do not allow a simple one-dimensional interpretation. For the convenience of their analysis, it is necessary to obtain a more uniform data structure. The values ln r n (λ) can be considered as components of the random vector r. We expand the vector r in terms of the system of eigenvectors v k of its covariance matrix forming an orthogonal basis [6]. The expansion coefficients ξ k (main components) of any implementation of the vector r are found by the formula:
где
С точки зрения оперативности мониторинга концентрации гемоглобина представляет интерес возможность ее расчета на основе аналитического выражения, связывающего ее с главными компонентами измерений rn(λ) для трех вышеуказанных λ. Такое выражение может быть получено на основе измерений или численного расчета rn(λ) для множества образцов биоткани или моделирующих ее фантомов с известными значениями FtHb и последующего регрессионного анализа ансамбля реализации FtHb и rn(λ) [7]. В частности, в качестве такого выражения может использоваться полиномиальная регрессияFrom the point of view of the efficiency of monitoring hemoglobin concentration, it is of interest to be able to calculate it on the basis of an analytical expression linking it with the main measurement components r n (λ) for the above three λ. Such an expression can be obtained on the basis of measurements or numerical calculation of r n (λ) for many samples of biological tissue or phantoms modeling it with known values of F tHb and subsequent regression analysis of the ensemble of implementation of F tHb and r n (λ) [7]. In particular, polynomial regression can be used as such an expression.
где М=6 - степень полинома. Численные значения коэффициентов akm определяются путем расчета по формуле (1) главных компонент ξk для всех реализации r (каждой из которых соответствует конкретное значение FtHb) и использования метода наименьших квадратов для аппроксимации статистической связи между ξk и FtHb. После получения векторов
Таким образом, способ определения концентрации общего гемоглобина в биологической ткани включает измерение сигналов ее диффузного рассеяния P(L,λ) на длинах волн λ1=524 нм, λ2=578 нм, λ3=662 нм или λ3=773 нм при трех или более расстояниях L между каналами возбуждения и регистрации, вычисление нормированных сигналов
Рассмотрим более детально процесс получения
где
(нм-1) - параметры, характеризующие спектральную зависимость kt; fmel=0.5-25% - объемная концентрация меланина в эпидермисе; MHb=64500 г/моль - молярная масса гемоглобина; FtHb=0.2-14 г/литр - концентрация общего гемоглобина в дерме; εHbO2, εHb, εCOHb и εMetHb - молярные коэффициенты поглощения соответственно оксигемоглобина, деоксигемоглобина, карбоксигемоглобина и метгемоглобина в см-1/(моль/литр); fHbO2=40-98%, fHb=1-40%, fCOHb=0.1-20%, fMetHb=0.1-20% - объемные концентрации производных гемоглобина; α(Dν) - корректирующий фактор, учитывающий эффект локализованного поглощения света кровеносными сосудами, Dν=5-30 мкм - средний диаметр капилляров.(nm -1 ) - parameters characterizing the spectral dependence of k t ; f mel = 0.5-25% - volume concentration of melanin in the epidermis; M Hb = 64500 g / mol - molar mass of hemoglobin; F tHb = 0.2-14 g / liter - the concentration of total hemoglobin in the dermis; ε HbO2 , ε Hb , ε COHb and ε MetHb are the molar absorption coefficients of oxyhemoglobin, deoxyhemoglobin, carboxyhemoglobin and methemoglobin, respectively, in cm -1 / (mol / liter); f HbO2 = 40-98%, f Hb = 1-40%, f COHb = 0.1-20%, f MetHb = 0.1-20% - volumetric concentrations of hemoglobin derivatives; α (D ν ) is a correction factor that takes into account the effect of localized absorption of light by blood vessels, D ν = 5-30 μm is the average diameter of capillaries.
