專利名稱：用血氣分析儀校準(zhǔn)組織氧檢測儀的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專利申請屬于生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到生物醫(yī)學(xué)光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
用近紅外光譜(near infrared spectroscopy，NIRS)方法實現(xiàn)人體組織氧合狀況的無損、實時、連續(xù)、定量檢測是生物醫(yī)學(xué)光學(xué)領(lǐng)域中的一項重要技術(shù)，并且仍是當(dāng)前該領(lǐng)域的研究熱點。本研究小組已經(jīng)獨立自主研發(fā)成功了相關(guān)的組織氧檢測儀器，該儀器基于穩(wěn)態(tài)NIRS技術(shù)，可以連續(xù)無損檢測人體局部組織的氧飽和度(regional tissue oxygen saturation，rSO2)。本小組現(xiàn)已將該技術(shù)和儀器應(yīng)用到不同的臨床領(lǐng)域，總結(jié)了相關(guān)規(guī)律，并已就以上成果申請了多項專利(已授權(quán)的專利共有5項，授權(quán)號分別為ZL1540314，ZL1542434，ZL1544919，ZL1544947和ZL2742921)。但是，為使這項技術(shù)廣泛應(yīng)用于臨床，就必須在臨床使用之前對該NIRS儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，以有效評價其測得的rSO2的準(zhǔn)確度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是確定用血氣分析儀校準(zhǔn)NIRS組織氧檢測儀的實驗方案及步驟；并在此前提下選用新型的無機還原劑，實現(xiàn)模型氧飽和度的“階梯”狀下降，以提高校準(zhǔn)的精度。
本發(fā)明的特征在于其依次含有以下步驟步驟(1)根據(jù)待模擬的人體組織的吸收系數(shù)μa、約化散射系數(shù)μs’，配制液體組織模型；在1000ml液體組織模型中，各組分如下吸收介質(zhì)，為正常人的全血，占總體積比2％～6％，散射介質(zhì)，為脂肪乳，占總體積比2.5％，緩沖液，每1000ml緩沖液中溶有20g K2HPO4·3H2O以及2.9g NaH2PO4·2H2O，其余為去離子蒸餾水，該緩沖液占總體積比為95.5％～91.5％；步驟(2)組成實驗裝置把步驟(1)選定的液體模型倒入標(biāo)稱容積為1000ml的大燒杯中，向其中通入氧氣并攪拌，通入氧氣的流量為每分鐘200ml～500ml，通入氧氣的持續(xù)時間為4～5分鐘，具體的流量和持續(xù)時間要根據(jù)液體模型的具體配方確定；通氧完畢后，根據(jù)所用的血氣分析儀的要求，從步驟(2)得到的液體模型中抽取少量液體，用血氣分析儀測定其氧飽和度，若氧飽和度大于98％，則該液體模型已完全氧合；然后待該模型液面上的氣泡散去后，在液面上罩上一層PVC透明薄膜，使其同液面緊密接觸，再把待校準(zhǔn)的基于近紅外光譜的組織氧檢測儀的探頭固定在所述的PVC透明薄膜上并相互緊密接觸；步驟(3)分批次地加入還原劑連二亞硫酸鈉(Na2S2O4)，并迅速攪拌均勻，使用所述組織氧檢測儀測得的模型氧飽和度rSO2出現(xiàn)階梯狀下降，同時在所述階梯的平臺上用所采用的血氣分析儀測得其氧飽和度StO2，從而得到多個穩(wěn)定氧合狀態(tài)下的rSO2值和對應(yīng)的StO2值；對所述的rSO2值和StO2值進(jìn)行直線擬合，即可得到被校準(zhǔn)的組織氧檢測儀的一條校準(zhǔn)直線，據(jù)此求出擬合的線性度R；在所述步驟(3)中每批次加入的Na2S2O4的量以所選用的液體模型能出現(xiàn)穩(wěn)定的階梯狀下降的氧飽和度為準(zhǔn)。
