RU2545814C1 - Method of determining physical-biological parameters of skin and concentration of haemoglobin derivatives in blood - Google Patents
Method of determining physical-biological parameters of skin and concentration of haemoglobin derivatives in blood Download PDFInfo
- Publication number
- RU2545814C1 RU2545814C1 RU2013149192/15A RU2013149192A RU2545814C1 RU 2545814 C1 RU2545814 C1 RU 2545814C1 RU 2013149192/15 A RU2013149192/15 A RU 2013149192/15A RU 2013149192 A RU2013149192 A RU 2013149192A RU 2545814 C1 RU2545814 C1 RU 2545814C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- skin
- parameters
- signals
- blood
- concentration
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области медицинского приборостроения.The invention relates to the field of medical instrumentation.
Известен способ определения содержания производных гемоглобина в крови [1], основанный на измерении оптической плотности гемолизированного однопроцентного раствора крови на длинах волн в диапазоне 450-650 нм и определении концентраций оксигемоглобина, деоксигемоглобина, карбоксигемоглобина и метгемоглобина, из решения системы уравненийA known method for determining the content of hemoglobin derivatives in the blood [1], based on measuring the optical density of a hemolyzed one percent blood solution at wavelengths in the range 450-650 nm and determining the concentrations of oxyhemoglobin, deoxyhemoglobin, carboxyhemoglobin and methemoglobin, from solving the system of equations
где D(λi) - оптическая плотность раствора крови на i-й длине волны; l - толщина слоя крови; εj(λi) - молярные коэффициенты поглощения j-й производной гемоглобина на i-й длине волны; Сj - концентрация j-й производной; n - число анализируемых производных гемоглобина; m - число используемых длин волн; i=1, 2, …, m. Данный способ не обладает оперативностью и требует высокой квалификации медперсонала, поскольку предполагает взятие пробы крови и ее обработку в трансформирующем растворе. Кроме того, взятие пробы крови шприцом сопряжено с травмированием пациента и риском его инфицирования.where D (λ i ) is the optical density of the blood solution at the i-th wavelength; l is the thickness of the blood layer; ε j (λ i ) are the molar absorption coefficients of the j-th hemoglobin derivative at the i-th wavelength; C j is the concentration of the jth derivative; n is the number of analyzed hemoglobin derivatives; m is the number of wavelengths used; i = 1, 2, ..., m. This method is not efficient and requires highly qualified medical staff, since it involves taking a blood sample and processing it in a transforming solution. In addition, taking a blood sample with a syringe is associated with injury to the patient and the risk of infection.
Известен ряд способов неинвазивного анализа содержаний гемоглобинов в крови, использующих принципы светодиодной пульсоксиметрии [2-4]. Данные способы включают измерение зависимости светового потока, прошедшего через слой ткани с пульсирующей артериальной кровью, от времени; исключение постоянной составляющей потока, обусловленной капиллярами, венами и другими непульсирующими элементами ткани; определение оптической плотности D(λi) артериальной крови на характеристических длинах волн λi (i=1, …, m) анализируемых производных гемоглобина и вычисление концентраций Cj (j=1, …, n) производных гемоглобина в артериальной крови из решения системы уравнений вида (1), где l - длина пути фотона в ткани. К недостаткам данных способов следует отнести их привязку к кардиоколебаниям кровотока в ткани, что существенно ограничивает область их применения, а также влияние на результат измерений ширины линий излучения светодиодов и рассеивающих свойств ткани, определяющих величину l и ее спектральную зависимость. Кроме того, вследствие существенного перекрытия спектров поглощения производных гемоглобина система из m уравнений (1) с n неизвестными при m~n является плохо обусловленной, а ее решение - неустойчивым к погрешностям измерения оптической плотности. В результате данные методы не позволяют достичь необходимую для медицинской практики точность анализа гемоглобинного состава.There are a number of methods for non-invasive analysis of hemoglobin levels in the blood, using the principles of LED pulse oximetry [2-4]. These methods include measuring the time dependence of the light flux passing through a layer of tissue with pulsating arterial blood; the exclusion of the constant component of the flow due to capillaries, veins and other non-pulsating tissue elements; determination of the optical density D (λ i ) of arterial blood at characteristic wavelengths λ i (i = 1, ..., m) of the analyzed hemoglobin derivatives and calculation of the concentrations C j (j = 1, ..., n) of hemoglobin derivatives in arterial blood from the solution of the system equations of the form (1), where l is the path length of the photon in the tissue. The disadvantages of these methods include their binding to cardioscillations of blood flow in the tissue, which significantly limits their scope, as well as the effect on the measurement result of the width of the emission lines of LEDs and the scattering properties of the tissue, which determine the value of l and its spectral dependence. In addition, due to the substantial overlap of the absorption spectra of hemoglobin derivatives, a system of m equations (1) with n unknowns at m ~ n is poorly conditioned, and its solution is unstable to optical density measurement errors. As a result, these methods do not allow achieving the accuracy of the analysis of hemoglobin composition necessary for medical practice.
