无创测量血液成分浓度的方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利 (10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201410494087.2 (22)申请日 2014.09.24 (73)专利权人 天津大学 地址 300072 天津市南开区卫津路92号 (72)发明人 李刚 包磊 张盛昭 周梅 林凌 (74)专利代理机构 天津市北洋有限责任专利代 理事务所 12201 代理人 温国林 (51)Int.Cl. A61B 5/1455(2006.01) (56)对比文件 CN 1444906 A,2003.10.01, CN 1596826 A,2005.03.23, CN 101507607 A。

2、,2009.08.19, CN 101912256 A,2010.12.15, US 2009/0203976 A1,2009.08.13, DE 3134124 A1,1983.03.10, US 4407290 A,1983.10.04, JP H0386152 A,1991.04.11, US 2007/0293746 A1,2007.12.20, 杨英超. 动态光谱数据采集与处理及其分 析 . 中国优秀硕士学位论文全文数据库 .2009,第2009卷(第8期),E060-6. 李刚 等. 动态光谱法用于人体血液成分的 无创测量 . 中国仪器仪表学会医疗仪器分会第 四次全国会员代表大会暨。

3、2009年学术年会论文 集 .2009,第197-204页. 刘玉良. 动态光谱法血液成分无创检测初 步研究 . 中国博士学位论文全文数据库 医药 卫生科技辑 .2009, (第4期),E080-6. 李晓霞. 人体血液成分无创检测的动态光 谱理论分析及实验研究 . 中国博士学位论文全 文数据库 .2007, (第4期),E080-23. 审查员 胡新芬 (54)发明名称 无创测量血液成分浓度的方法 (57)摘要 本发明公开了一种无创测量血液成分浓度 的方法， 所述方法包括： 同步采集一段时间内多 个不同波长光源下手指指尖处的透射光电容积 脉搏波并取对数， 得到多波长下的对数光电容积 脉搏波；。

4、 利用时域或频域的直流特征量和交流特 征量的提取方法， 提取多波长的特征量； 根据3 准则， 剔除含有粗大误差的直流特征量和交流特 征量， 将剔除粗大噪声后的直流特征量和交流特 征量的均值作为最终的光电容积脉搏波的特征 量； 提取一定数量实验对象的光电容积脉搏波特 征量样本， 同时使用生化分析仪器测量血液成分 浓度的真值， 建立浓度与光电容积脉搏波特征量 的回归模型； 提取被测对象的光电容积脉搏波特 征量， 利用回归模型计算血液成分的浓度。 权利要求书1页 说明书4页 附图1页 CN 104224196 B 2016.08.24 CN 104224196 B 1.一种无创测量血液成分浓度的方法。

5、， 其特征在于， 所述方法包括以下步骤： 同步采集一段时间内多个不同波长光源下手指指尖处的透射光电容积脉搏波并取对 数， 得到多波长下的对数光电容积脉搏波； 利用时域或频域的直流特征量和交流特征量的提取方法， 提取多波长的特征量； 根据3 准则， 剔除含有粗大误差的直流特征量和交流特征量， 将剔除粗大噪声后的直 流特征量和交流特征量的均值作为最终的光电容积脉搏波的特征量； 提取一定数量实验对象的光电容积脉搏波特征量样本， 同时使用生化分析仪器测量血 液成分浓度的真值， 建立浓度与光电容积脉搏波特征量的回归模型； 在使用回归模型进行预测时， 提取被测对象的光电容积脉搏波特征量， 利用回归模型 计。

6、算血液成分的浓度； 其中， 所述时域多波长直流特征量和交流特征量的提取方法具体为： 在时域中， 将对数光电容积脉搏波按照脉搏周期进行划分区段， 提取出每个脉搏周期 中对数光电容积脉搏波的峰值和谷值， 将峰值或者峰值和谷值的平均值作为光电容积脉搏 波的直流特征量， 将峰值和谷值的差值作为光电容积脉搏波的交流特征量； 其中， 所述频域多波长直流特征量和交流特征量的提取方法具体为： 在频域中， 取一定时间内连续采集的对数光电容积脉搏波， 采用动态光谱的频域提取 法， 对对数光电容积脉搏波做傅里叶变换， 将对数脉搏波频谱中的直流分量作为光电容积 脉搏波的直流特征量， 将频谱中的基波分量作为光电容积脉搏。