先前我們曾使用酵母作為還原劑，但有關(guān)實驗表明這有以下缺點一是酵母不溶于該組織模型，其懸浮顆粒會影響模型的光學(xué)吸收和散射特性；二是加入酵母后，模型的氧飽和度從100％附近持續(xù)下降到接近0％(圖6)，因此難以得到多個穩(wěn)定的氧合狀態(tài)；三是每次使用的酵母的活性可能差別很大，因此用量難以控制。
本發(fā)明提出的校準(zhǔn)方法使用Na2S2O4作為還原劑。同使用酵母相比，一方面Na2S2O4極易溶于模型，并且它與組織模型的反應(yīng)不會產(chǎn)生氣體或難溶物質(zhì)，因此不會改變組織模型的光學(xué)吸收和散射特性。另一方面加入適量的Na2S2O4可使模型的氧飽和度呈現(xiàn)“階梯”狀下降(圖1)，從而可得到多個穩(wěn)定的氧合狀態(tài)，有利于提高校準(zhǔn)精度。同時每次的Na2S2O4用量容易控制，這使得校準(zhǔn)過程簡便易行。以上這些都是使用Na2S2O4作為還原劑所帶來的顯著優(yōu)點。


圖1使用Na2S2O4作為還原劑，模型的氧飽和度階梯下降的示意圖。
圖2本發(fā)明所述校準(zhǔn)實驗裝置的示意圖1，PVC薄膜；2，NIRS儀器的探頭；3，NIRS儀器的探頭連線；4，NIRS儀器；5，液體組織模型；6，加入的還原劑。
圖3本發(fā)明所述校準(zhǔn)步驟的流程圖。
圖4根據(jù)本發(fā)明所述的校準(zhǔn)方法得到的一次校準(zhǔn)實驗的結(jié)果(對應(yīng)表4，使用模型C，校準(zhǔn)的線性度R＝0.9889) 實際的校準(zhǔn)直線； 理想的校準(zhǔn)直線。
圖5根據(jù)本發(fā)明所述的校準(zhǔn)方法得到的三次校準(zhǔn)實驗的結(jié)果及其平均結(jié)果(均使用模型C，其中校準(zhǔn)直線2與平均的校準(zhǔn)直線幾乎完全重合) 校準(zhǔn)直線1； 校準(zhǔn)直線2； 校準(zhǔn)直線3； 平均的校準(zhǔn)直線。
圖6使用酵母作為還原劑時，模型的氧飽和度下降的示意圖。
具體實施例方式
目前在檢測氧飽和度的領(lǐng)域，只有血氣分析的結(jié)果可以作為“金標(biāo)準(zhǔn)”。為此我們使用血氣分析儀校準(zhǔn)NIRS儀器。測試的對象為液體組織模型，其中含有一定量的全血和散射介質(zhì)，其在近紅外波段(700-900nm)的光學(xué)吸收和散射特性接近人體組織。
首先向模型中充入適量的氧氣，以使模型充分氧合，從而其氧飽和度上升到很接近100％。然后則要通過加入適量的還原劑，得到模型的逐次降低的多個穩(wěn)定的氧合狀態(tài)；并用該NIRS儀器和血氣分析儀在每個狀態(tài)下同時測量模型的氧飽和度，以得到rSO2和StO2的多組數(shù)據(jù)，最終得到校準(zhǔn)直線。每次血氣分析需要一定的時間(一般1～2分鐘)，這段時間內(nèi)模型的氧飽和度應(yīng)保持不變，從而上述每個氧合狀態(tài)的穩(wěn)定時間應(yīng)超過2分鐘。
我們通過多次實驗發(fā)現(xiàn)，使用連二亞硫酸鈉(Na2S2O4)作為還原劑，可使模型的氧飽和度隨其加入呈現(xiàn)“階梯”狀下降即每加入一定量Na2S2O4的同時，模型的氧飽和度迅速下降到某一水平(一般下降5～20個百分點，具體的下降幅度與Na2S2O4的具體用量有關(guān))，然后可保持在此“平臺”至少30分鐘，這對血氣分析是足夠的(圖1)。這就得到了多個穩(wěn)定的氧合狀態(tài)，從而可提高校準(zhǔn)的精度，并且實施比較簡便。
具體的實施方式如下(一)配制液體組織模型液體組織模型由正常人的全血、散射介質(zhì)和緩沖液混合而成，共1000ml。其中正常人的全血為吸收介質(zhì)，脂肪乳(intralipid-20％)為散射介質(zhì)。緩沖液的作用是保持組織模型的pH值處于正常人血液pH值的范圍內(nèi)(7.35-7.45)，并與血細(xì)胞等滲。緩沖液的配方如下每1000ml緩沖液中溶有20g K2HPO4·3H2O和2.9g NaH2PO4·2H2O，其余為去離子蒸餾水。經(jīng)計算，室溫下該緩沖液的pH值穩(wěn)定在7.4；同時其滲透性為0.3mol/L，與人血等滲。