Известны способ и устройство для определения физико-биологических характеристик кожи и слизистых оболочек in vivo [5], основанные на измерении сигналов (Р) диффузного отражения ткани в спектральных участках 460-490 нм, 520-590 нм, 650-690 нм и 900-950 нм; определении оптической плотности D=lg(Pref/P), где Pref - опорный сигнал от светорассеивающего эталона; и вычислении концентраций оптически активных компонентов ткани (оксигемоглобин, деоксигемоглобин, меланин, коллаген) из решения системы линейных уравнений (1) для оптической плотности многокомпонентной среды. В [6] описан близкий по сути способ, отличающийся тем, что оптическая плотность D(λ) измеряется на длинах волн λ=560, 578, 620 и 720 нм. Данные методы основаны на принципе аддитивности оптических плотностей, согласно которому оптическая плотность многокомпонентной среды равна сумме оптических плотностей ее отдельных компонентов. В условиях многократного рассеяния света, которое имеет место в биологических тканях, этот принцип, строго говоря, не применим, поскольку поглощение света каждой компонентой зависит от оптического пути, проходимого светом в среде с учетом его многократного рассеяния и поглощения всеми другими компонентами среды. Кроме того, данные способы требуют калибровочных измерений и не позволяют определять содержания в крови дисгемоглобинов (карбокси-, мет- и сульфгемоглобина), что в ряде случаев существенно снижает точность диагностики и делает данные способы неприменимыми при некоторых патологических состояниях организма человека.A known method and device for determining the physico-biological characteristics of the skin and mucous membranes in vivo [5], based on the measurement of signals (P) of diffuse reflection of tissue in the spectral regions of 460-490 nm, 520-590 nm, 650-690 nm and 900 950 nm; determination of optical density D = log (P ref / P), where P ref is the reference signal from the light-scattering standard; and calculating the concentrations of optically active tissue components (oxyhemoglobin, deoxyhemoglobin, melanin, collagen) from solving a system of linear equations (1) for the optical density of a multicomponent medium. In [6], a method essentially similar is described, characterized in that the optical density D (λ) is measured at wavelengths λ = 560, 578, 620 and 720 nm. These methods are based on the principle of additivity of optical densities, according to which the optical density of a multicomponent medium is equal to the sum of the optical densities of its individual components. Under the conditions of multiple scattering of light that occurs in biological tissues, this principle, strictly speaking, is not applicable, since the absorption of light by each component depends on the optical path traveled by light in the medium, taking into account its multiple scattering and absorption by all other components of the medium. In addition, these methods require calibration measurements and do not allow to determine the blood levels of dyshemoglobins (carboxy-, met- and sulfhemoglobin), which in some cases significantly reduces the accuracy of diagnosis and makes these methods not applicable for some pathological conditions of the human body.
Известен также способ определения концентраций оптически-активных компонентов ткани [7], основанный на подведении зондирующего излучения к ткани и сборе рассеянного ею светового потока с использованием оптических волокон, измерении отражательной способности ткани в УФ и видимой областях спектра, и моделировании теоретического спектра отражательной способности ткани по отношению к экспериментальному путем подбора модельных параметров. Данный способ предполагает соприкосновение волоконно-оптического датчика с тканью, что приводит к изменению ее оптических параметров (за счет небольшого нажима) и искажает результат измерений. Кроме того, данный способ требует использования калибровочного диффузного отражателя с известными и неменяющимися со временем оптическими параметрами.There is also a method for determining the concentrations of optically active components of tissue [7], based on summing the probe radiation to the tissue and collecting the scattered light flux using optical fibers, measuring the reflectance of the tissue in the UV and visible regions of the spectrum, and modeling the theoretical reflectance spectrum of the tissue in relation to the experimental by selecting model parameters. This method involves the contact of the fiber-optic sensor with tissue, which leads to a change in its optical parameters (due to slight pressure) and distorts the measurement result. In addition, this method requires the use of a calibration diffuse reflector with known and non-changing optical parameters over time.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ определения концентраций общего гемоглобина в коже и степени оксигенации крови [8], включающий освещение кожи поляризованным излучением с известным спектром; регистрацию мультиспектрального изображения кожи с поляризацией, ортогональной поляризации освещающего излучения; конвертацию спектральных слоев изображения кожи в спектральные значения ее коэффициента диффузного отражения путем сравнения изображения кожи с изображением белого диффузного отражателя; и определение параметров кожи из решения системы уравнений для спектральных значений ее коэффициента диффузного отражения.Closest to the claimed invention is a method for determining the concentration of total hemoglobin in the skin and the degree of oxygenation of the blood [8], including lighting the skin with polarized radiation with a known spectrum; registration of a multispectral image of the skin with polarization, orthogonal polarization of the illuminating radiation; converting the spectral layers of the skin image into the spectral values of its diffuse reflection coefficient by comparing the skin image with the image of a white diffuse reflector; and determining skin parameters from solving a system of equations for the spectral values of its diffuse reflection coefficient.
Данный способ позволяет определять параметры кожи без контакта с ней измерительного устройства. Однако при этом остается необходимость проведения калибровочных измерений. Кроме того, в данном способе диффузно отраженный от кожи свет собирают в пределах области ее освещения. Соответствующие фотоны проходят в коже относительно небольшой оптический путь, что выражается в низкой чувствительности регистрируемых световых потоков к концентрациям компонентов кожи и крови. В связи с этим данный способ не позволяет определять патологические формы гемоглобина, спектры поглощений которых существенно перекрываются с аналогичными спектрами основных форм гемоглобина.This method allows you to determine the parameters of the skin without contact with her measuring device. However, there remains a need for calibration measurements. In addition, in this method, light diffusely reflected from the skin is collected within the area of its illumination. The corresponding photons pass through the skin in a relatively small optical path, which is reflected in the low sensitivity of the recorded light fluxes to the concentrations of skin and blood components. In this regard, this method does not allow to determine pathological forms of hemoglobin, the absorption spectra of which substantially overlap with similar spectra of the main forms of hemoglobin.
Предлагаемое изобретение направлено на повышение точности определения физико-биологических параметров кожи и концентраций производных гемоглобина в крови, исключение необходимости проведения калибровочных измерений и расширение функциональных возможностей способа, за счет увеличения количества определяемых параметров.The present invention is aimed at improving the accuracy of determining the physico-biological parameters of the skin and the concentration of hemoglobin derivatives in the blood, eliminating the need for calibration measurements and expanding the functionality of the method, by increasing the number of determined parameters.