Спектр редуцированного коэффициента рассеяния µs(λ) эпидермиса и дермы моделируется как суперпозиция спектров рассеяния, соответствующих рассеивателям Ми и Рэлея с размерами d≥λ и d<<λ соответственно:The spectrum of the reduced scattering coefficient µ s (λ) of the epidermis and dermis is modeled as a superposition of scattering spectra corresponding to Mie and Rayleigh scatterers with dimensions d≥λ and d << λ, respectively:
где λ0=632 нм; Cs=1-10 мм-1; ρMie=0.1-0.6 - доля рассеяния Ми; x=0.5-1.0 - параметр спектральной зависимости рассеяния Ми. Параметры Cs, ρMie и x являются структурными параметрами кожи, поскольку характеризуют объемное содержание и размер ее «эффективных» рассеивателей (волокон соединительной ткани). Следует отметить, что для учета возможного увеличения объемного коэффициента рассеяния кожи за счет контакта с ней измерителя, верхняя граница диапазона вариаций параметра Cs выбрана примерно в три раза выше максимального значения Cs для кожи человека.where λ 0 = 632 nm; C s = 1-10 mm -1 ; ρ Mie = 0.1-0.6 is the fraction of Mie scattering; x = 0.5-1.0 is the spectral dependence of the Mie scattering. The parameters C s , ρ Mie and x are structural parameters of the skin, since they characterize the volume content and size of its “effective” scatterers (connective tissue fibers). It should be noted that in order to take into account a possible increase in the volumetric coefficient of skin scattering due to the contact of the meter with it, the upper limit of the range of variations of the parameter C s is chosen approximately three times higher than the maximum value of C s for human skin.
Для моделирования вышеописанного эксперимента по распространению оптического излучения в коже человека используется метод Монте-Карло [8], основанный на прослеживании случайных блужданий большого количества фотонов (конкретно использовалось 3·106 фотонов) от точки их влета в среду до их поглощения или вылета из среды. После статистического моделирования траекторий всех фотонов рассчитывалась функция поверхностного распределения коэффициента направленного рассеяния:To simulate the above-described experiment on the propagation of optical radiation in human skin, the Monte Carlo method [8] is used, based on tracking random walks of a large number of photons (3 · 10 6 photons were specifically used) from the point of their entry into the medium until they are absorbed or released from the medium . After statistical modeling of the trajectories of all photons, the surface distribution function of the directional scattering coefficient was calculated:
где I - интенсивность излучения, выходящего из элементарной площадки на расстоянии r от начала координат в телесном угле ΔΩ=2πµΔµ, описанном вокруг направления µ=cosθ; F - поток излучения, падающего на среду в точке r=0 в направлении нормали к ее поверхности.where I is the intensity of the radiation emerging from the elementary site at a distance r from the origin in the solid angle ΔΩ = 2πµΔµ described around the direction µ = cosθ; F is the flux of radiation incident on the medium at the point r = 0 in the direction of the normal to its surface.
Для канала регистрации, расположенного на расстоянии L от канала возбуждения, определяемой величиной R(L,λ) является отношение мощности регистрируемого сигнала к мощности зондирующего светового пучка, которое, с учетом радиальной симметрии функции S(r,µ), можно записать как:For a recording channel located at a distance L from the excitation channel, determined by the value of R (L, λ) is the ratio of the power of the recorded signal to the power of the probe light beam, which, taking into account the radial symmetry of the function S (r, μ), can be written as:
где r0 и r - соответственно радиусы передающего и принимающего световодов; l=L-x, L - расстояние между световодами;
Расчет R(L,λ) осуществляется по следующей схеме. Случайным образом выбираются значения модельных параметров из вышеуказанных диапазонов, и производился расчет µs(λ), kepi(λ) и kderm(λ). Для каждой реализации оптических параметров кожи методом Монте-Карло вычисляются коэффициенты R(L,λ), соответствующие конкретным геометрическим параметрам используемой схемы оптоволоконных измерений диффузного рассеяния (диаметр сердцевины волокон, расстояние между ними и их числовая апертура).The calculation of R (L, λ) is carried out according to the following scheme. The values of model parameters are randomly selected from the above ranges, and μ s (λ), k epi (λ) and k derm (λ) were calculated . For each realization of the optical parameters of the skin, the Monte Carlo method calculates the coefficients R (L, λ) corresponding to the specific geometric parameters of the used fiber-optic diffuse scattering measurement scheme (fiber core diameter, distance between them and their numerical aperture).
