无创检测血红蛋白水平的测量装置.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)实用新型专利 (10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201721196314.9 (22)申请日 2017.09.14 (73)专利权人 天津科技大学 地址 300222 天津市河西区大沽南路1038 号电子信息与自动化学院96号信箱 (72)发明人 刘玉良 张全 (51)Int.Cl. A61B 5/1455(2006.01) (ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利 (54)实用新型名称 无创检测血红蛋白水平的测量装置 (57)摘要 本实用新型公开了无创检测血红蛋白水平 的测量装置。 本实用新型由光电转换模块， 信号 调理模。

2、块， 信号采集模块， 通信模块以及上位机 组成的。 通过对八个手指同时进行检测， 每个手 指对应一个光电转换装置， 每一个光电转换装置 对应不同波长的色光， 以得到八个手指的同一时 间的不同波长的光电脉搏波和动态光谱， 克服了 传统方法因循环采样导致的信号衰减问题。 本实 用新型基于动态光谱检测血液成分， 克服了传统 方法有创， 存在感染风险且不能实时监测的缺 点。 使用发光二极管以及改进相应的工作电路使 仪器更加趋向于小型化、 低成本化和便携化， 从 而得到了一种精度高， 稳定性好， 成本低， 体积小 便于实时监测的无创血红蛋白检测装置。 权利要求书1页 说明书3页 附图2页 CN 2080。

3、31214 U 2018.11.02 CN 208031214 U 1.无创检测血红蛋白水平的测量装置， 其特征在于： 由光电转换模块， 信号调理模块， 信号采集模块， 通信模块组成； 其中， 光电转换模块由光源发生器和光源收集器组成， 对八 个手指同时进行检测， 每个手指对应一个光电转换装置， 每一个光电转换装置对应着不同 波长的色光； 信号调理模块由放大电路， 带通滤波电路组成； 信号采集模块由片上系统16位 AD组成， 通信模块由下位机和上位机组成； 片上16位AD驱动光源发生器对应八个手指分别 发射660、 730、 735、 760、 805、 810、 850、 940nm固定波长。

4、的色光， 光源收集器接收透过样本的 色光， 经I/V转换电路将电流信号转化为电压输出， 再经放大电路放大后传至带通滤波电 路， 信号经滤波后上传至信号采集模块， 信号采集模块再将相应结果传至通信模块， 通信模 块显示光电脉搏波和动态光谱。 2.如权利要求1所述的无创检测血红蛋白水平的测量装置， 其特征在于： 光源发生器采 用能发射660、 730、 735、 760、 805、 810、 850、 940nm固定波长色光的发光二极管。 3.如权利要求1所述的无创检测血红蛋白水平的测量装置， 其特征在于： 对八个手指同 时进行检测， 每一路光电转换后都有各自的信号调理电路， 信号采集模块。 权 。

5、利 要 求 书 1/1 页 2 CN 208031214 U 2 无创检测血红蛋白水平的测量装置 技术领域 0001 本实用新型属于无创医疗诊断领域， 涉及一种利用动态光谱的方法检测血红蛋白 水平的测量装置。 背景技术 0002 人体血红蛋白浓度是诊断贫血症(Hb偏低)以及真性血红蛋白增多症(Hb偏高)的 可靠依据之一。 另一方面， 血红蛋白的浓度水平也反映着一些疾病的存在， 如心肺疾病、 肾 脏疾病、 肿瘤疾病、 慢性高原病等。 血红蛋白减少与增多都反映了被测者在健康状况上的相 应变化， 检测血红蛋白浓度可以用来分析被测者的健康情况。 因此检测血红蛋白浓度的方 法已日益引起人们的关注。 目前。

6、已经存在的方法有两种： 氰化高铁血红蛋白检测法和即时 检验法 (POCT)。 已提出的两种方法存在着许多的不足。 例如， 已提出的两种方法需要对受 测者进行取血采样， 是有创检测方法， 这样的方法具有感染的风险。 0003 上述方法的另一个不足是， 已经提出的两种方法在血液采集与分析过程之间存在 延时， 难以对重症患者进行实时监测。 0004 同时现已提出了一种无创检测方法， 该方法利用复合光源光谱的方法， 将采集到 的信号经过光电转换后经过模拟开关再依次经过放大电路， 带通滤波电路后将信号送入AD 转换装置中最后经过嵌入式系统达到上位机。 依次采用不同固定波长的光透过样本池进行 检测。 00。

