光电容积脉搏波描记法原理及其在临床上的应用

光电容积脉搏波描记法原理及其在临床上的应用

罗志昌张松杨益民李旭雯

本文作者罗志昌先生北京工业大学生物医学工程中心教授张松先生副研究

员

杨益民先生助理研究员李旭雯女士助理研究员

关键词: 光电容积脉搏波描记法

一前言

光电容积脉搏波描记法(PhotoPlethysmoGraphy PPG)是借光电手段在活体组织中检测血液容积变化的一种无创检测方法当一定波长的光束照射到指端皮肤表面时光束将通过透射或反射方式传送到光电接收器在此过程中由于受到指端皮肤肌肉和血液的吸收衰减作用检测器检测到的光强度将减弱其中皮肤肌肉组织等对光的吸收在整个血液循环中是保持恒定不变的而皮肤内的血液容积在心脏作用下呈搏动性变化当心脏收缩时外周血容量最多光吸收量也最

大检测到的光强度最小; 而在心脏舒张时正好相反检测到的光强度最大

使光接收器接收到的光强度随之呈脉动性变化将此光强度变化信号转换成电信号便可获得容积脉搏血流的变化由此可见容积脉搏血流中包含有心搏功能血液流动等诸多心血管系统的重要生理信息同时容积脉搏血流主要存在于外周血管中的微动脉毛细血管等微血管中所以容积脉搏血流同样包含有丰富的微循环生理病理信息是我们研究人体循环系统重要的信息来源由于光电容积

脉搏波描记法并不需要复杂而昂贵的仪器设备且操作简便性能稳定具有无创伤和适应性强等诸多优点因而受到国内外医学界的普遍重视引起工程科技

人员的广泛兴趣自1938年Hertzman首次提出光电容积脉搏波描记法原理以来的半个多世纪中国内外的许多科研人员在此领域中做了大量的基础研究和临床应用研究工作应用领域亦由人体循环系统发展到呼吸系统在人体血压血流血氧脑氧肌氧血糖微循环外周血管脉率呼吸率和呼吸容量等的无创检测中都有很好的应用前景并由此开发出许多在临床上有实用价值的医疗仪器

新产品本文将对此作一综述

二与PPG有关的基础性研究工作

1. 皮肤与血液光学性质的研究

PPG是一种利用皮肤对光的反射或透射来评价皮肤血流灌注有关信息的方法为了深入了解PPG的信息实质就需要有关于皮肤与血液光学性质的知识1981年Anderson等人对皮肤的光学性质进行了系统的研究认为在皮肤的表皮真皮和皮下组织的三层结构中各有不同的光学性质并由此提出皮肤的光学模型: 在50~150µm薄薄的表皮层中只吸收光而不散射在其下的1~4mm的真皮层中骨胶原产生的散射光将起主要作用光的穿透深度主要由它决定体内血液中的血小板氧合血红蛋白和胆红素是真皮中可见光的主要吸收者研究表明不同波长的入射光对皮肤的穿透深度是不同的如波长为250nm的光束对皮肤的穿透深度仅为2µm而当波长为1000nm红外光时其穿透深度可达到1600µm见图1所示因而Giltvedt等人指出以往PPG都是用红外光束作光源在此波长下记录到的信号代表了整个皮肤厚度上的动脉搏动信息它分辨不出皮肤不同深度的动脉血管床的变化因而就难以解释许多有关生理病理和药物对所得结果

的影响他们提出在PPG的测量中可以用不同波长的光束来记录皮肤不同深度动脉搏动信息并由此记录到皮肤的血压值和皮肤血管的特征频率

血液的光学特性研究表明血液对光束的吸收主要决定于血红蛋白中的氧饱

和程度血液中的血红蛋白主要以氧合血红蛋白(HbO2)和脱氧血红蛋白(Hb)两种

形式存在在波长为600~1000nm的连续光谱中HbO2和Hb 的光吸收系数存在显著的差异见图2其中吸收最大的差异发生在波长630~660nm之间1979年Challoner用650nm和805nm两种光束比较其PPG信号得出805nm光束的PPG信号与血中的氧含量无关1983年Yoshiya等人首次利用人体血液中HbO2和Hb对660nm的红光和940nm的红外光不同波长光吸收峰值不同的特点用PPG信号测出人体的血氧饱和度理论上只要找到光通过血液时某一成分的本征吸收峰值就可应用PPG技术对血液成分实现无创检测

2. 光源波长对PPG信号的影响

在PPG的应用中由光源和光电接收器组成的探头将与皮肤相接触发射光束将在皮肤组织和血液中反射吸收和散射目前已成为商品的PPG仪器其光源通常都使用波长范围为800~ 960nm的光发射二极管(LED)到达光电接收器上的光信号被转换成PPG电信号它与探头下皮肤血流容积变化相关并包含以下两个分量:

(1) 缓慢变化的直流分量(DC)它一般可以假设为探头下皮肤的总血容量

实际是由动脉血的非脉动部分静脉血和毛细管血部分以及肌肉组织等三部分的

光吸收组成

(2) 脉动变化的交流分量(AC)它同步于心率可假设为与动脉血容量相关主要反映脉动血的吸收情况

交流分量一般其幅值为直流分量的1~2%且叠加在直流分量上如图3所示

1984年Giltvedt等人在950和560nm两种波长下研究了其PPG信号的差别

由于不同波长光束的穿透深度不同不同波长光束的PPG信号反映出不同深度血管床的信息其中950nm反映出的是皮肤深部小动脉信息而560nm反映出的是浅部微动脉信息为了研究光源波长在不同皮肤温度下对PPG信号的影响

1991年Lindberg等人在四种不同波长(480560633和825nm)和在冷水(13ºE)及热水(42ºE)刺激导致两种局部皮肤温度下对人体皮肤血流灌注进行了详细的研究实验结果表明在温度刺激下皮肤在较深层次的组织与表面间建立起温度梯度在皮肤不同血管层水平的血流灌注将依次给出不同的变化如短波长有较浅的穿透深度在此层次水平上容易受温度的影响PPG信号中的交流分量可以检测到皮肤灌注的较大变化而在长波光束的作用下有较深的穿透深度在此层次组织

的血流灌注较少受温度的影响发生在皮肤浅表处的血流灌注变化将被深层次的

血流变化所掩盖研究同时表明温度刺激对PPG信号中的直流分量不太敏感可以认为温度刺激对PPG交流分量变化的百分比将比直流分量变化的百分比大得多因而大部分应用PPG检测血流容积变化的医学仪器其光源都是采用波长较长的红外光发光二极管

3. PPG信号波形特征的研究

PPG信号波形特征主要指交流分量幅值与波形变化的特征由于它是在显示器屏幕上能直接观察到的波形信号因而很多人就把它当作PPG信号的全部来研究而对同样重要的PPG信号的直流分量往往反而被忽视研究表明PPG信号波形特征主要应由心血管状态决定同时它又会受到检测时的环境温度呼吸

姿势运动负荷甚至一些心理因素如焦虑和恐惧等的影响检测时应该控制这

些因素使对波形的影响减至最小如环境温度最好保持在23ºE手指温度保持在32ºE这是血管舒张的最佳指标为了保持呼吸有规律被检测个体应松弛吸气不要太深还应安排一个轻松的环境以消除异常波形与基线漂移1990年Sherebin等人在仔细控制了这些影响因素后得出在年青健康的个体中PPG波形特征为上升沿陡峭下降沿出现重搏波切迹随着年龄的增加上升沿开始变