血氧饱和度的红外光谱光电法测量

血氧饱和度的红外光谱光电法测量

摘要红外光谱光电法研究人体组织血氧状态具有安全可靠、连续实时及无损伤的特点, 有广泛的研究和应用前景。本文介绍了红外光谱无损伤测量人体组织血氧饱和度的基本测量原理及红外光谱血氧计发展概况, 讨论了现行脉搏血氧计、肌血氧计、脑血氧计的基本测量原理、临床应用情况, 并对各自存在的局限性进行了分析。

关键词红外光谱光电法血氧饱和度脉搏血氧计肌血氧计脑血氧计

1引言

氧是生命活动的基础, 缺氧是导致许多疾病的根源, 严重时直接威胁人的生命。而血液作为一个载体将人体代谢过程中不可缺少的各种营养成分运送到组织中去, 同时运走组织代谢

中产生的有害物质。可见, 氧和血的供应对人体组织的正常生理活动至关重要。

人体内的血液通过心脏的收缩和舒张脉动地流过肺部, 一定量的还原血红蛋白(H b) 与肺泡中的氧气结合变成了氧合血红蛋白(HbO 2), 只有约2% 氧溶解在血浆中。这些血通过动脉系统一直到达毛细血管。毛细血管中, 氧合血红蛋白释放氧, 为组织新陈代谢所利用, 从而还原为还原血红蛋白。最后血液经静脉系统回流到心脏, 开始下一轮的循环。

人体在不同的生理状态下, 各器官组织的新陈代谢情况不同, 对血流量的需要也就不同。人体内存在着神经和体液的调节体制, 可对心脏和各部分血管的活动进行调节, 从而满足各个器官组织在不同情况下对血液量的需要, 协调地进行各器官之间的血量分配。

由于血液中氧合血红蛋白(HbO 2) 和还原血红蛋白在红光、红外光区( 600nm～1000nm ) 有独特的吸收光谱, 因而使红外光谱法成为研究组织中血液成分的简单可靠的方法。利用光谱学的方法对生物组织进行无损检测具有安全可靠、连续实时及损伤的特点, 因而具有广泛的研究与应用前景。

2红外光谱血氧计发展概况

利用氧合血红蛋白和还原血红蛋白独特的光谱吸收特性测量人体血氧饱和度, 可以追朔

到1940 年。当时,M illikan 研制了从原理上能从前额无创伤测量动脉血氧饱和度的探索装置[2] 。紧接着许多研究者如B rinkm an 、W ood 、Sekely 、T ait 等对无创伤测量动脉血氧饱和度和组织血氧饱和度的装置各自进行了研究[3～6] 。W ood 的研究成果为耳血氧计。Sekely 等人则为进一步完善这种装置做了许多工作。然而由于这种耳血氧计每次测量都需要繁琐的调整, 因而没能获得广泛应用。1964 年Shaw R 研制出一种八波长自身调整血氧计, 成为第一种获得临床广泛应用的血氧计, 如H P47201A 型耳血氧计[7] 。这种耳朵血氧计实用, 准确且易于调整, 但是它笨重且价格昂贵, 其耳承结构复杂, 病人长时间佩戴不舒适并极易损坏, 这些缺点限制了耳血氧计的进一步广泛应用。其后, 发光二极管(L ED ) 和光电三极管的应用使用于皮肤的光电传感器体积大大减小。70 年代末, Takatan 研制出一种皮肤和组织反射型血氧测量装置, 然而这种反射型血氧测量装置需要五个波长的复杂分析[8] 。进入80 年代, 脉搏血氧计出现。这种仪器从指尖或耳垂测量透射光, 假设透射光光强的波动完全由动脉搏动产生, 并由此计算动脉血

氧饱和度, 从而使其逐渐进入了工业生产与临床实用阶段。如今, 动脉血氧饱和度测量仪已成为必备的仪器。

在脉搏血氧计发展的同时, 利用光谱法测量重要器官和组织血氧的研究工作也相应有所进展。自1977 年Job sis 将红外光用于测量脑组织氧代谢以来[9] , 到80 年代中期, Job sis 、W yatt JS 及Delpy DT 都在研究透射模式的脑血氧监测装置, 并初步用于早产儿及新生儿的临床监护[ 10～12 ] 。进入90 年代, M oCo rm ick 利用反射光谱及独特的深浅双光路对比检测的传感器设计, 完成了可实用化的脑血氧饱和度测量装置的研制] , 并由Som anetics 公司改进后推向临床, 成为商品化的脑血氧计。红外光谱法用于运动医学, 对肌肉氧含量的测量也取得进展。美国宾夕法尼亚大学医学院Britton Chance 率先推出肌肉血氧饱和度检测装置。

3现有红外光谱无损伤血氧计的原理和分析

311脉搏血氧计31111 脉搏血氧计基本原理及临床应用

脉搏血氧计所用探头类似于图1 所示, 使用时探头套在指尖上。上壁固定了两个并列放置的光二极管, 发光波长分别为660nm 红光和940nm 红外光。下壁有一个光电检测器将透射过手指的红光和红外光转换成电信号。它所检测到的信号越弱, 表示光信号穿透指尖时, 被那里的组织、骨骼和血液吸收掉的越多。

图1透射式脉搏血氧计探头示意图

人们注意到在测量指尖的光衰减量时, 指尖的光衰减量应包括血的成份(动脉血、静脉血) 及非血成份(皮肤、骨骼, 结缔组织等)。非血成份不随脉动过程而变化, 而血的成份随脉动过程引起的血液流入与流出血管床的容量变化而变化, 因此前者(非血成份) 对光的吸收量是不变的, 而后者对光的吸收量是脉动的。

人们假定光衰减量的变化完全是由于动脉容积搏动所引起的, 从而就可以从光的总衰减

量中除去直流成份, 用余下的交流成份进行分光光度分析, 计算出动脉血的氧饱和度。

现代脉搏血氧计根据下式计算出动脉血氧饱和度:

SaO 2= k1R 2+ k2R+ k3 上式中k1、k2、k3 是经验常数, 而R 是在某个很小的时间间隔上, 两种光电信号幅度变化量之比, 即:R= $RED � $ IR

公式中经验常数的确定是通过正常人群的缺氧实验进行的。让健康志愿者吸入混合空气, 获得各个水平的血氧值, 由血氧分析仪或耳血氧计获得当时动脉血氧饱和度

(SaO 2), 在采血同时记录当时反射光强度。获得多名健康者实验数据后, 建立SaO 2 经验标度曲线, 通过回归分析的方法得到经验常数值。

光电信号的脉动规律是和心脏的搏动一致的, 因此检测出光电信号的重复周期还能确定

出脉率。

如今, 脉搏血氧计得到临床承认并已广泛应用于手术室、监护室、急救病房、病人运动和睡眠研究中。在手术室, 脉搏血氧计可进行连续氧合估计, 特别是在对危急病人和不易通气的手