Смоделированный ансамбль реализации R(L,λ) и FtHb, образующий обучающий массив данных, используется для расчета собственных векторов и получения регрессии (2) между rn(λ) и FtHb. Оптимальное количество главных компонент NPC в (2) определяется путем замкнутого численного эксперимента, заключающегося в следующем. Первоначально по формуле (1) определяются главные компоненты всех реализации rn(λ) и устанавливаются регрессии между NPC главными компонентами и FtHb. Далее перебираются все реализации модельных параметров и для каждой реализации осуществляется расчет FtHb с использованием (2) при наложении на rn(λ) случайных отклонений в пределах δr (моделирующих погрешности измерения). Полученное в результате значение
С использованием вышеописанного алгоритма оценим погрешности определения концентрации гемоглобина в тканях кожи из сигналов rn(λ), измеряемых на основе представленной на фиг.1 схемы оптоволоконных измерений диффузного рассеяния со следующими параметрами: λ1=524 нм, λ2=578 нм, λ3=773 нм; L1=0.43 мм, L2=1.06 мм, L3=1.69 мм; диаметр сердцевины всех волокон 600 мкм, толщина оболочки 15 мкм, числовая апертура Ас=1.0. В табл.1 приведены собственные векторы vn, а в табл.2 - коэффициенты регрессий (2), соответствующие данной схеме измерений. Результаты вышеописанных численных экспериментов позволяют заключить, что при погрешности оптических измерений δr≤5% для восстановления FtHb оптимально использовать 4 главные компоненты исходных данных. На фиг.2 приведены соответствующие результаты восстановления FtHb для всего смоделированного ансамбля реализаций FtHb и rn(λ) (n=2, 3), а также указаны средние по ансамблю погрешности восстановления FtHb. Восстановление FtHb производилось при наложении на rn(λ) случайных отклонений δr=0 и 5%. Разброс точек на рисунках относительно прямой
Таким образом, измерения сигналов диффузного отражения света от биологических тканей P(L,λ) в спектральных участках λ=524, 578 и 662 нм или λ=524, 578 и 773 нм при трех или более расстояниях Ln (n=1, 2, 3 …) между точками посылки и регистрации излучения и уравнение множественной регрессии между главными компонентами нормированных сигналов
ЛитератураLiterature
1. P.R. Bargo, S.A. Prahl, T.T. Goodell, R.A. Sleven, G. Koval, G. Blair, S.L. Jacques. // J. Biomed. Opt. 2005. V.10. N3. P.034018-1-15.1. P.R. Bargo, S.A. Prahl, T.T. Goodell, R.A. Sleven, G. Koval, G. Blair, S.L. Jacques. // J. Biomed. Opt. 2005. V.10. N3. P.034018-1-15.
2. E. Claridge, D. Hidovic-Rowe, P. Taniere, T. Ismail. // SPIE proceedings. 2007. V.6511: Medical Imaging 2007: Physiology, Function, and Structure from Medical Images, P. 65110C. DOI: 10.1117/12.709559.2. E. Claridge, D. Hidovic-Rowe, P. Taniere, T. Ismail. // SPIE proceedings. 2007. V.6511: Medical Imaging 2007: Physiology, Function, and Structure from Medical Images, P. 65110C. DOI: 10.1117 / 12.709559.