表1列出了幾種常用的液體組織模型的配方，以及每種模型在波長760nm、805nm和850nm(均位于近紅外波段)下的吸收系數(shù)μa和約化散射系數(shù)μs’。這里μa不但與波長有關(guān)，而且與組織模型的氧飽和度有關(guān)；而μs’基本不隨波長和氧飽和度的變化而變化。下述幾種模型的μa和μs’均位于人體不同組織的μa和μs’的范圍之內(nèi)，實際校準(zhǔn)時可根據(jù)待模擬的組織選擇其中某一種模型。
表1 幾種液體組織模型的配方

(二)組成實驗裝置將上述液體模型倒入標(biāo)稱容積為1000ml的大燒杯中，向其中通入一定量的氧氣并攪拌，從而使其均勻氧合。通入氧氣的流量和通氧的持續(xù)時間與模型的具體配方有關(guān)，如表2所示。通氧完畢后從該模型中抽取少量(約1ml)液體送入血氣分析儀(Nova m7型，美國Nova公司)，結(jié)果表明此時模型均已完全氧合(StO2＞98％)。
表2 通入氧氣的流量與通氧的持續(xù)時間

通氧完畢并待液面上的氣泡散去后，在液面上罩上一層透明的PVC薄膜，使其同液面緊密接觸；該薄膜的厚度約為50μm，其對光傳播的影響可忽略。然后將該NIRS儀器的探頭固定于該薄膜上并與其緊密接觸，組成如圖2的實驗裝置。
(三)還原劑的使用我們選用連二亞硫酸鈉(Na2S2O4)作為還原劑，它極易溶于水，其溶液可與氧在常溫下發(fā)生如下反應(yīng)
由于充氧完畢后模型已完全氧合，即其中的還原血紅蛋白(Hb)均與氧結(jié)合生成氧合血紅蛋白(HbO2)，因此Na2S2O4在上述模型中的反應(yīng)如下
這導(dǎo)致模型的HbO2減少，Hb增加，其氧飽和度下降。
向模型中加入一定量的Na2S2O4并迅速攪拌均勻，NIRS儀器的監(jiān)測結(jié)果表明，此時模型的rSO2的確出現(xiàn)如圖1的“階梯”狀下降；每個“階梯”的“平臺”可持續(xù)至少30分鐘，遠(yuǎn)大于每次血氣分析所需的時間(1-2分鐘)。這樣可得到模型的多個穩(wěn)定的氧合狀態(tài)。每個狀態(tài)下都用血氣分析儀測得其StO2，直到StO2＜30％為止。
對充分氧合后的液體組織模型A～E(具體配方見表1)，每次加入Na2S2O4的量(以Na2S2O4·2H2O計)，以及對應(yīng)的穩(wěn)定氧合狀態(tài)的StO2如表3所示。經(jīng)計算，對表3的任意一種情況，加入的Na2S2O4均不會改變模型的pH值和滲透壓。
表3 每次加入Na2S2O4的質(zhì)量(以Na2S2O4·2H2O計)及加入后血氣分析儀測得StO2的范圍

由上述步驟可得到每個穩(wěn)定氧合狀態(tài)對應(yīng)的rSO2和StO2。對其進(jìn)行直線擬合，即可得到NIRS儀器的一條校準(zhǔn)直線，并可求出擬合的線性度R。
圖3給出了上述(一)～(三)的流程圖。
這里以表1所述的模型C為例，詳細(xì)敘述校準(zhǔn)過程的具體步驟和結(jié)果。該模型在近紅外波段的光學(xué)參數(shù)接近成人的腦組織。
1.按照表1的要求配成液體組織模型C，并按照表2的要求充入氧氣。充氧完畢后組成如圖2的實驗裝置。打開NIRS儀器測量模型的rSO2。
2.稱取200mg的Na2S2O4·2H2O固體，并在標(biāo)稱容積10ml的封閉試管中將其溶于冷的緩沖液(溫度低于20℃)，配成10ml溶液。
3.按照表3的要求移取一定量的上述Na2S2O4溶液(第一次4～5ml，第二、三次0.75～1ml，以后每次0.5～0.75ml)加入模型中并攪拌。如前所述，這可得到穩(wěn)定的氧合狀態(tài)。在此氧合狀態(tài)下從模型中抽取少量(約1ml)液體送入血氣分析儀，得到StO2；同時讀出NIRS儀器測得的rSO2。重復(fù)此步驟直到組織模型的StO2＜30％。這樣就可得到rSO2和StO2的多組數(shù)據(jù)。
