基于差分因子的血氧饱和度算法研究

《基于差分因子的血氧饱和度算法研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、基于差分因子的血氧饱和度算法研究王　伟　李　超　董　平（重庆邮电大学，中国重庆400065）【摘　要】传统无创双波长血氧饱和度测量方法忽略了光散射对测量精度的影响。通过研究分析人体组织中光散射对吸收度的影响，引入了人体差分路径因子，优化了光的传播路径计算方法，改进了时变光谱算法，有效解决了光在人体中的散射造成的测量误差大的问题。.jyqkeasuringmethodsignoretheeffectoflightscatteringonthemeasurementaccuracy.Inthispaper,analysi

2、softheeffectoflightscatteringinhumantissuestoabsorbancethroughresearch,introduceshumandifferentialpathfactor,optimizationofthecalculationmethodofpropagationpathofthelightspectrum,andimprovethetime-varyingspectralalgorithm,effectivelysolvestheproblemofmeasuringe

3、rrorbigoflightscatteringinthehumanbody..【Keybert-Beer定律，波长为?姿的单色光通过第i（i=1，…，N）层组织后的强度为其中，Ii为第i层的入射光强，li为第i层组织厚度，?着ti为组织摩尔消光系数，c为组织浓度。将人体组织分为足够薄的N层组织结构，此时的单层组织可视为均匀的介质，光线在组织界面仅发生一次散射，忽略多次散射的影响。入射光从第1层表皮处射入，逐次穿过N层组织出来，此时的光强满足下式：其中，O为人体组织的吸光度，li为第i层组织的厚度。2.2　基于差分路

4、径因子的吸光度分析对于生物组织来说，组织内的物质并非均匀分布，其对光的衰减包括吸收和散射两部分。总衰减系数可用下式表示：即总衰减系数为吸收系数和散射系数之和，它表征光在组织中衰减的概率指数。1/ut称为平均自由程，它表示光子在吸收和散射发生之前所走过的一段距。大量的统计结果表明，由于散射的影响，光子从光源到检测器间为随机迁移过程，研究人员通过MonteCarlo模拟的方法模拟出光子在组织中的运行轨迹，可知光子的平均运动轨迹为“如图1所示弯弓型”[3]，由于从光源发出的光子传播至检测器，其弯弓状轨迹的平均行程L远大于光

5、源到检测距离l，二者关系为L=DPF×l。其中DPF为组织的差分路径因子，它与组织的光学参数即吸收系数和散射系数有关。在血氧饱和度一定的范围内，光线所走的有效光程由血氧饱和度的改变为引起的改变可以忽略，当多层组织结构确定，可以近似认为DPF与l选择无关[4]。因此，对（3）式进行修改，得到修正后的公式：3　基于时间分辨的差分路径因子人体组织对光子的强散射作用直接导致了其飞行路径的改变，而光子的实际飞行轨迹我们一般是不知道的。研究表明，光子的平均飞行路径一般与入射光的波长有关，可通过指定波长下的吸收系数?滋ɑ和和?滋s

6、散射系数来对其进行估算。为了测量光子的平均飞行路径，有学者提出时间分辨的方法。时间分辨的方法是利用光子在均匀组织体内的平均飞行时间来估算组织差分路径系数的。差分路径系数与光子的平均飞行时间的关系如公式：因此，平均飞行时间和光子的飞行路径长度之间的关系可以表示为[7]：其中，<t>表示入射光子在组织中的平均飞行时间；c表示光在则真空中的速度（约为3x108m/s）；n为相对于人体组织的折射率(一般为1.4~1.5左右)。为了计算光子的平均飞行时间，我们定义透射光光强的时间点扩展函数(TemporalPoin

7、tSpreadFunction，简称TPSF)：当一束时域下的?啄脉冲光入射到强散射的介质时，探测到的透射光的强度会随着出射时间而分布[5]。在描述时间扩展曲线的特征参数中，曲线的重心就是光子的平均飞行时间<T>（MeanTimeofFlight，简称TOF）[6]。<T>可从梅林变换得到，设代表时间扩展函数（TPSF），其n阶梅林变换为：则光子的平均飞行时间<T>为：联合式（6）和式（9）即可得到差分路径因子DPF。4　基于差分路径因子时变光谱算法人体脉搏搏动时，动脉血液对光的吸

8、收随其搏动而变化，而其它组织受脉搏搏动的影响很小，可以忽略不计[7]。因此，可以将组织分为受脉搏搏动影响和不受脉搏搏动影响两部分，其中。式中Ｏ０为吸光度不受脉动影响的部分，在测量数据上显示为一个与时间无关的常量，代表着非动脉组织。Ｏ1(t)为吸光度受脉动的影响，是测量数据上显示为随时间变化的量。将式（10）对时间进行微分，得：式（6）为动脉组织