3. H. Suzaki, N. Kobayashi, T. Nagaoka, K. Iwasaki, M. Umezu, S. Takeda, T. Togawa. // Engineering in Medicine and Biology Society 2006. EMBS '06, 28th Annual International Conference of the IEEE, New York, IEEE, 2006. P.799-8023. H. Suzaki, N. Kobayashi, T. Nagaoka, K. Iwasaki, M. Umezu, S. Takeda, T. Togawa. // Engineering in Medicine and Biology Society 2006. EMBS '06, 28th Annual International Conference of the IEEE, New York, IEEE, 2006. P.799-802
4. Patent WO №2011/068998 A2, IPC. G01N 33/49, G01N 33/72, G01N 21/47, A61B 5/1455; published 09.06.2011.4. Patent WO No. 2011/068998 A2, IPC. G01N 33/49, G01N 33/72, G01N 21/47,
5. Zijlstra W.G., Buursma A., O.W. van Assendelft. Visible and near infrared absorption spectra of human and animal haemoglobin. Utrecht: VSP, 2000. С.268-278.5. Zijlstra W.G., Buursma A., O.W. van Assendelft. Visible and near infrared absorption spectra of human and animal haemoglobin. Utrecht: VSP, 2000. S.268-278.
6. Зуев В.Е., Комаров B.C. Статистические модели температуры и газовых компонент земной атмосферы. Ленинград: Гидрометеоиздат., 1986. С.47-50.6. Zuev V.E., Komarov B.C. Statistical models of temperature and gas components of the Earth's atmosphere. Leningrad: Gidrometeoizdat., 1986. P.47-50.
7. Лысенко С.А., Кугейко М.М. Регрессионный подход к анализу информативности и интерпретации данных аэрозольных оптических измерений // Журн. прикл. спектр. 2009. Т.76. №6. С.876-883.7. Lysenko S.A., Kugeiko M.M. The regression approach to the analysis of information content and interpretation of aerosol optical measurement data // Zh. adj. spectrum. 2009.V. 76. No. 6. S.876-883.
8. Пушкарева А.Е. Методы математического моделирования в оптике биоткани. СПб: СПбГУ ИТМО, 2008. С.30-43.8. Pushkareva A.E. Methods of mathematical modeling in optics of biological tissue. SPb: SPbSU ITMO, 2008. P.30-43.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012108900/14A RU2501522C2 (en) | 2012-03-07 | 2012-03-07 | Method of determining hemoglobin concentration in biological tissues |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012108900/14A RU2501522C2 (en) | 2012-03-07 | 2012-03-07 | Method of determining hemoglobin concentration in biological tissues |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2012108900A RU2012108900A (en) | 2013-09-27 |
| RU2501522C2 true RU2501522C2 (en) | 2013-12-20 |
Family
ID=49253503
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2012108900/14A RU2501522C2 (en) | 2012-03-07 | 2012-03-07 | Method of determining hemoglobin concentration in biological tissues |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2501522C2 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2199723C2 (en) * | 1995-06-07 | 2003-02-27 | Масимо Корпорейшн | Light source with adjustable wave length for oxyhemometer |
| RU2234242C2 (en) * | 2002-03-19 | 2004-08-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие Научно-исследовательский институт "Полюс" | Method for determining biological tissue condition |
| RU2234853C1 (en) * | 2002-12-26 | 2004-08-27 | Рогаткин Дмитрий Алексеевич | Diagnostic device for measuring physical and biological characteristics of skin and mucous membranes in vivo |
| US20110112435A1 (en) * | 2007-09-28 | 2011-05-12 | Nirmala Ramanujam | Systems and methods for spectral analysis of a tissue mass using an instrument, an optical probe, and a monte carlo or a diffusion algorithm |
| WO2011068998A2 (en) * | 2009-12-02 | 2011-06-09 | Duke University | Systems and methods for determining hemoglobin concentration utilizing diffuse reflectance at isosbestic wavelengths |
-
2012
- 2012-03-07 RU RU2012108900/14A patent/RU2501522C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2199723C2 (en) * | 1995-06-07 | 2003-02-27 | Масимо Корпорейшн | Light source with adjustable wave length for oxyhemometer |
| RU2234242C2 (en) * | 2002-03-19 | 2004-08-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие Научно-исследовательский институт "Полюс" | Method for determining biological tissue condition |
