無創(chuàng)測量血液成分濃度的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種無創(chuàng)測量血液成分濃度的方法，所述方法包括：同步采集一段時間內(nèi)多個不同波長光源下手指指尖處的透射光電容積脈搏波并取對數(shù)，得到多波長下的對數(shù)光電容積脈搏波；利用時域或頻域的直流特征量和交流特征量的提取方法，提取多波長的特征量；根據(jù)3σ準(zhǔn)則，剔除含有粗大誤差的直流特征量和交流特征量，將剔除粗大噪聲后的直流特征量和交流特征量的均值作為最終的光電容積脈搏波的特征量；提取一定數(shù)量實(shí)驗(yàn)對象的光電容積脈搏波特征量樣本，同時使用生化分析儀器測量血液成分濃度的真值，建立濃度與光電容積脈搏波特征量的回歸模型；提取被測對象的光電容積脈搏波特征量，利用回歸模型計(jì)算血液成分的濃度。
【專利說明】無創(chuàng)測量血液成分濃度的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種無創(chuàng)測量血液成分濃度的方法，尤其涉及一種利用有限個數(shù)光源 下測得的手指指尖處透射光電容積脈搏波的特征量，建立血液成分濃度與特征量的回歸計(jì) 算模型，來預(yù)測血液成分濃度的建模分析方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 目前，已報(bào)道的關(guān)于無創(chuàng)血液成分檢測的研究中涉及到的血液參數(shù)包括血糖、血 紅蛋白及其衍生物、紅細(xì)胞數(shù)、紅細(xì)胞比容、膽紅素、多種蛋白、血液中的酒精含量W及普遍 應(yīng)用的血氧飽和度等，主要集中在血糖和血紅蛋白的檢測上。各研究小組根據(jù)不同血液成 分參數(shù)的物理和化學(xué)特性及在生理組織上的表現(xiàn)，所采用的檢測方法不同，主要可W分為 兩大類：非光學(xué)方法和光學(xué)方法。非光學(xué)方法有反離子電滲透法、熱代謝整合法、電導(dǎo)率方 法等，其缺點(diǎn)是所使用的電化學(xué)傳感器、電極片等需要與人體皮膚接觸，會引起被測對象的 不適感，而且測量時皮膚狀況、血流情況、體溫等個體差異因素使得測量精度難W提高；光 學(xué)方法包括；光聲光譜法、拉曼光譜法、英光法、偏振光旋光法、光學(xué)相干層析成像法、近紅 外光譜法等。近紅外光譜技術(shù)是一種間接測量技術(shù)，W朗伯-比爾化ambed-Beer)定律為 基礎(chǔ)，利用各種成分光吸收特異性來測量，目前在血糖、血氧、血紅蛋白檢測上應(yīng)用較多。根 據(jù)接收方式的不同，近紅外光譜測量主要可W分為漫反射測量和透射測量。隨著計(jì)算機(jī)技 術(shù)和化學(xué)計(jì)量學(xué)理論的發(fā)展，近紅外光譜定量分析的靈敏度、準(zhǔn)確性和可靠性都有較大提 高。近紅外光譜法成為目前該些光學(xué)方法中最主要的研究方法，部分已進(jìn)入在體檢測實(shí)驗(yàn) 階段，取得的進(jìn)展也是最為顯著的。
[0003] 中國發(fā)明專利申請CN1550209A，公開了一種無創(chuàng)測量血液成分濃度的方法和裝 置，通過對被測對象身體部分施加不同的壓力，測量不同厚度下的透射近紅外光譜，計(jì)算得 到差值光譜，然后建模分析計(jì)算血液成分的濃度，但其測量裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且外加的壓力 容易令被測對象產(chǎn)生不適感。
[0004] 中國發(fā)明專利申請CN101507607A，公開了一種無創(chuàng)測量血液光譜與成分的方法， 使用告訴光譜儀連續(xù)測量被測體的透射光譜，對各個波長下的脈搏波進(jìn)行傅里葉變化，取 幅值最大的諧波按波長排序，形成光譜，實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)測量血液成分，該方法僅利用了光電容積 脈搏波的交流成分，所含信息量有限，對被測部分的厚度、皮膚色素、水分含量等個體差異 的表達(dá)能力不足，限制了測量精度的提高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供了一種無創(chuàng)測量血液成分濃度的方法，本發(fā)明解決了如何降低人體組 織及血液散射對光譜定律分析的影響W及提高血液成分濃度測量精度的問題，詳見下文描 述：
[0006] -種無創(chuàng)測量血液成分濃度的方法，所述方法包括W下步驟：
[0007] 同步采集一段時間內(nèi)多個不同波長光源下手指指尖處的透射光電容積脈搏波并 取對數(shù)，得到多波長下的對數(shù)光電容積脈搏波；