7、05 上述提出的方法也无法很好的达到所需精度， 其原因在于AD多通道采集需要每个 通道循环采集， 所以对于某个通道来说， 在这个转换的过程中， 信号是衰减的。 如果AD转换 很快， 转换的速度比信号本身的变化快10倍或者更高， 则衰减幅度较小， 并且高速AD成本较 高。 如果AD速度不高， 就需要采样保持。 AD多通道循环采样时间内， 采样保持不可避免地要 发生电压下降， 电压下降的速度和电路电容的质量有关系， 从而产生系统误差。 采样保持后 电压采样值降低， 造成信号误差的原因就是AD多通道采集的轮询时间。 0006 所以， 提出一种精度符合临床标准的， 仪器小型化的， 便于实时监测的， 成。

8、本低， 稳 定性好的血红蛋白无创检测仪具有非常重要的意义。 实用新型内容 0007 本实用新型的目的是为了完善并丰富无创医疗诊断领域， 克服已提出的氰化高铁 血红蛋白检测法和即时检验法(POCT)两种方法有创且存在感染风险的缺点， 同时克服上述 两种方法不能实时监测的问题； 提高已提出的无创监测方法的精度， 克服其因循环采样导 致的信号误差问题而提出一种精度高的， 稳定性好的， 成本低的， 体积小便于实时监测的无 创血红蛋白检测装置。 本实用新型采用动态光谱法进行检测。 0008 当一束光入射介质时， 出射光强与入射光强、 介质浓度和等效光程长有关。 因此， 采用光谱法进行检测的关键是准确提取。

9、基于血红蛋白吸光作用的吸收光谱。 为准确获得动 脉血液的吸收光谱， 我们提出动态光谱的概念。 通过理论推导可以得出修正的郎伯-比尔定 说 明 书 1/3 页 3 CN 208031214 U 3 律， 能够得到非动脉血液和各层组织的吸收和散射的吸光度分量都被消除了的结论， 因此 动脉充盈时和动脉收缩时的吸光度的差值仅由动脉血和动脉血中的血红蛋白等其他吸收 部分贡献， 主要反映了动脉血的吸收变化。 血红蛋白对特定波长的光具有良好的吸收作用， 所以利用各个单波长对应的单个光电脉搏波周期上提取的动态光谱可以很好地衡量血红 蛋白的浓度水平。 本实用新型的动态光谱的检测是通过光电容积描记法作为基础进行检。

10、测 的。 提取不同单色光作用下的光电容积脉搏波， 从中提取动态光谱信息。 由于动态光谱的检 测是针对初射光强的瞬时值进行的， 须在一个脉搏周期时间内(约为1秒)对光谱进行多次 扫描， 具有时间分辨的特点， 但目前已有的光谱检测通常采用长时间积分的方法来提高检 测精度， 并不适合脉搏波的测量， 因此本实用新型提出一种能够提取出动态光谱的交流分 量(表征动脉部分幅值) 的光谱检测方法来提升对脉搏波的诊断精度， 这也是与已提出的 普通光谱检测方法的主要区别之一。 0009 动态光谱的检测一般有两种分光方案， 即时域分光法和空域分光法。 时域分光法 是指， 宽带光源发出的光在通过样品池之前由分光器件逐。

11、一分时入射到被测组织， 为了使 血红蛋白无创检测装置小型化， 便携化， 本实用新型采用能够发生特定波长的发光二极管 来替代传统的AOTF分光， 克服了AOTF分光所需空间大， 成本较高的缺点。 0010 本实用新型是这样实现的： 本实用新型是由光电转换模块， 信号调理模块， 信号采 集模块， 通信模块以及上位机组成的。 0011 其中光电转换模块由光源发生器和光源收集器组成。 为了增加检测精度， 本实用 新型对八个手指同时进行检测， 每个手指对应一个光电转换装置， 每一个光电转换装置对 应着不同波长的色光， 以便得到八个手指的同一时间的不同波长的光电脉搏波和动态光 谱。 为了让血红蛋白无创检测。

12、装置小型化， 便携化， 本实用新型的光源采用特定波长的发光 二极管。 同时， 发光二极管的出射光相对传统的AOTF晶体输出光信号更强， 这也更加体现了 选用发光二极管的优越性。 光源收集器选用光敏二极管， I/V转换电路可达到一定幅值的电 压输出。 每一路光电转换后都有各自的信号调理电路， 信号采集模块。 本实用新型采用动态 光谱的方法， 降低了信号损失， 提升了测量精确度。 0012 信号调理模块由放大电路， 带通滤波电路， 其中放大电路的增益通过根据不同波 长信号的强弱进行相应的调整， 不要求增益的严格一致， 降低了对电路的要求， 同时可增大 对低能量波长信号的检测精度。 对于带通滤波电路。