Для решения данных задач в способе определения физико-биологических параметров кожи и концентраций производных гемоглобина в крови путем посылки на кожу поляризованного оптического излучения с известным спектром, регистрации сигналов диффузно отраженного кожей света с поляризацией, ортогональной поляризации посылаемого на кожу излучения, оптическое излучение фокусируют на поверхность кожи в пятно облучения, регистрируют сигналы диффузно отраженного кожей света P(ρ, λ) в спектральном диапазоне λ=450-800 нм не менее чем от двух кольцевых областей на поверхности кожи, расположенных на различных расстояниях ρ от пятна облучения; определяют разностные сигналы r(ρ, λ)=ln(P(ρ0, λ)/P(ρ, λ)), где ρ0 - расстояние до ближайшего к пятну облучения кольца регистрации; а физико-биологические параметры кожи и концентрации производных гемоглобина в крови определяют путем решения обратной задачи с использованием аналитических выражений, аппроксимирующих зависимость r(ρ, λ) от определяемых параметров.To solve these problems in a method for determining the physico-biological parameters of the skin and the concentration of hemoglobin derivatives in the blood by sending polarized optical radiation with a known spectrum to the skin, recording signals of light diffusely reflected by the skin with polarization, orthogonal polarization of the radiation sent to the skin, the optical radiation is focused on the surface skin in the irradiation spot, the signals of diffusely reflected light of the skin P (ρ, λ) are recorded in the spectral range λ = 450-800 nm from at least two ring neoplasms of the skin surface located at different distances from the spot irradiation ρ; determining the difference signals r (ρ, λ) = ln (P (ρ 0 , λ) / P (ρ, λ)), where ρ 0 is the distance to the registration ring closest to the irradiation spot; and the physico-biological parameters of the skin and the concentration of hemoglobin derivatives in the blood are determined by solving the inverse problem using analytical expressions that approximate the dependence of r (ρ, λ) on the determined parameters.
Измерения сигналов диффузно отраженного кожей света при различных расстояниях от области облучения кожи позволяют избавиться от необходимости использования эталонного отражателя и повысить удобство практического использования способа. Чувствительность способа к концентрациям компонентов кожи и крови повышается за счет большего оптического пути, проходимого светом в кожной ткани. Аналитические выражения, связывающие измеряемые сигналы с физико-биологическими параметрами кожи и концентрациями производных гемоглобина в крови, позволяют повысить точность диагностики и увеличить количество определяемых параметров.Measurement of signals diffusely reflected by the skin of light at various distances from the skin irradiation area eliminates the need to use a reference reflector and increase the convenience of practical use of the method. The sensitivity of the method to the concentrations of skin and blood components is increased due to the larger optical path that light travels in the skin tissue. Analytical expressions linking the measured signals with the physico-biological parameters of the skin and the concentration of hemoglobin derivatives in the blood can improve the accuracy of diagnosis and increase the number of determined parameters.
Сущность данного изобретения поясняется с помощью фиг.1-6.The essence of this invention is illustrated using figures 1-6.
На фиг.1 представлен возможный вид устройства для измерения спектрально-пространственных характеристик диффузного отражения кожи.Figure 1 presents a possible view of a device for measuring the spectral and spatial characteristics of diffuse reflection of the skin.
На фиг.2 изображены разностные сигналы диффузно отраженного кожей света при ρ0=0.4 мм и ρ=0.8 (1), 1.2 (2), 1.6 (3) мм, смоделированные методом Монте-Карло (точки) и рассчитанные аналитически (кривые).Figure 2 shows the difference signals of light diffusely reflected by the skin at ρ 0 = 0.4 mm and ρ = 0.8 (1), 1.2 (2), 1.6 (3) mm, modeled by the Monte Carlo method (points) and calculated analytically (curves) .
На фиг.3 сопоставлены известные (ось абсцисс) и восстановленные из сигналов r(ρ, λ) (ось ординат) концентрации оксигемоглобина.Figure 3 compares the known (abscissa axis) and reconstructed from signals r (ρ, λ) (ordinate axis) concentrations of oxyhemoglobin.
На фиг.4 сопоставлены известные (ось абсцисс) и восстановленные из сигналов r(ρ, λ) (ось ординат) концентрации метгемоглобина.Figure 4 compares the known (abscissa axis) and reconstructed from signals r (ρ, λ) (ordinate axis) methemoglobin concentrations.
На фиг.5 сопоставлены известные (ось абсцисс) и восстановленные из сигналов r(ρ, λ) (ось ординат) концентрации карбоксигемоглобина.Figure 5 compares the known (abscissa axis) and reconstructed from signals r (ρ, λ) (ordinate axis) carboxyhemoglobin concentrations.
На фиг.6 сопоставлены известные (ось абсцисс) и восстановленные из сигналов r(ρ, λ) (ось ординат) концентрации сульфгемоглобина.Figure 6 compares the known (abscissa axis) and reconstructed from signals r (ρ, λ) (ordinate axis) sulfhemoglobin concentrations.