7、波的交流特征量； 其中， 所述提取一定数量实验对象的光电容积脉搏波特征量样本， 同时使用生化分析 仪器测量血液成分浓度的真值， 建立浓度与光电容积脉搏波特征量的回归模型具体为： 对每个实验对象进行多波长光电脉搏波的采集， 同时采集实验对象的血液， 进行生化 分析， 记录血液成分浓度的真值； 提取每个实验对象的多波长光电容积脉搏波的特征量； 将每个实验对象的多波长光电容积脉搏波的特征量及其高次项作为自变量， 生化分析 结果中得到的动血液成分浓度的真值作为因变量， 建立浓度真值与光电容积脉搏波特征量 的回归模型。 权 利 要 求 书 1/1 页 2 CN 104224196 B 2 无创测量血液成。

8、分浓度的方法 技术领域 0001 本发明涉及一种无创测量血液成分浓度的方法， 尤其涉及一种利用有限个数光源 下测得的手指指尖处透射光电容积脉搏波的特征量， 建立血液成分浓度与特征量的回归计 算模型， 来预测血液成分浓度的建模分析方法。 背景技术 0002 目前， 已报道的关于无创血液成分检测的研究中涉及到的血液参数包括血糖、 血 红蛋白及其衍生物、 红细胞数、 红细胞比容、 胆红素、 多种蛋白、 血液中的酒精含量以及普遍 应用的血氧饱和度等， 主要集中在血糖和血红蛋白的检测上。 各研究小组根据不同血液成 分参数的物理和化学特性及在生理组织上的表现， 所采用的检测方法不同， 主要可以分为 两大类。

9、： 非光学方法和光学方法。 非光学方法有反离子电渗透法、 热代谢整合法、 电导率方 法等， 其缺点是所使用的电化学传感器、 电极片等需要与人体皮肤接触， 会引起被测对象的 不适感， 而且测量时皮肤状况、 血流情况、 体温等个体差异因素使得测量精度难以提高； 光 学方法包括： 光声光谱法、 拉曼光谱法、 荧光法、 偏振光旋光法、 光学相干层析成像法、 近红 外光谱法等。 近红外光谱技术是一种间接测量技术， 以朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律为基 础， 利用各种成分光吸收特异性来测量， 目前在血糖、 血氧、 血红蛋白检测上应用较多。 根据 接收方式的不同， 近红外光谱测量主要可以分为漫反。

10、射测量和透射测量。 随着计算机技术 和化学计量学理论的发展， 近红外光谱定量分析的灵敏度、 准确性和可靠性都有较大提高。 近红外光谱法成为目前这些光学方法中最主要的研究方法， 部分已进入在体检测实验阶 段， 取得的进展也是最为显著的。 0003 中国发明专利申请CN1550209A， 公开了一种无创测量血液成分浓度的方法和装 置， 通过对被测对象身体部分施加不同的压力， 测量不同厚度下的透射近红外光谱， 计算得 到差值光谱， 然后建模分析计算血液成分的浓度， 但其测量装置结构复杂， 而且外加的压力 容易令被测对象产生不适感。 0004 中国发明专利申请CN101507607A， 公开了一种无创。

11、测量血液光谱与成分的方法， 使用告诉光谱仪连续测量被测体的透射光谱， 对各个波长下的脉搏波进行傅里叶变化， 取 幅值最大的谐波按波长排序， 形成光谱， 实现无创测量血液成分， 该方法仅利用了光电容积 脉搏波的交流成分， 所含信息量有限， 对被测部分的厚度、 皮肤色素、 水分含量等个体差异 的表达能力不足， 限制了测量精度的提高。 发明内容 0005 本发明提供了一种无创测量血液成分浓度的方法， 本发明解决了如何降低人体组 织及血液散射对光谱定律分析的影响以及提高血液成分浓度测量精度的问题， 详见下文描 述： 0006 一种无创测量血液成分浓度的方法， 所述方法包括以下步骤： 0007 同步采集。