[0008] 利用時域或頻域的多波長直流特征量和交流特征量的提取方法，提取多波長的特 征量；
[0009] 根據(jù)3 0準(zhǔn)則，剔除含有粗大誤差的直流特征量和交流特征量，將剔除粗大噪聲 后的直流特征量和交流特征量的均值作為最終的光電容積脈搏波的特征量；
[0010] 提取一定數(shù)量實(shí)驗(yàn)對象的光電容積脈搏波特征量樣本，同時使用生化分析儀器測 量血液成分濃度的真值，建立濃度與光電容積脈搏波特征量的回歸模型；
[0011] 提取被測對象的光電容積脈搏波特征量，利用回歸模型計(jì)算血液成分的濃度。
[0012] 本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是；本方法僅使用有限波長下對數(shù)光電容積脈 搏波信號的交流量、直流量為新的特征量建立回歸模型，定量計(jì)算血液成分的濃度。透射光 電容積脈搏波的交流量和直流量，均包含了人體組織和血液成分的信息，其中交流量主要 反映了脈動的動脈血中光吸收和散射的信息，而直流量中包含了手指厚度、皮膚等組織的 吸收和散射、血液的靜態(tài)吸收和散射的信息，與動態(tài)光譜理論僅利用交流量建模分析血液 成分相比，引入更多的信息，增加了模型的測量精度；同時，通過研究優(yōu)選出的有限波長，使 用W優(yōu)選波長為中也波長的發(fā)光二極管能夠進(jìn)一步提高系統(tǒng)的信噪比和測量精度，提高模 型的定量分析能力。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 圖1為無創(chuàng)測量血液成分濃度方法的流程圖

【具體實(shí)施方式】
[0014] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面對本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步 地詳細(xì)描述。
[0015] 為了解決如何降低人體組織及血液散射對光譜定量分析的影響W及提高血液成 分濃度的測量精度的問題，本發(fā)明實(shí)施例提供一種無創(chuàng)測量血液成分濃度的方法，參見圖 1，詳見下文描述。
[0016] 101 ;同步采集一段時間內(nèi)多個不同波長光源下手指指尖處的透射光電容積脈搏 波并取對數(shù)，得到多波長下的對數(shù)光電容積脈搏波；
[0017] 其中，該步驟具體為：
[0018] 多個不同波長的光源是多個中也波長不同的發(fā)光二極管光源，波長范圍是可見 光-近紅外波段；
[0019] 使用多個發(fā)光二極管作為光源時，驅(qū)動發(fā)光二極管光源的方式可W是分時驅(qū)動或 者正弦波分頻驅(qū)動；
[0020] 光電接收器件可W是光電二極管、光電池等光電器件，但光電接收器件的敏感波 長范圍滿足光源波長的要求，光電接收器件及相關(guān)電子線路的響應(yīng)速度需要滿足所選驅(qū)動 方式的要求；
[0021] 光源和光電接收器件與被測對象手指指尖的放置方式可W是透射式或者反射式， 即測量得到的光電容積脈搏波可W來源于透射光強(qiáng)或者漫反射光強(qiáng)；
[0022] 對采集得到的多個波長下的光電容積脈搏波取對數(shù)，得到對數(shù)光電容積脈搏波。
[0023] 102;利用時域或頻域的多波長直流特征量和交流特征量的提取方法，提取多波長 的特征量；
[0024] 該步驟具體包括時域和頻域的多波長直流特征量和交流特征量的提取方法，詳見 步驟 1021-1022 ;
[00巧]1021 ;時域的直流特征量和交流特征量提取方法是，在時域中，將對數(shù)光電容積脈 搏波按照脈搏周期進(jìn)行劃分區(qū)段，提取出每個脈搏周期中對數(shù)光電容積脈搏波的峰值和谷 值，將峰值或者峰值和谷值的平均值作為光電容積脈搏波的直流特征量，將峰值和谷值的 差值作為光電容積脈搏波的交流特征量；
[0026] 1022;頻域的直流特征量和交流特征量提取方法是，在頻域中，取一定時間內(nèi)連續(xù) 采集的對數(shù)光電容積脈搏波，采用動態(tài)光譜的頻域提取法，對對數(shù)光電容積脈搏波做傅里 葉變換，將對數(shù)脈搏波頻譜中的直流分量作為光電容積脈搏波的直流特征量，將頻譜中的 基波分量（幅值最大的諧波）作為光電容積脈搏波的交流特征量。
[0027] 103 ;根據(jù)3 O準(zhǔn)則，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誤 差的直流特征量和交流特征量，將剔除粗大噪聲后的直流特征量和交流特征量的均值作為 最終的光電容積脈搏波的特征量；