Одна из возможных схем бесконтактного оптического измерителя параметров кожи приведена на фиг.1. Измеритель содержит широкополосный источник излучения 1, передающие оптические волокна 2 и 4, монохроматор 3, взаимно ортогональные поляризаторы 5 и 8, фокусирующее линзовое устройство 6, монохромную (черно-белую) ПЗС-камеру 9, блок управления источником излучения, регистрации и обработки сигналов 10. С помощью линзового устройства 6 можно обеспечить любой диаметр пятна облучения, а с помощью ПЗС-камеры 9 получить двумерное распределение потока рассеянного кожей излучения. Таким образом, измерения могут производиться дистанционно, т.е. без контакта измерителя с телом пациента. Угол падения излучения на кожу должен выбираться с учетом того, чтобы отраженное от поверхности 7 излучение не попадало в объектив камеры, а регистрировалось только диффузное излучение, отраженное внутренними слоями кожи. Устранить влияние отраженного от поверхности излучения на регистрируемые оптические сигналы можно также путем использования в каналах посылки и регистрации излучения взаимно-ортогональных поляризаторов 5 и 8. Поскольку излучение, отражаемое поверхностью, сохраняет исходную поляризацию, то использование скрещенных поляризаторов позволяет блокировать эту помеховую составляющую сигналов.One of the possible schemes of a non-contact optical meter of skin parameters is shown in figure 1. The meter contains a
На основе рассматриваемой схемы можно проводить измерение азимутально-усредненных потоков рассеянного излучения F(ρ, λ) на различных расстояниях ρ от центра пятна облучения. Для исключения необходимости изготовления и использования калибровочного образца с оптическими параметрами, известными в широком спектральном диапазоне и не меняющимися со временем, будем оперировать только с разностными сигналами диффузного отражения (ДО)Based on the considered scheme, it is possible to measure azimuthally averaged scattered radiation fluxes F (ρ, λ) at various distances ρ from the center of the irradiation spot. To eliminate the need to manufacture and use a calibration sample with optical parameters known in a wide spectral range and not changing with time, we will only operate with differential signals of diffuse reflection (DO)
где - мощность излучения, попадающего в объектив камеры с участка кожи, ограниченной кольцом радиусом ρ и толщиной Δρ; ρ0 - радиус ближайшего к области облучения приемного кольца.Where - the power of the radiation entering the camera lens from a skin area bounded by a ring of radius ρ and thickness Δρ; ρ 0 is the radius of the receiving ring closest to the irradiation region.
На сегодняшний день наилучшим методом, позволяющим рассчитывать характеристики светорассеяния многослойной среды без ограничений по ее ОП и геометрии эксперимента, является метод Монте-Карло (МК). Данный метод основан на многократном повторении численного эксперимента по расчету случайной траектории фотона в исследуемой среде с последующим обобщением полученных результатов. Каждый фотон характеризуется собственным "весом", декартовыми координатами, задающими его положение в среде, и направляющими косинусами, задающими направление его движения. Первоначальный "вес" каждого фотона равен единице. При "блуждании" фотона в среде его "вес" уменьшается за счет френелевского отражения от поверхности среды, а также процессов поглощения и рассеяния в среде. Траектория фотона прослеживается до тех пор, пока его "вес" не станет меньше заранее заданной величины (в наших расчетах использовалась величина 10-4), либо фотон не выйдет за пределы рассматриваемых границ. Определение начальных условий ввода фотонов в среду и условия их детектирования при заданных геометрических параметрах эксперимента основываются на подходе лучевой оптики.To date, the best method to calculate the light scattering characteristics of a multilayer medium without restrictions on its OD and experiment geometry is the Monte Carlo (MK) method. This method is based on repeated repetition of a numerical experiment to calculate a random photon trajectory in the medium under study, followed by a generalization of the results. Each photon is characterized by its own "weight", Cartesian coordinates, which determine its position in the medium, and directing cosines, which determine the direction of its motion. The initial "weight" of each photon is equal to one. When a photon “wanders” in a medium, its “weight” decreases due to Fresnel reflection from the surface of the medium, as well as absorption and scattering processes in the medium. The trajectory of the photon is traced until its “weight” becomes less than a predetermined value ( 10–4 was used in our calculations), or the photon does not go beyond the boundaries under consideration. The determination of the initial conditions for introducing photons into the medium and the conditions for their detection for given geometric parameters of the experiment are based on the approach of beam optics.
Для расчета сигналов r(ρ, λ) важным является радиальное распределение обратно-рассеянных средой фотонов. Метод МК позволяет получить его в виде массива H[i], каждый элемент которого равен суммарному "весу" фотонов, вылетевших из среды на расстояниях ρi от центра пятна облучения в пределах телесного угла, под которым из точки вылета фотона виден объектив камеры. Длина волны света в методе МК неявно задается через оптические параметры среды. Для этого используется оптическая модель кожи.To calculate the signals r (ρ, λ), the radial distribution of photons backscattered by the medium is important. The MK method allows one to obtain it in the form of an array H [i], each element of which is equal to the total "weight" of photons emitted from the medium at distances ρ i from the center of the irradiation spot within the solid angle at which the camera lens is visible from the photon exit point. The wavelength of light in the MK method is implicitly specified through the optical parameters of the medium. For this, an optical model of the skin is used.