一次校準(zhǔn)實驗得到的上述數(shù)據(jù)如表4，其中共加入了8次Na2S2O4。
表4 一次校準(zhǔn)實驗的結(jié)果(使用組織模型C)

4.對表4的rSO2和StO2進(jìn)行直線擬合，得到一條校準(zhǔn)直線。
5.得到上述校準(zhǔn)直線后，可按照表2的要求向模型中充氧，然后重復(fù)上述步驟2～4，即可再得到一條校準(zhǔn)曲線。每次配好的組織模型可以重復(fù)進(jìn)行3～5次上述校準(zhǔn)。
校準(zhǔn)結(jié)果滿足如下條件時，可認(rèn)為該NIRS儀器測得的rSO2足夠準(zhǔn)確(1)校準(zhǔn)直線的線性度R＞0.95；(2)StO2在40％～80％時，上述校準(zhǔn)直線與理想的校準(zhǔn)直線(即rSO2＝StO2)的誤差均小于5％。
圖4為由表4的結(jié)果得到的校準(zhǔn)直線(實線

即rSO2和StO2的擬合直線)和理想的校準(zhǔn)直線(虛線 即rSO2＝StO2)?？梢娛紫萺SO2和StO2具有很好的線性關(guān)系(R＝0.9889)，其次這兩條直線很接近，滿足上述要求(1)(2)。這說明此次校準(zhǔn)結(jié)果是足夠準(zhǔn)確的。
我們使用模型C共進(jìn)行了三次校準(zhǔn)實驗，得到三條校準(zhǔn)直線的線性度R分別為0.9889，0.9978和0.9698。我們將這三條直線顯示在圖5中?？梢娺@三次校準(zhǔn)的結(jié)果同樣滿足上述要求(1)(2)。圖5同時顯示了這三次實驗的平均結(jié)果，可見這三條校準(zhǔn)直線很接近其平均校準(zhǔn)直線(其中校準(zhǔn)直線2與平均的校準(zhǔn)直線幾乎完全重合)。這表明上述校準(zhǔn)實驗具有較好的可重復(fù)性。
權(quán)利要求
1.用血氣分析儀校準(zhǔn)組織氧檢測儀的方法，其特征在于，該方法依次含有以下步驟步驟(1)根據(jù)待模擬的人體組織的吸收系數(shù)μa、約化散射系數(shù)μs’，配制液體組織模型在1000ml液體組織模型中，各組分如下吸收介質(zhì)，為正常人的全血，占總體積比2％～6％，散射介質(zhì)，為脂肪乳，占總體積比2.5％，緩沖液，每1000ml緩沖液中溶有20g K2HPO4·3H2O以及2.9g NaH2PO4·2H2O，其余為去離子蒸餾水，該緩沖液占總體積比為95.5％～91.5％；步驟(2)組成實驗裝置把步驟(1)選定的液體模型倒入標(biāo)稱容積為1000ml的大燒杯中，向其中通入氧氣并攪拌，通入氧氣的流量為每分鐘200ml～500ml，通入氧氣的持續(xù)時間為4～5分鐘，具體的流量和持續(xù)時間要根據(jù)液體模型的具體配方確定；通氧完畢后，根據(jù)所用的血氣分析儀的要求，從步驟(2)得到的液體模型中抽取少量液體，用血氣分析儀測定其氧飽和度，若氧飽和度大于98％，則該液體模型已完全氧合；然后待該模型液面上的氣泡散去后，在液面上罩上一層PVC透明薄膜，使其同液面緊密接觸，再把待校準(zhǔn)的基于近紅外光譜的組織氧檢測儀的探頭固定在所述的PVC透明薄膜上并相互緊密接觸；步驟(3)分批次地加入還原劑連二亞硫酸鈉，并迅速攪拌均勻，使用所述組織氧檢測儀測得的模型氧飽和度rSO2出現(xiàn)階梯狀下降，同時在所述階梯的平臺上用所采用的血氣分析儀測得其氧飽和度StO2，從而得到多個穩(wěn)定氧合狀態(tài)下的rSO2值和對應(yīng)的StO2值；對所述的rSO2值和StO2值進(jìn)行直線擬合，即可得到被校準(zhǔn)的組織氧檢測儀的一條校準(zhǔn)直線，據(jù)此求出擬合的線性度R；在所述步驟(3)中每批次加入的連二亞硫酸鈉的量以所選用的液體模型能出現(xiàn)穩(wěn)定的階梯狀下降的氧飽和度為準(zhǔn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用血氣分析儀校準(zhǔn)組織氧檢測儀的方法，其特征在于當(dāng)人體不同組織的約化散射系數(shù)μs’在4.7～5.2cm-1之間，吸收系數(shù)μa在波長760nm下為0.052～0.178cm-1之間、波長805nm下為0.069～0.095cm-1之間、波長850nm下為0.067～0.123cm-1之間時，液體組織模型的配方為全血20ml、脂肪乳25ml、緩沖液955ml。