12、一段时间内多个不同波长光源下手指指尖处的透射光电容积脉搏波并 说 明 书 1/4 页 3 CN 104224196 B 3 取对数， 得到多波长下的对数光电容积脉搏波； 0008 利用时域或频域的多波长直流特征量和交流特征量的提取方法， 提取多波长的特 征量； 0009 根据3 准则， 剔除含有粗大误差的直流特征量和交流特征量， 将剔除粗大噪声后 的直流特征量和交流特征量的均值作为最终的光电容积脉搏波的特征量； 0010 提取一定数量实验对象的光电容积脉搏波特征量样本， 同时使用生化分析仪器测 量血液成分浓度的真值， 建立浓度与光电容积脉搏波特征量的回归模型； 0011 提取被测对象的光电容积。

13、脉搏波特征量， 利用回归模型计算血液成分的浓度。 0012 本发明提供的技术方案的有益效果是： 本方法仅使用有限波长下对数光电容积脉 搏波信号的交流量、 直流量为新的特征量建立回归模型， 定量计算血液成分的浓度。 透射光 电容积脉搏波的交流量和直流量， 均包含了人体组织和血液成分的信息， 其中交流量主要 反映了脉动的动脉血中光吸收和散射的信息， 而直流量中包含了手指厚度、 皮肤等组织的 吸收和散射、 血液的静态吸收和散射的信息， 与动态光谱理论仅利用交流量建模分析血液 成分相比， 引入更多的信息， 增加了模型的测量精度； 同时， 通过研究优选出的有限波长， 使 用以优选波长为中心波长的发光二极。

14、管能够进一步提高系统的信噪比和测量精度， 提高模 型的定量分析能力。 附图说明 0013 图1为无创测量血液成分浓度方法的流程图 具体实施方式 0014 为使本发明的目的、 技术方案和优点更加清楚， 下面对本发明实施方式作进一步 地详细描述。 0015 为了解决如何降低人体组织及血液散射对光谱定量分析的影响以及提高血液成 分浓度的测量精度的问题， 本发明实施例提供一种无创测量血液成分浓度的方法， 参见图 1， 详见下文描述。 0016 101： 同步采集一段时间内多个不同波长光源下手指指尖处的透射光电容积脉搏 波并取对数， 得到多波长下的对数光电容积脉搏波； 0017 其中， 该步骤具体为： 。

15、0018 多个不同波长的光源是多个中心波长不同的发光二极管光源， 波长范围是可见 光-近红外波段； 0019 使用多个发光二极管作为光源时， 驱动发光二极管光源的方式可以是分时驱动或 者正弦波分频驱动； 0020 光电接收器件可以是光电二极管、 光电池等光电器件， 但光电接收器件的敏感波 长范围满足光源波长的要求， 光电接收器件及相关电子线路的响应速度需要满足所选驱动 方式的要求； 0021 光源和光电接收器件与被测对象手指指尖的放置方式可以是透射式或者反射式， 即测量得到的光电容积脉搏波可以来源于透射光强或者漫反射光强； 0022 对采集得到的多个波长下的光电容积脉搏波取对数， 得到对数光电。

16、容积脉搏波。 说 明 书 2/4 页 4 CN 104224196 B 4 0023 102： 利用时域或频域的多波长直流特征量和交流特征量的提取方法， 提取多波长 的特征量； 0024 该步骤具体包括时域和频域的多波长直流特征量和交流特征量的提取方法， 详见 步骤1021-1022： 0025 1021： 时域的直流特征量和交流特征量提取方法是， 在时域中， 将对数光电容积脉 搏波按照脉搏周期进行划分区段， 提取出每个脉搏周期中对数光电容积脉搏波的峰值和谷 值， 将峰值或者峰值和谷值的平均值作为光电容积脉搏波的直流特征量， 将峰值和谷值的 差值作为光电容积脉搏波的交流特征量； 0026 10。