Кожа моделируется как среда, состоящая из двух слоев (эпидермис и дерма) с одинаковыми параметрами светорассеяния (β, g) и различными коэффициентами поглощения. Роговой слой, в силу малой оптической толщины, играет крайне незначительную роль в диффузном отражении света, поэтому он условно включен в состав эпидермиса. Анатомические области дермы (сосковидная, ретикулярная, поверхностное и глубинное сплетение сосудов) не имеют ни четких физических границ, ни принципиальных морфологических различий, поэтому все они заменены одним однородным слоем. Более глубокие слои кожи (жировой слой и мышечная ткань) практически не участвуют в процессе отражения света с λ=450-800 нм по причине его сильного ослабления вышележащими слоями. Модельными параметрами являются: n - показатель преломления кожи; β′(λ0) - транспортный коэффициент рассеяния соединительной ткани на λ0=600 нм; ρMie - доля рассеяния Ми в общем рассеянии ткани на λ=400 нм; x - параметр спектральной зависимости транспортного коэффициента рассеяния Ми; Le - толщина эпидермиса; fm - объемная концентрации меланина в эпидермисе; Cbil - концентрация билирубина в дерме; fbl - объемная концентрация капилляров в дерме; dv - средний диаметр капилляров; CtHb - концентрация общего гемоглобина в крови; S - степень оксигенации крови. Оптические параметры кожи рассчитываются по формуламThe skin is modeled as a medium consisting of two layers (epidermis and dermis) with the same light scattering parameters (β, g) and different absorption coefficients. The stratum corneum, due to its small optical thickness, plays an extremely insignificant role in the diffuse reflection of light; therefore, it is conditionally included in the epidermis. The anatomical areas of the dermis (nipple, reticular, superficial and deep plexus of the vessels) have no clear physical boundaries, no fundamental morphological differences, so they are all replaced by one homogeneous layer. The deeper layers of the skin (fatty layer and muscle tissue) practically do not participate in the process of light reflection with λ = 450-800 nm due to its strong attenuation by the overlying layers. Model parameters are: n - skin refractive index; β ′ (λ 0 ) is the transport coefficient of scattering of connective tissue at λ 0 = 600 nm; ρ Mie is the fraction of Mie scattering in the total tissue scattering at λ = 400 nm; x is the spectral parameter of the transport scattering coefficient Mie; L e is the thickness of the epidermis; f m - volumetric concentration of melanin in the epidermis; C bil is the concentration of bilirubin in the dermis; f bl - volumetric concentration of capillaries in the dermis; d v is the average diameter of the capillaries; C tHb is the concentration of total hemoglobin in the blood; S is the degree of blood oxygenation. The optical parameters of the skin are calculated by the formulas
где β′ и g - транспортный коэффициент рассеяния и фактор анизотропии рассеяния эпидермиса и дермы [9]; ke и kd - коэффициенты поглощения эпидермиса и дермы; kt - коэффициент поглощения соединительной ткани (обескровленной); kbl - коэффициент поглощения крови;
Метод МК при всех его достоинствах не удобен для практического использования, поскольку не позволяет выполнять обработку экспериментальных данных в режиме реального времени. В связи с этим нами получены выражения, позволяющие рассчитывать измеряемый в эксперименте оптические сигналы r(ρ, λ) в простом аналитическом виде, причем с точностью метода МК. Для этого генерировались случайные значения модельных параметров из диапазонов их вариаций для умерено-пигментированной кожи человека: n=1.4-1.5, β′(λ0)=3-11 мм-1, ρMie=0.1-0.6, x=0.5-1.0, Le=50-150 мкм, fmLe=0.5-10 мкм, fbl=0.2-7%, CtHb=120-200 г/л, dv=5-60 мкм, Cbil=0.1-50 мг/л, S=40-98%. При каждой реализации модельных параметров производился расчет коэффициентов поглощения эпидермиса ke(λ) и дермы kd(λ), а также транспортного коэффициента рассеяния ткани β′(λ) на 30 длинах волн из спектрального диапазона λ=450-800 нм. В качестве индикатрисы рассеяния ткани использовалась функция Хеньи-Гринштейна с эмпирическим параметром анизотропии (2).The MK method, with all its advantages, is not convenient for practical use, since it does not allow the processing of experimental data in real time. In this regard, we have obtained expressions that allow us to calculate the optical signals r (ρ, λ) measured in the experiment in a simple analytical form, moreover, with the accuracy of the MK method. For this, random values of model parameters were generated from the ranges of their variations for moderately pigmented human skin: n = 1.4-1.5, β ′ (λ 0 ) = 3-11 mm -1 , ρ Mie = 0.1-0.6, x = 0.5-1.0 , L e = 50-150 microns, f m L e = 0.5-10 microns, f bl = 0.2-7%, C tHb = 120-200 g / l, d v = 5-60 microns, C bil = 0.1- 50 mg / L, S = 40-98%. For each implementation of the model parameters, we calculated the absorption coefficients of the epidermis k e (λ) and dermis k d (λ), as well as the transport tissue scattering coefficient β ′ (λ) at 30 wavelengths from the spectral range λ = 450-800 nm. The Heni-Greenstein function with the empirical anisotropy parameter (2) was used as an indicator of tissue scattering.
В соответствии со сгенерированными значениями n и Le, а также рассчитанными значениями ke(λ), kd(λ), β′(λ) и g(λ) методом МК моделировались сигналы r(ρ, λ), соответствующие конкретной геометрии эксперимента. Таким образом был сформирован ансамбль из 103 случайных реализаций r(ρ, λ). Спектральные значения всех оптических параметров кожи и соответствующих им сигналов r(ρ, λ) объединены в один общий набор данных, охватывающий следующие диапазоны: n=1.35-1.50, Le=50-150 мкм, ke=0.09-18 мм-1, kd=0.02-3.0 мм-1, β′=0.5-8 мм-1, β′/ke=0.15-35, β′/kd=0.7-150 (диапазон r(ρ) зависит от геометрии измерений). Такой подход к получению аналитических выражений, аппроксимирующих результаты численных расчетов r(ρ), позволяет учесть физическую обусловленность оптических параметров ткани и соотношения между ними, характерные для рассматриваемого спектрального диапазона, а также исключить не встречающиеся в реальности комбинации оптических параметров.In accordance with the generated values of n and Le , as well as the calculated values of k e (λ), k d (λ), β ′ (λ) and g (λ), the signals r (ρ, λ) corresponding to a specific geometry were simulated by the MC method experiment. Thus, an ensemble of 10 3 random realizations of r (ρ, λ) was formed. The spectral values of all of the optical parameters of the skin and their respective signals r (ρ, λ) are combined into a single data set covering the following ranges: n = 1.35-1.50, L e = 50-150 m, k e = 0.09-18 mm -1 , k d = 0.02-3.0 mm -1 , β ′ = 0.5-8 mm -1 , β ′ / k e = 0.15-35, β ′ / k d = 0.7-150 (the range r (ρ) depends on the measurement geometry ) This approach to obtaining analytical expressions approximating the results of numerical calculations r (ρ) allows us to take into account the physical conditionality of the optical parameters of the tissue and the relationships between them characteristic of the spectral range under consideration, as well as to exclude combinations of optical parameters not encountered in reality.
