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無創(chuàng)血液參數(shù)測量的研究,碩士研究生學(xué)位論文中期檢查,(裝置研制和實(shí)驗(yàn)建模),1,研究生姓名 指導(dǎo)教師姓名 李 副教授 專業(yè) 精密儀器與機(jī)械 研究方向 光電檢測與測控技術(shù),2,研究工作進(jìn)程的安排 目前主要遇到的問題 已經(jīng)進(jìn)行和完成的工作 研究工作的目標(biāo)和計(jì)劃,3,研究工作進(jìn)程的大致安排,4,在9月底完成前期的調(diào)研和熟悉原來電路的工作 12月底完成對電路的改進(jìn)完善和調(diào)試 12月底到明年的3月底爭取進(jìn)行臨床試驗(yàn),并在此基礎(chǔ)上完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理與分析 明年的4月到6月完成論文的撰寫與發(fā)表,5,目前主要遇到的問題和需要改進(jìn)的地方,6,測頭的改進(jìn),7,8,1993年，日本的田村守首先開始了利用NIRS的腦功能研究：同時用5臺NIRS儀器在額葉左右處、左右顳葉處以及枕葉五處進(jìn)行測量，對默算、回答問題、看圖畫、聽音樂等功能測量獲得了較多的數(shù)據(jù)【4】。而日立中央研究所的牧敦等人則在一個大腦區(qū)域采用10點(diǎn)傳輸、接收人腦的光，對人手指動作時的腦功能狀況進(jìn)行監(jiān)測，將腦地形圖畫出來，并形成靜態(tài)及動態(tài)地形圖?！?】【6】。慶應(yīng)大學(xué)工學(xué)部齊藤對NIRS的光傳播進(jìn)行了蒙特卡羅仿真計(jì)算已經(jīng)得到一些顱骨的光學(xué)常數(shù)【7】。88年以來利用NIRS的光CT(Computed Tomography)研究已從萌芽發(fā)展到現(xiàn)在的百花爭艷的局面〖8〗〖9〗。,9,光CT研究中時間分辨率光譜法、散射光法等多種方法已經(jīng)出現(xiàn)。STANFORD的D.Bonaron還于1996年發(fā)表了新生兒頭部的光CT像【10】。日本的Yoko Hoshi于1997年發(fā)表論文探討了休眠狀態(tài)下腦血氧狀態(tài)的波動的各種情況【11】。,左邊的這副圖是北海道大學(xué)用CT測量的結(jié)果,顯示了人體的左右手指動作中腦部血氧的變化,10,我國在這一領(lǐng)域的研究剛剛起步，我們實(shí)驗(yàn)室長期以來，一直在做這方面的工作，有了很大的進(jìn)展。華中理工大學(xué)、清華大學(xué)等院校在這一領(lǐng)域也都有所研究，但報(bào)道不多。,左圖是他們的測量方法,11,本課題的主要內(nèi)容,本課題是在對無創(chuàng)血糖血氧理論研究的深入理解的基礎(chǔ)上，對姚鵬同學(xué)的血氧測量儀和劉煜同學(xué)的血糖測量儀進(jìn)行進(jìn)一步的改造，主要是針對血氧測量儀的改造，他們都是采用光譜分析法,所以他們在采集電路和放大電路,以及后續(xù)的數(shù)據(jù)處理方面，出了在原理和公式有不同之外，大都可以相互通用。,12,第一．在機(jī)械結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)，簡化整個儀器 的結(jié)構(gòu)。 第二．在硬件方面，消除由于各種干擾而導(dǎo)致的測量結(jié)果不精確，漂移較大的一些不足之處，提高信號強(qiáng)度，提高信噪比。 第三．重新設(shè)計(jì)軟件，使數(shù)據(jù)的輸出可以即時地顯示出來，而不是在采集和處理完之后才顯示，這樣可以在測量過程中進(jìn)行更好地控制和操作。 通過大量的實(shí)驗(yàn)，對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)和分析，對其中的重要參數(shù)進(jìn)行評定。在此基礎(chǔ)上初步建立數(shù)學(xué)模型。 具體內(nèi)容將在設(shè)計(jì)方案中再作進(jìn)一步的詳述。,13,原理和研究方案,近紅外光對人體有較強(qiáng)的透過能力,從頭蓋骨外照射的光經(jīng)過組織后可再次在頭蓋骨外接受到,其穿透深度可多達(dá)大腦的20mm，下圖顯示的是探測光經(jīng)過頭部組織的一個示意圖。,4-1 原理,14,圖1 入射光經(jīng)過腦組織的示意圖,15,在血紅蛋白的本征吸收光譜內(nèi)，沒有或很少有血液或組織中其它成分的吸收，或者其它成分在它的特征光譜區(qū)內(nèi)的吸收相對恒定，這樣就可以測得在血液中主要以氧合血紅蛋白(HbO2)和脫氧血紅蛋白(Hb)形式存在的血氧的濃度。 在近紅外光譜區(qū)，人體表皮對光以吸收為主，因此可以忽略散射的影響。根據(jù)廣義朗伯特－比爾定律【12】（Lambert-Beer Law）可以得出生物體組織關(guān)于單色點(diǎn)光源的入射光強(qiáng)和透射光強(qiáng)的關(guān)系，做進(jìn)一步變換，就可獲得氧合血紅蛋白與脫氧血紅蛋白濃度的變化的關(guān)系式。,16,上式為生物體組織關(guān)于單色點(diǎn)光源的入射光強(qiáng)和透射光強(qiáng)φ的關(guān)系式。 