新型近红外脑血氧监测设备的研制

　　1　引　言

　　氧是人体新陈代谢的重要物质,脑组织新陈代谢率高,耗氧量占全身总量的20%左右,在心脑血管疾病及脑外伤病人临床抢救与治疗中,如果缺乏对脑组织供氧的监护手段,就有可能造成脑组织神经功能的丧失或损害。因此,如果能提供一种连续、无创伤检测大脑供氧状况的临床设备,就可以减少病患脑组织的损伤,改善术后认知能力。

　　目前国内临床上测量脑血氧状况的方法主要有脑电图、颈静脉血氧饱和度测量、脉搏血氧饱和度测量等,这些方法属于有创测量或间接测量,无法实时准确地反映大脑的供血供氧状态。国外虽有利用近红外光测量脑组织血氧饱和度的设备,但尚未见双通道同时检测双侧脑组织血氧,并通过比较来反映患侧脑组织血氧含量变化的报道[1-2]。

　　本文介绍的脑血氧监测设备能同时采集左右两侧大脑对称位置的血氧参数,为临床通过对比来评价患侧脑血氧变化量提供了新方法,同时它以四通道分别输出两侧脑组织血容量和氧含量的信息,供计算机进行功率谱、相关性等后处理。

　　2　基本原理

　　2. 1　检测原理

　　本设备的检测原理是根据氧合血红蛋白和还原血红蛋白对红光及近红外光不同的吸收特征[3](见图1)。

　　依据朗伯特—比尔定律(The Lambert2BeerLaw)有:

　　其中,OD为光密度;ε表示光吸收系数; c表示物质浓度; d表示光穿过物质的路径长度; I、Io分别表示出射光强和入射光强。利用该定律和血红蛋白在红光区和近红外光区(600~1000nm)吸收特性可以得到下列公式[5-6]:

　　其中,Gb、Go分别表示血通道和氧通道的增益; a、b、g、k、Kb、Ko都是与ε有关的常数; I(R)、I(I)分别表示红光和近红外光的接收光强。

　　2. 2　光子传播特性

　　本设备测量是依据光子在哺乳动物组织中的传播模型,光源与探头的放置如图2所示。一般来说,光子在哺乳动物组织中的传播是散射传播,呈现随机性,但从概率意义上来讲,光子在光源与探测器之间的运动路线近似一条抛物线状,穿透深度大约相当于探测器与光源距离的1/4,脉冲可以透射得更深一些[7-8]。

　　3　硬件设计

　　本设备由检测探头、主机及计算机等部分组成,其系统框图及工作流程如图3所示。

　　3. 1　检测探头

　　检测探头由光源、光电传感器和前端转换电路组成。探头基座采用硬度很低的黑色医用硅胶材料,与人体的接触面设计成弧形(如图4),边缘做成斜口,使探头容易弯折,更好地贴紧病人前额,使之遮光性能大大提高,同时降低了弹性绷带固定检测探头时给病人带来的不适感,黑色材料也有利于减少环境光产生的噪声,有利于提高设备的信噪比。