На основе смоделированных данных проводился поиск аналитического выражения, наилучшим образом аппроксимирующего зависимость r(ρ, n, Le, ke, kd, β′, g). В результате было получено следующее выражение:Based on the simulated data, an analytical expression was searched that best approximates the dependence r (ρ, n, Le , k e , k d , β, g). As a result, the following expression was obtained:
где a i,m - коэффициенты аппроксимации, s - вектор геометрических параметров эксперимента,
Результаты расчета r(ρ) методом МК и по формуле (8) (с найденными коэффициентами) для ρ=0.8, 1.2 и 1,6 мм, различаются в среднем на 1.0, 1.6 и 2.5% соответственно. Увеличение погрешности аппроксимации r(ρ) с увеличением ρ связано с присущим методу МК статистическим "шумом", возрастающим с увеличением расстояния от точки входа фотонов в среду.The results of calculating r (ρ) by the MK method and by formula (8) (with the coefficients found) for ρ = 0.8, 1.2 and 1.6 mm differ on average by 1.0, 1.6 and 2.5%, respectively. The increase in the approximation error r (ρ) with increasing ρ is associated with the statistical “noise” inherent in the MC method, which increases with increasing distance from the photon entry point into the medium.
Таким образом, выражения (2)-(8) позволяют быстро и с высокой точностью рассчитывать измеряемые в эксперименте сигналы в приближении двухслойной среды, моделирующей кожную ткань. В качестве примера таких вычислений на фиг.2 представлены зависимости r(ρ, λ), рассчитанные численно и аналитически следующих значениях модельных параметров: n=1.45, β′(λ0)=6.3 мм-1, ρMie=0.4, x=0.6, Le=100 мкм, fm=3%, Cbil=4 мг/л, fbl=1%, dv=15 мкм, CtHb=150 г/л, S=75%. Видно, что различие между ними находится в пределах погрешностей метода МК.Thus, expressions (2) - (8) make it possible to quickly and with high accuracy calculate the experimentally measured signals in the approximation of a two-layer medium simulating skin tissue. As an example of such calculations, Fig. 2 shows the dependences r (ρ, λ) calculated numerically and analytically of the following values of the model parameters: n = 1.45, β ′ (λ 0 ) = 6.3 mm -1 , ρ Mie = 0.4, x = 0.6, L e = 100 μm, f m = 3%, C bil = 4 mg / L, f bl = 1%, d v = 15 μm, C tHb = 150 g / L, S = 75%. It can be seen that the difference between them is within the error of the MK method.
Решение обратной задачи осуществляется путем минимизации невязки между экспериментальным и предсказанным с использованием теоретической модели спектрально-пространственным профилем r(ρ,λ) The inverse problem is solved by minimizing the discrepancy between the experimental and the spectral-spatial profile r (ρ, λ) predicted using the theoretical model
где r(ρi, λk) и
На этапе получения аппроксимирующей формулы (8) нами был смоделирован ансамбль из 103 случайных реализаций r(ρ, λ). Расчет выполнялся для 30 значений λ из диапазона 450-800 нм. Геометрические параметры схемы измерений, при которых рассчитывались сигналы r(ρ, λ), указаны выше. Диапазоны вариаций модельных параметров, соответствующие смоделированному ансамблю реализаций r(ρ, λ), полностью охватывают реально возможные значения параметров умеренно пигментированной кожи. В связи с этим данный ансамбль можно использовать и для оценки точности решения обратной задачи. Для этого перебирались все реализации r(ρ, λ) и для каждой выполнялась минимизация невязки (9). Коэффициенты νik принимались равными 0.5 при λk<600 нм и 1.0 при λk≥600 нм. Рассматривались наиболее важные параметры дермы: концентрация общего гемоглобина в тканях дермы FtHb=fblCtHb (г/л); насыщение гемоглобина кислородом S(%); концентрация билирубина Cbil (мг/л); параметры Cs (мм-1) и ν спектральной зависимости транспортного коэффициента рассеяния ткани β′(λ)=Cs·(632/λ)ν в диапазоне 600-700 нм. Средние погрешности восстановления данных параметров - δFtHb=6.2%, δS=2.0, δCbil=6.4%, δCs=4.0% и δν=4.3%.At the stage of obtaining the approximating formula (8), we modeled an ensemble of 10 3 random realizations of r (ρ, λ). The calculation was performed for 30 values of λ from the range of 450-800 nm. The geometric parameters of the measurement scheme at which the signals r (ρ, λ) were calculated are indicated above. The ranges of variations of the model parameters corresponding to the simulated ensemble of realizations r (ρ, λ) completely cover the real values of the parameters of moderately pigmented skin. In this regard, this ensemble can be used to assess the accuracy of solving the inverse problem. For this, all implementations of r (ρ, λ) were sorted out and minimization of the residual (9) was performed for each. The coefficients ν ik were taken equal to 0.5 for λ k <600 nm and 1.0 for λ k ≥600 nm. The most important parameters of the dermis were considered: the concentration of total hemoglobin in the tissues of the dermis F tHb = f bl C tHb (g / l); hemoglobin saturation with oxygen S (%); the concentration of bilirubin C bil (mg / l); the parameters C s (mm -1 ) and ν of the spectral dependence of the transport coefficient of tissue scattering β ′ (λ) = C s · (632 / λ) ν in the range of 600-700 nm. The average errors in the recovery of these parameters are δF tHb = 6.2%, δS = 2.0, δC bil = 6.4%, δC s = 4.0% and δν = 4.3%.