式中 φ0是單色點(diǎn)光源的入射光強(qiáng)； φ是單色點(diǎn)光源的透射光強(qiáng)； εi是組織i的吸光系數(shù)； Ci(x,y,z)是位于坐標(biāo)(x,y,z)的組織的濃度； S是單色點(diǎn)光源的輻射路徑。,(4-1),(4-2),17,其中D1，D2，D3，代表、和的光密度，是通過測量可得出的值，由方程組(4-2)可求得和，即氧合血紅蛋白與脫氧血紅蛋白濃度的變化.,經(jīng)過變換得出，設(shè)兩次測量的間隔時間為，則,(4-3),18,4-2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),下面顯示的是系統(tǒng)圖,,,,圖2 系統(tǒng)示意圖,19,左圖Somanetics公司的一個測量意圖,我們采用相類似的方法,激光可以達(dá)到大腦的皮層,可以在另一處接受到.,我們采用的是三種不同波長的激光光源,780,803和830nm.,20,4-3 過去系統(tǒng)中的一些不足之處和改進(jìn)方案,21,首先是對硬件方面的改進(jìn)，主要是對光源驅(qū)動部分的改進(jìn)。為了保證激光器能正常發(fā)光，因此必須保證必須保證流過激光器的電流為正確的方向。這樣，用來驅(qū)動的正弦信號必須加在一直流箝位上，這樣才能提高電流的穩(wěn)定性。而姚鵬同學(xué)只作了自動增益控制(Auto-Gain Control, AGC)和自動功率控制(Auto-Power Control,APC)來對保證LD的輸出光功率中交流成分的穩(wěn)定。而沒有考慮到直流成分對光源的穩(wěn)定也有很大的影響。在后面的實(shí)驗(yàn)中，由于沒有考慮到直流溫漂的影響，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果受溫度的影響很大，以至于不能測得比較理想的數(shù)據(jù)，對后面的數(shù)學(xué)模型的建立造成了困難。因此，這里要改進(jìn)的地方是對采用各種電路，來找到一種最好的消除這種直流溫漂的方法。其次是對以前的一些電路進(jìn)行一些改進(jìn)設(shè)計(jì)，消除他們的一些飛線。,22,以前的顯示是在數(shù)據(jù)全部接受經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后，在經(jīng)過計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理并一次全部顯示出來，這樣就不能實(shí)現(xiàn)即時地顯示，因而不能對整個系統(tǒng)進(jìn)行更好的控制和操作。所以對計(jì)算機(jī)的處理和顯示要進(jìn)行改進(jìn)，重新設(shè)計(jì)軟件，使數(shù)據(jù)的顯示能夠即時地顯示出來，從而能夠進(jìn)行更好地控制和操作。,23,實(shí)驗(yàn)部分將貫穿整個課題.通過大量實(shí)驗(yàn)對各種參數(shù)進(jìn)行評定，這是工作中比較重要的一節(jié)。前面的同學(xué)由于時間緊迫，沒有能夠做大量的實(shí)驗(yàn)，而且由于儀器本身的缺陷，沒有能夠獲得理想的數(shù)據(jù)，也沒能建立起比較理想的數(shù)學(xué)模型。在國外的雜志中也看到了一些已經(jīng)建立起來的數(shù)學(xué)模型，但經(jīng)過實(shí)驗(yàn)后，覺得有些參數(shù)的選擇不能達(dá)到要求。 下面是在國外雜志上看到的由兩名日本人建立的一個數(shù)學(xué)模型. 【13】,24,25,由于他們采用過的是相同功率的激光器,所以在這里的幾個參數(shù)在我們的實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，不能得出比較正確的數(shù)值，因此，要對參數(shù)重新進(jìn)行標(biāo)定。這里要做各種實(shí)驗(yàn)，比如測量不同顏色的各種溶液對各種波長的激光的吸收率。測量在吸氣或憋氣時，得出的數(shù)據(jù)到底有什么變化。如果在有可能的情況下，希望能和生物系配合，作一些動物實(shí)驗(yàn)。通過作大量的實(shí)驗(yàn)后，希望能夠通過這些數(shù)據(jù)建立起一個初步的數(shù)學(xué)模型。最后能在臨床上在做進(jìn)一步的驗(yàn)證。,26,研究工作進(jìn)度的大致安排,27,實(shí)驗(yàn)將貫穿整個工作中,28,預(yù)期研究成果,能夠建立起一個計(jì)算血氧濃度的數(shù)學(xué)模型. 能夠制作出一套完整的血氧測量儀. 在這些技術(shù)基礎(chǔ)上完成一到兩篇發(fā)表在核心期刊上論文. 現(xiàn)在正在進(jìn)行的一個項(xiàng)目是諧振式傳感器的設(shè)計(jì),爭取能夠申請到一個發(fā)明專利.,29,參考文獻(xiàn),30,1. 王強(qiáng)，“無創(chuàng)傷紅外光譜腦血氧監(jiān)測儀”，國外醫(yī)學(xué), 21(1), pp. 19-26,1998. 2. 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