| RU2234853C1 (en) * | 2002-12-26 | 2004-08-27 | Рогаткин Дмитрий Алексеевич | Diagnostic device for measuring physical and biological characteristics of skin and mucous membranes in vivo |
| US20110112435A1 (en) * | 2007-09-28 | 2011-05-12 | Nirmala Ramanujam | Systems and methods for spectral analysis of a tissue mass using an instrument, an optical probe, and a monte carlo or a diffusion algorithm |
| WO2011068998A2 (en) * | 2009-12-02 | 2011-06-09 | Duke University | Systems and methods for determining hemoglobin concentration utilizing diffuse reflectance at isosbestic wavelengths |
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| [00008], [0012], [0031]. * |
| реферат, с.5,6,11. * |
| с.7-9, реферат. * |
| ТУЧИН В.В. Оптическая биомедицинская диагностика. - М., 2007, II т., с.95-98. ЛЫСЕНКО С.А., КУГЕЙКО М.М. Регрессионный подход к анализу информативности и интерпретации данных аэрозольных оптических измерений. Журнал прикладной спектрографии, 2009, №6, с.876-883. * |
| формула. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2012108900A (en) | 2013-09-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101399907B1 (en) | Measuring tissue oxygenation | |
| US6615061B1 (en) | Optical sensor having a selectable sampling distance for determination of analytes | |
| EP3094251B1 (en) | Near-infrared spectroscopy and diffuse correlation spectroscopy device and methods | |
| US6662031B1 (en) | Method and device for the noninvasive determination of hemoglobin and hematocrit | |
| US6353226B1 (en) | Non-invasive sensor capable of determining optical parameters in a sample having multiple layers | |
| US8750952B2 (en) | Apparatus and method for dating a body sample | |
| CN103735274B (en) | A kind of local brain tissue blood oxygen blood holds absolute amount detection device and detection method | |
| RU2510506C2 (en) | Method for determining optical and biophysical tissue parameters | |
| JP4872536B2 (en) | Biological component concentration measurement method | |
| McMurdy et al. | Photonics‐based In Vivo total hemoglobin monitoring and clinical relevance | |
| EP1629767B1 (en) | Quantitative analyzer using a calibration curve | |
| Ong et al. | Modified lambert beer for bilirubin concentration and blood oxygen saturation prediction | |
| Dremin et al. | In vivo fluorescence measurements of biological tissue viability | |
| JP4586680B2 (en) | Method for preparing calibration curve for quantitative analysis of in-vivo components, and quantitative analyzer using the calibration curve | |
| RU2501522C2 (en) | Method of determining hemoglobin concentration in biological tissues | |
| Reiser et al. | Simulation framework for reflective PPG signal analysis depending on sensor placement and wavelength | |
| RU2511747C2 (en) | Method for determining bilirubin concentration | |
| Marchilashvili et al. | Extracting Optical Parameters of Biological Tissues by the Optical Spectroscopy of Skin In Vivo | |
| RU2517155C1 (en) | Method for determining haemoglobin derivative concentrations in biological tissues | |
| JP2011220994A (en) | Near-infrared spectroscopic analysis apparatus | |
| Meglinski et al. | Modeling of skin reflectance spectra | |
| Maffeis et al. | Addressing the need for non-invasive lung assessment with time-resolved diffuse optics | |
| RU2545814C1 (en) | Method of determining physical-biological parameters of skin and concentration of haemoglobin derivatives in blood | |
| Kustov et al. | Evaluating the dynamics of brain tissue oxygenation using near-infrared spectroscopy on various experimental models | |
| TWI837520B (en) | Methods for predicting at least one of the total serum bilirubin level and the hemoglobin level by using the artificial intelligence and the non-invasive measurement |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160308 |