Рассмотрим возможность экспресс-анализа концентраций гемоглобинов в крови предлагаемым методом. Рассмотрение проведем на базе описанной выше модели кожи, в которой, помимо окси- (HbO2) и деоксигемоглобина (Hb), дополнительно учтем присутствие в крови карбокси- (COHb), мет- (MetHb) и сульфгемоглобина (SHb). С учетом этих производных гемоглобина спектральная зависимость коэффициента поглощения крови описывается следующим выражением:Consider the possibility of an express analysis of hemoglobin concentrations in the blood of the proposed method. We will consider on the basis of the skin model described above, in which, in addition to hydroxy- (HbO 2 ) and deoxyhemoglobin (Hb), we additionally take into account the presence of carboxy- (COHb), meth- (MetHb) and sulfhemoglobin (SHb) in the blood. Given these hemoglobin derivatives, the spectral dependence of the blood absorption coefficient is described by the following expression:
где CtHb - концентрация общего гемоглобина в крови (г/л); µtHb=64500 г/моль - молярная масса гемоглобина; S, CMetHb, CCOHb, CSHb - относительные концентрации HbO2, MetHb, COHb и SHb;
Для каждой реализации r(ρ, λ) проведено восстановление модельных параметров путем минимизации функционала (9). На фиг.3-6 сопоставлены точные и восстановленные из сигналов r(ρ, λ) значения концентраций HbO2, MetHb, COHb и SHb при рассматриваемой вариативности параметров кожи, а также указаны коэффициенты корреляции ρ между точными и восстановленными значениями концентраций. Видно, рассматриваемые измерения обладают высокой чувствительностью к присутствию в крови всех производных гемоглобина. При этом использование разностных сигналов r(ρ, λ) для определения гемоглобинного состава, позволяет устранить необходимость калибровки измерительного устройства, что повышает удобство эксплуатации устройства и исключает дополнительные затраты на его периодическую калибровку. Разработанные методы расчета r(ρ, λ) позволяют осуществлять интерпретацию экспериментальных данных в реальном масштабе времени. При этом чувствительность сигналов r(ρ, λ,) к малым вариациям гемоглобинного состава можно легко повысить путем увеличения измерительной базы, т.е. расстояния между областью облучения ткани и областью регистрации рассеянного света.For each implementation r (ρ, λ), model parameters were restored by minimizing functional (9). Figure 3-6 compares the exact and reconstructed from the signals r (ρ, λ) values of the concentrations of HbO 2 , MetHb, COHb and SHb for the considered variation in skin parameters, and also shows the correlation coefficients ρ between the exact and reconstructed concentrations. It can be seen that the measurements under consideration are highly sensitive to the presence in the blood of all hemoglobin derivatives. Moreover, the use of differential signals r (ρ, λ) to determine the hemoglobin composition eliminates the need for calibration of the measuring device, which increases the usability of the device and eliminates the additional cost of periodic calibration. The developed methods for calculating r (ρ, λ) allow the interpretation of experimental data in real time. In this case, the sensitivity of the signals r (ρ, λ,) to small variations in hemoglobin composition can be easily increased by increasing the measurement base, i.e. the distance between the tissue irradiation area and the scattered light registration area.
Таким образом, предлагаемый способ определения параметров кожи и крови является основой высокоточных и удобных в использовании оптических измерителей, обладающих такими важными достоинствами, как неинвазивность, бесконтактность, бескалибровочность и оперативность измерений. В связи с этим разработанный способ может найти широкое применение в медицинской диагностике и терапии.Thus, the proposed method for determining the parameters of the skin and blood is the basis of high-precision and easy-to-use optical meters that have such important advantages as non-invasiveness, non-contact, non-calibration and speed measurements. In this regard, the developed method can find wide application in medical diagnostics and therapy.
ЛитератураLiterature
1. Патент РФ №2140083, G01N 33/52, G01N 33/72; 20.10.1999.1. RF patent No. 2140083, G01N 33/52, G01N 33/72; 10/20/1999.
2. Pulse Oximetry / R. Ortega [et. al.] // New Engl. J. Med. 2011. V.364, №16: e33.2. Pulse Oximetry / R. Ortega [et. al.] // New Engl. J. Med. 2011. V.364, No. 16: e33.
3. Buinevicius R.P., Webster J.G. A three-wavelength pulse oximeter for carboxyhemoglobin determination // J. Iranian Association of Electrical and Electronics Engineers. 2008. V.5, №2. P.1-7.3. Buinevicius R.P., Webster J.G. A three-wavelength pulse oximeter for carboxyhemoglobin determination // J. Iranian Association of Electrical and Electronics Engineers. 2008. V.5, No. 2. P.1-7.
4. S.J. Barker, J.J. Badal. The measurement of dyshemoglobins and total hemoglobin by pulse oximetry // Current Opinion in Anaesthesiology. 2008. V.21, №6. P.805-810.4. S.J. Barker, J.J. Badal The measurement of dyshemoglobins and total hemoglobin by pulse oximetry // Current Opinion in Anaesthesiology. 2008. V.21, No. 6. P.805-810.
5. Пат. РФ №2234853, A61B 005/05; 26.12.2002.5. Pat. RF No. 2234853, A61B 005/05; 12/26/2002.
6. Pat. № US 2005/0049467 A1, 03.03.2005.6. Pat. No. US 2005/0049467 A1, 03.03.2005.
7. Patents № US 7,570,988 B2, A61B 6/00; Aug. 4, 2009.7. Patents No. US 7,570,988 B2,
8. Non-invasive skin oxygenation imaging using a multi-spectral camera system: effectiveness of various concentration algorithms applied on human skin /J. H. G. M. Klaessens [et. al.] // IFMBE Proceedings. 2009. V.25, №2. P.725-728.8. Non-invasive skin oxygenation imaging using a multi-spectral camera system: effectiveness of various concentration algorithms applied on human skin / J. H. G. M. Klaessens [et. al.] // IFMBE Proceedings. 2009. V.25, No. 2. P.725-728.