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用血氣分析儀校準(zhǔn)組織氧檢測儀的方法，其特征在于當(dāng)人體不同組織的約化散射系數(shù)μs’在4.7～5.2cm-1之間，吸收系數(shù)μa在波長760nm下為0.078～0.267cm-1之間、波長805nm下為0.104～0.143cm-1之間、波長850nm下為0.100～0.185cm-1之間時，液體組織模型的配方為全血30ml、脂肪乳25ml、緩沖液945ml。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用血氣分析儀校準(zhǔn)組織氧檢測儀的方法，其特征在于當(dāng)人體不同組織的約化散射系數(shù)μs’在4.7～5.2cm-1之間，吸收系數(shù)μa在波長760nm下為0.104～0.356cm-1之間、波長805nm下為0.139～0.191cm-1之間、波長850nm下為0.134～0.246cm-1之間時，液體組織模型的配方為全血40ml、脂肪乳25ml、緩沖液935ml。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用血氣分析儀校準(zhǔn)組織氧檢測儀的方法，其特征在于當(dāng)人體不同組織的約化散射系數(shù)μs’在4.7～5.2cm-1之間，吸收系數(shù)μa在波長760nm下為0.130～0.445cm-1之間、波長805nm下為0.173～0.238cm-1之間、波長850nm下為0.167～0.308cm-1之間時，液體組織模型的配方為全血50ml、脂肪乳25ml、緩沖液925ml。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用血氣分析儀校準(zhǔn)組織氧檢測儀的方法，其特征在于當(dāng)人體不同組織的約化散射系數(shù)μs’在4.7～5.2cm-1之間，吸收系數(shù)μa在波長760nm下為0.155～0.534cm-1之間、波長805nm下為0.208～0.286cm-1之間、波長850nm下為0.200～0.370cm-1之間時，液體組織模型的配方為全血60ml、脂肪乳25ml、緩沖液915ml。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用血氣分析儀校準(zhǔn)組織氧檢測儀的方法，其特征在于所述的氧飽和度StO2的階梯狀下降的幅度每次在5～20個百分點之內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用血氣分析儀校準(zhǔn)組織氧檢測儀的方法，其特征在于所述血氣分析儀為美國Nova公司生產(chǎn)的Novam7型。
全文摘要
本發(fā)明屬于血氧飽和度檢測技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于以適量的正常人全血、脂肪乳、K
文檔編號G01N21/17GK1864629SQ200610012009
公開日2006年11月22日 申請日期2006年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月26日
發(fā)明者騰軼超, 丁海曙, 黃嵐, 李岳 申請人:清華大學(xué)