13、， 本实用新型采用小波变换的方法剔除 脉搏波中的奇异波， 减少了由环境因素的变化， 人的意识的活动， 体位变化等因素引起的脉 搏波的快速畸变， 极大地提升了检测的精确度。 0013 信号采集模块采用16位AD， 采集光电脉搏波直流分量和交流分量两路信号， 本实 用新型采用相应的CPU来控制AD转换器， 并且将AD转换装置与相应的CPU做为各通道的通用 模块以达到使整个系统各通道之间达到匹配协调的目的。 0014 通信模块包括下位机和上位机。 下位机能够将采集到的光电脉搏波信号上传给上 位机。 上位机既能够与下位机进行通信获得光电脉搏波， 又能对多通道光电脉搏波进行信 号处理获得动态光谱图并显示。

14、。 其中上位机和下位机的通讯方式有有线与无线两种， 其中 有线方式可以利用CAN总线、 I2C、 串口、 并口， 无线方式可以利用WI-FI、 蓝牙、 红外、 微波等 其他形式。 0015 上位机， 主要接受数据、 处理并显示。 说 明 书 2/3 页 4 CN 208031214 U 4 附图说明 0016 图1是本实用新型无创检测血红蛋白水平的测量装置采用发光二极管的检测系统 原理图。 0017 图2是本实用新型无创检测血红蛋白水平的测量装置系统原理图。 0018 图3是本实用新型无创检测血红蛋白水平的测量装置CPU控制流程图。 0019 图中： A、 光源发生器， 采用发光二极管 B、 。

15、光源收集器， 采用光敏二极管 C、 光电转 化模块 D、 信号调理模块 E、 信号采集模块。 具体实施方式 0020 下面结合附图对本实用新型做进一步说明。 0021 图1给出本实用新型无创检测血红蛋白水平的测量装置采用发光二极管的检测系 统原理图。 其中A为光源发生器， 本实用新型采用的是发光二极管。 本实用新型采用的发光 二极管具有能够发射固定波长的色光的特征， 八个发光二极管对应八个手指分别发射660、 730、 735、 760、 805、 810、 850、 940nm的固定波长的色光。 因八个手指同时检测， 即八个不同波 长的色光同时触发， 克服了已提出方法由于轮询而产生的信号减弱。

16、导致的测量精度较低的 问题。 图1中的B为光源收集器， 其作用在于接收透过样本的色光， 然后将光信号转化为电信 号便于后续处理。 本实用新型的光源收集器采用光敏二极管， 随着光敏二极管所受到照射 的色光的光照强度的变化， 光敏二极管的电流也随之变化， 经I/V转化电路的的转化， 可以 将变化的电流信号转化为电压的输出。 这样就达到了将光信号转化为便于处理的电信号的 目的。 0022 图2给出了本实用新型无创检测血红蛋白水平的测量装置系统原理图。 D为信号调 理模块， 每一路由放大电路， 带通滤波电路构成， 共八路， 即每个手指对应一路。 由于光电转 化模块得到的电信号强度较小， 所以本实用新型。

17、采用放大电路， 将采集到的微弱电信号进 行放大， 便于后续处理。 由于本实用新型对八个手指进行同步测量， 每一路所对应着不同的 波长的色光， 所以可以根据不同的波长色光设置不同的放大电路增益， 从而不必要求每路 放大增益的严格一致， 达到了降低对电路要求的目的， 同时这种设计可以很好的有目的性 地增加对低能量信号的放大作用， 有效地提升了测量的准确度。 由于外界环境的变化， 人的 体位体态的变动以及人的思想意识的活动均会对测量结果造成影响， 所以为了消除该类影 响， 本实用新型提出带通滤波电路对不在测量目标的频率范围内的信号予以滤除的方法， 此方法是通过小波分析实现的。 对得到的信号进行小波分。

18、解， 可以分解得到不同频率范围 内的信号， 然后滤除非目标所需的频率的信号， 去除了不同因素对测量结果的影响， 增强了 测量结果的可信度。 E 为信号采集模块， 片上16位AD具有数据采集， 总线上传的功能。 片上 16位AD驱动发光二极管开始工作， 并检验采集到的信号是否为所需固定波长的色光信号， 如果得到所需则继续工作， 若得到非所需信号则关闭发光二极管， 并反馈给控制CPU进行报 警工作流程由图3所示。 同时， 本实用新型所提出的上位机具有同时记录光电脉搏波以及动 态光谱的功能。 可以将已经得到的诊断结果与动态光谱特征结合起来通过神经网络进行疾 病预测， 为后续的功能拓展打下基础， 同时也扩展了对其他疾病诊断的功能。 说 明 书 3/3 页 5 CN 208031214 U 5 图1 图2 说 明 书 附 图 1/2 页 6 CN 208031214 U 6 图3 说 明 书 附 图 2/2 页 7 CN 208031214 U 7 。