9. Jacques S.L. Origins of tissue optical properties in the UVA, visible, and NIR // Advances in Optical Imaging and Photon Migration. 1996. V.2. P.364-369.9. Jacques S.L. Origins of tissue optical properties in the UVA, visible, and NIR // Advances in Optical Imaging and Photon Migration. 1996. V.2. P.364-369.
10. Барун В.В., Иванов А.П. Оценка вклада локализованного поглощения света кровеносными сосудами в оптические свойства биологической ткани // Оптика и спектр. 2004. V.96, №6. Р.1019-1024.10. Barun V.V., Ivanov A.P. Evaluation of the contribution of localized absorption of light by blood vessels to the optical properties of biological tissue // Optics and Spectrum. 2004. V. 96, No. 6. P.1019-1024.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013149192/15A RU2545814C1 (en) | 2013-11-05 | 2013-11-05 | Method of determining physical-biological parameters of skin and concentration of haemoglobin derivatives in blood |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013149192/15A RU2545814C1 (en) | 2013-11-05 | 2013-11-05 | Method of determining physical-biological parameters of skin and concentration of haemoglobin derivatives in blood |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2545814C1 true RU2545814C1 (en) | 2015-04-10 |
Family
ID=53295611
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013149192/15A RU2545814C1 (en) | 2013-11-05 | 2013-11-05 | Method of determining physical-biological parameters of skin and concentration of haemoglobin derivatives in blood |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2545814C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2821141C1 (en) * | 2023-12-14 | 2024-06-17 | Государственное бюджетное учреждение здравоохранения города Москвы "Городская клиническая больница N67 имени Л.А. Ворохобова Департамента здравоохранения города Москвы" | Device for non-invasive determination of haemoglobin concentration in blood and method for non-invasive determination of haemoglobin concentration in blood |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2234853C1 (en) * | 2002-12-26 | 2004-08-27 | Рогаткин Дмитрий Алексеевич | Diagnostic device for measuring physical and biological characteristics of skin and mucous membranes in vivo |
RU2422081C2 (en) * | 2007-01-05 | 2011-06-27 | Майскин, Инк. | System, device and method of skin image |
-
2013
- 2013-11-05 RU RU2013149192/15A patent/RU2545814C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2234853C1 (en) * | 2002-12-26 | 2004-08-27 | Рогаткин Дмитрий Алексеевич | Diagnostic device for measuring physical and biological characteristics of skin and mucous membranes in vivo |
RU2422081C2 (en) * | 2007-01-05 | 2011-06-27 | Майскин, Инк. | System, device and method of skin image |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
J. H. G. M. KLAESSENS et. al. Non-invasive skin oxygenation imaging using a multi-spectral camera system: effectiveness of various concentration algorithms applied on human skin. IFMBE Proceedings. 2009, V.25, N2, P.725-728, [он-лайн], [найдено 27.08.2014],Найдено из Интернет: . * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2821141C1 (en) * | 2023-12-14 | 2024-06-17 | Государственное бюджетное учреждение здравоохранения города Москвы "Городская клиническая больница N67 имени Л.А. Ворохобова Департамента здравоохранения города Москвы" | Device for non-invasive determination of haemoglobin concentration in blood and method for non-invasive determination of haemoglobin concentration in blood |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6353226B1 (en) | Non-invasive sensor capable of determining optical parameters in a sample having multiple layers | |
EP2273914B1 (en) | Method for dating a body sample | |
JP3577335B2 (en) | Scattering absorber measurement method and device | |
US10912504B2 (en) | Near-infrared spectroscopy and diffuse correlation spectroscopy device and methods | |
KR101399907B1 (en) | Measuring tissue oxygenation | |
JP3433498B2 (en) | Method and apparatus for measuring internal information of scattering medium | |
JP3931638B2 (en) | Biological component determination device | |
US20060015021A1 (en) | Optical apparatus and method of use for non-invasive tomographic scan of biological tissues | |
US9259486B2 (en) | Method and system for calculating a quantification indicator for quantifying a dermal reaction on the skin of a living being | |
JP2006516207A (en) | Photoacoustic analysis method and apparatus | |
US6088087A (en) | Transcutaneous measurement of substance in body tissues or fluid | |
EP1620002A4 (en) | NON-INVASIVE BLOOD ANALYSIS BY OPTICAL SURVEYS OF SUBLINGUAL VEINS | |
EP2866654B1 (en) | Real-time tumor perfusion imaging during radiation therapy delivery | |
WO2019225612A1 (en) | Blood vessel detection device and method therefor | |
RU2510506C2 (en) | Method for determining optical and biophysical tissue parameters | |
JP3304559B2 (en) | Optical measurement method and device | |
RU2545814C1 (en) | Method of determining physical-biological parameters of skin and concentration of haemoglobin derivatives in blood | |
RU2511747C2 (en) | Method for determining bilirubin concentration | |
Reiser et al. | Simulation framework for reflective PPG signal analysis depending on sensor placement and wavelength | |
RU2517155C1 (en) | Method for determining haemoglobin derivative concentrations in biological tissues | |
RU2770566C1 (en) | Method for non-invasive determination of the content of lipids in a person | |
RU2807526C1 (en) | Method of non-invasive measurement of fractional water content in human blood | |
RU2501522C2 (en) | Method of determining hemoglobin concentration in biological tissues | |
Willmann et al. | Small-volume frequency-domain oximetry: phantom experiments and first in vivo results | |
Sunil | Developing a Non-contact Diffuse Correlation Spectroscopy Probe for Biological Tissue Scans |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20161106 |