17、22： 频域的直流特征量和交流特征量提取方法是， 在频域中， 取一定时间内连续 采集的对数光电容积脉搏波， 采用动态光谱的频域提取法， 对对数光电容积脉搏波做傅里 叶变换， 将对数脉搏波频谱中的直流分量作为光电容积脉搏波的直流特征量， 将频谱中的 基波分量(幅值最大的谐波)作为光电容积脉搏波的交流特征量。 0027 103： 根据3 准则， 在提取出的所有直流特征量和交流特征量中剔除含有粗大误差 的直流特征量和交流特征量， 将剔除粗大噪声后的直流特征量和交流特征量的均值作为最 终的光电容积脉搏波的特征量； 0028 测量过程中， 某个时刻的光电容积脉搏波信号如果包含运动伪迹或含有较大噪 声， 。

18、会影响该段提取光电容积脉搏波特征量的准确性。 若每个实验对象的同种特征量(直流 特征量或者交流特征量)组成的合集中的某个元素与合集的平均值之差大于等于3 ， 则认 为该元素误差较大并剔除， 若小于3 则保留。 0029 104： 按上述步骤101-103， 提取一定数量实验对象的光电容积脉搏波特征量样本， 同时使用生化分析仪器测量血液成分浓度的真值， 使用某种建模方法， 建立浓度与光电容 积脉搏波特征量的回归模型； 0030 该步骤具体包括步骤1041-1043， 详见下文描述： 0031 1041： 对每个实验对象进行多波长光电脉搏波的采集， 同时采集实验对象的血液， 进行生化分析， 记录血。

19、液成分浓度的真值； 0032 1042： 提取每个实验对象的多波长光电容积脉搏波的特征量； 0033 1043： 将每个实验对象的多波长光电容积脉搏波的特征量及其高次项作为自变 量， 生化分析结果中得到的血液成分浓度的真值作为因变量， 使用合理的建模方法， 比如偏 最小二乘建模、 神经网络建模等建模方法， 建立因变量与自变量的对应关系， 即浓度真值与 光电容积脉搏波特征量的回归模型。 0034 以特征量为自变量为例， 通过建模方法得到的回归模型如公式(1)所示： 0035 0036公式(1)中， c表示某种血液成分的浓度，表示的是N个 波长下提取的对数光电容积脉搏波的直流特征量d和交流特征量a。

20、， f表示回归模型函数； 0037 本方法要求被测实验对象的手指厚度、 肤色、 年龄等个体差异分布要尽可能范围 广泛， 这样才能使模型充分包含各种个体差异， 增加使用模型计算血液成分浓度的准确性； 0038 被测实验对象的血液成分浓度分布范围应该符合医学统计要求， 才能满足人体生 理参数测量的要求， 增加模型计算血液成分浓度的准确性。 说 明 书 3/4 页 5 CN 104224196 B 5 0039 105： 在测量时， 按照上述步骤101-103， 提取被测对象的光电容积脉搏波特征量， 利用步骤104中的回归模型计算血液成分的浓度。 0040 本发明实施例中应用到的对数运算、 傅里叶变。

21、换、 偏最小二乘建模， 神经网络建 模、 3 判定准则均为数据处理方法中的公知技术， 为本领域工程技术人员所公知。 0041 综上所述， 本发明实施例提供了一种无创测量血液成分浓度的方法， 仅使用有限 数量波长下对数光电容积脉搏波信号的交流量、 直流量为新的特征量及其高次项进行建 模， 引入了光散射的信息， 测量精度与传统方法相比进一步得到了提高， 一定程度上补偿了 散射带来的非线性影响。 0042 本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图， 上述本发明实施例 序号仅仅为了描述， 不代表实施例的优劣。 0043 以上所述仅为本发明的较佳实施例， 并不用以限制本发明， 凡在本发明的精神和 原则之内， 所作的任何修改、 等同替换、 改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。 说 明 书 4/4 页 6 CN 104224196 B 6 图1 说 明 书 附 图 1/1 页 7 CN 104224196 B 7 。