[0028] 測量過程中，某個時刻的光電容積脈搏波信號如果包含運(yùn)動偽跡或含有較大噪 聲，會影響該段提取光電容積脈搏波特征量的準(zhǔn)確性。若每個實(shí)驗(yàn)對象的同種特征量（直 流特征量或者交流特征量）組成的合集中的某個元素與合集的平均值之差大于等于30， 則認(rèn)為該元素誤差較大并剔除，若小于3 O則保留。
[0029] 104 ;按上述步驟101-103,提取一定數(shù)量實(shí)驗(yàn)對象的光電容積脈搏波特征量樣 本，同時使用生化分析儀器測量血液成分濃度的真值，使用某種建模方法，建立濃度與光電 容積脈搏波特征量的回歸模型；
[0030] 該步驟具體包括步驟1041-1043,詳見下文描述：
[0031] 1041 ;對每個實(shí)驗(yàn)對象進(jìn)行多波長光電脈搏波的采集，同時采集實(shí)驗(yàn)對象的血液， 進(jìn)行生化分析，記錄血液成分濃度的真值；
[0032] 1042 ;提取每個實(shí)驗(yàn)對象的多波長光電容積脈搏波的特征量；
[0033] 1043 ;將每個實(shí)驗(yàn)對象的多波長光電容積脈搏波的特征量及其高次項(xiàng)作為自變 量，生化分析結(jié)果中得到的血液成分濃度的真值作為因變量，使用合理的建模方法，比如偏 最小二乘建模、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模等建模方法，建立因變量與自變量的對應(yīng)關(guān)系，即濃度真值與 光電容積脈搏波特征量的回歸模型。
[0034] W特征量為自變量為例，通過建模方法得到的回歸模型如公式（1)所示：

【權(quán)利要求】
1. 一種無創(chuàng)測量血液成分濃度的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟： 同步采集一段時間內(nèi)多個不同波長光源下手指指尖處的透射光電容積脈搏波并取對 數(shù)，得到多波長下的對數(shù)光電容積脈搏波； 利用時域或頻域的直流特征量和交流特征量的提取方法，提取多波長的特征量； 根據(jù)3 σ準(zhǔn)則，剔除含有粗大誤差的直流特征量和交流特征量，將剔除粗大噪聲后的 直流特征量和交流特征量的均值作為最終的光電容積脈搏波的特征量； 提取一定數(shù)量實(shí)驗(yàn)對象的光電容積脈搏波特征量樣本，同時使用生化分析儀器測量血 液成分濃度的真值，建立濃度與光電容積脈搏波特征量的回歸模型； 在使用回歸模型進(jìn)行預(yù)測時，提取被測對象的光電容積脈搏波特征量，利用回歸模型 計(jì)算血液成分的濃度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無創(chuàng)測量血液成分濃度的方法，其特征在于，所述時域 多波長直流特征量和交流特征量的提取方法具體為： 在時域中，將對數(shù)光電容積脈搏波按照脈搏周期進(jìn)行劃分區(qū)段，提取出每個脈搏周期 中對數(shù)光電容積脈搏波的峰值和谷值，將峰值或者峰值和谷值的平均值作為光電容積脈搏 波的直流特征量，將峰值和谷值的差值作為光電容積脈搏波的交流特征量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無創(chuàng)測量血液成分濃度的方法，其特征在于，所述頻域 多波長直流特征量和交流特征量的提取方法具體為： 在頻域中，取一定時間內(nèi)連續(xù)采集的對數(shù)光電容積脈搏波，采用動態(tài)光譜的頻域提取 法，對對數(shù)光電容積脈搏波做傅里葉變換，將對數(shù)脈搏波頻譜中的直流分量作為光電容積 脈搏波的直流特征量，將頻譜中的基波分量作為光電容積脈搏波的交流特征量。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無創(chuàng)測量血液成分濃度的方法，其特征在于，所述提取 一定數(shù)量實(shí)驗(yàn)對象的光電容積脈搏波特征量樣本，同時使用生化分析儀器測量血液成分濃 度的真值，建立濃度與光電容積脈搏波特征量的回歸模型具體為： 對每個實(shí)驗(yàn)對象進(jìn)行多波長光電脈搏波的采集，同時采集實(shí)驗(yàn)對象的血液，進(jìn)行生化 分析，記錄血液成分濃度的真值； 提取每個實(shí)驗(yàn)對象的多波長光電容積脈搏波的特征量； 將每個實(shí)驗(yàn)對象的多波長光電容積脈搏波的特征量及其高次項(xiàng)作為自變量，生化分析 結(jié)果中得到的動血液成分濃度的真值作為因變量，建立濃度真值與光電容積脈搏波特征量 的回歸模型。
【文檔編號】A61B5/1455GK104224196SQ201410494087
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月24日
【發(fā)明者】李剛, 包磊, 張盛昭, 周梅, 林凌 申請人:天津大學(xué)