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
缓慢在同样变得缓慢的下降沿中重搏波切迹逐渐消失使波形更加圆滑这是由于年龄增加粥状硬化与血小板斑块积累而引起动脉树分叉点处反射能量变化造成的此外在静止和运动状态下对PPG 波形进行了频谱分析得出不同次数的谐波功率谱有明显的差异从频域特性中可以获得比时域特性更多的有用信息
4. 容积脉搏血流的模型研究
国内外对PPG 的研究目前大多只是集中在检测方法与实验结果的分析上对容积脉搏血流所可能包含的信息特征研究得较少更没有从容积脉搏血流模型机理方面对PPG 信号作较为深入的理论分析由于过去在建立心血管模型时模型的输出一般只考虑到中小动脉时为止其下游的小动脉微动脉和毛细血管往往简单地用一集中参数的外周阻力来表示而容积脉搏血流实际上是描述这些小动脉微动脉和毛细血管微循环内血液流动的总体情况因而单纯的集中参数外周阻力反映不出容积脉搏血流的流动特征与生理特征从而丢失了许多有关容积脉搏血流与微循环的信息虽然国内外对由此建立起来的心血管模型(弹性腔模型
弹性管模型)进行了大量有关桡动脉脉搏波传播与血流机理的研究工作在时域和频域中提取出桡动脉压力的各种生理病理信息并开发出一系列的血流参数无创检测仪器在临床上获得较好的应用但由于已有的心血管模型中缺少一个能反
映容积脉搏血流的环节使容积脉搏血流的研究工作落后于桡动脉脉搏压力的研
究工作从而限制了容积脉搏血流机理及其应用的进一步发展1994年北京工业大学生物医学工程中心罗志昌等人根据弹性腔理论建立起一个容积脉搏血流的微循环模型它由R L C 两阶线性系统组成见图4所示其中R 表示血液由
大动脉进入小动脉微动脉以及流经毛细血管进入静脉时所受到的全部阻力L
代表血液在小动脉和微动脉中的流动惯性它反映了血液在微循环中流动变化的
难易程度C 表征毛细血管网的顺应性是一个度量毛细血管可扩张度的生理指
标模型的输入P in 是桡动脉的脉搏压力模型的输出Q out 是容积脉搏血流模型的数学表达式为
in out out out P RLC Q LC dt dQ RC dt Q d 1112
2=++ 用脉搏压力传感器和光电容积脉搏传感器分别对不同年龄和不同生理条件个体测量其桡动脉压力P in 和指端容积脉搏血流Q out 作为模型的输入和输出对模型进行参数辨识得出不同年龄生理条件下的模型参数R L C 可能的数值范围通过对不同参数的血流模型进行数值计算可得出不同生理状态下的容积脉搏血流波形与数值与实测的容积脉搏血流相比较两者相当接近说明模型是可信
的见图5 根据血流模型可对容积脉搏血流机理进行分析得出它包含两个分量其
中直流分量反映心搏出量的大小是心输出量外周阻力血管弹性等血流参数的主要度量交流分量虽然较小但其波形变化却能反映出微循环的优劣程度
模型研究表明在临床上通过直接检测容积脉搏血流来监测心血管心搏出量外
周阻力和血管弹性等血流参数是可能的从而为开发一种新型多功能多参数监护仪器提供一种新的方法
三 PPG 的各种临床应用
1. 人体组织血氧状态的测量
由于血液中氧合血红蛋白(HbO 2)和脱氧血红蛋白(Hb)在红光和红外光区(600~1000nm)有独特的吸收光谱(见图2)因而使PPG 成为研究组织中血液成分尤其是血氧状态的简单而有效的方法早在1940年MilliKan 即已开始研究从人体前额无创检测动脉血氧饱和度的原理性装置随后许多国家的研究人员对无创测量动脉血氧饱和度和组织血氧饱和度的装置进行了各自的研究在他们所采用的无论是透射光法和反射光法中都以朗伯比尔定律(The Lam-bert-Beer Law)和光散射理论为基础利用氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的光吸收系数的差异来进行在红光区(600~700nm) HbO 2和Hb 的吸收差异很大而在红外光谱区
(800~1000nm)其吸收差异较小当血氧饱和度变化时也就是HbO 2相对Hb 的浓度发生变化时血氧饱和度应该和光检测器上的660nm 和940nm 两个波长的相对光强之间存在较好的线性关系见图6
血氧饱和度: SpO 2=A+BR 其中R=940
940660660//DC AC DC AC ;A B 为标定常数 由此原理设计出的无创脉搏血氧计由于成本低安装维护方便使用时不
需要校正是一种快速测量血氧饱和度的有效方法已成为当今国际上广泛采用的监护仪器可广泛用于手术室监护室急救病房运动和睡眠等各种临床应用中 在脉搏血氧计发展的同时利用PPG 法测量重要器官和组织血氧的研究工作也取得进展90年代初Mocormick 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实用化的脑血氧饱和度测量装置的研制1994年由
Somanetics 公司改进后推出第一种商品化的脑血氧计(INVOS3100)这种脑血氧
计使用时将探头贴到前额偏离中心线处探头的LED 发光波长分别为730和
810nm 两个接收器分别接收来自表层(头皮头骨)和深部脑组织的信息它所提供的结果告诉神经外科医生在神经外科手术前后的脑氧基础值及其动态变化情况
使神经外科医生获得一个观测内脑氧水平的窗口提供有价值的颅内甚至麻醉状态下的信息脑血氧计为深低温停循环等情况下脑代谢活动的有效监测手段
当循环停止几乎所有监护仪都不能正常工作时唯有脑血氧计仍能正确显示脑血氧值在其它脑供血监护方面也表现出可喜的应用前景
肌血氧计是90年代由宾夕法尼亚大学Britton Chance提出并发展起来的一项高科技产品它检测的是生物组织尤其是骨骼肌中的含氧量检测时将探头贴放在肌肉表面双波长选择在760nm和850nm这两个波长对皮肤都有很好的穿透性利用两个不同波长光密度的和差来表示肌肉含氧量百分比和肌肉中血红蛋
白肌红蛋白的浓度变化而肌红蛋白和血红蛋白的氧合程度共同决定肌血氧饱
和度它是检测肌肉代谢功能和诊断肌肉病变的有力工具特别适用于运动过程中骨骼肌的检测
利用PPG技术对血液成分的测量除了上述动脉血氧脑血氧肌血氧外近年来对人体血糖浓度也进行了许多研究工作1990年国内莫希等人利用葡萄糖的本征吸收光谱理论建立起人体血糖浓度的数学模型由于生物体组织对葡萄糖本征吸收峰值波长λg的幅射吸收很少而血液和血管周围组织液中的葡萄糖却容易吸收λg的幅射于是λg的容积脉搏血流信号中包含有血糖浓度信息通过对非葡萄糖物质的对照检测并根据数学模型即可计算出血糖浓度和最终实现连续无创定量地提取出人体的血糖浓度信息从理论上说人体血糖浓度的PPG方法可以推广到任何生物体中感兴趣的血液成分检测只要找到该成分的本征吸收峰值就有可能实现对其进行无创检测
2. 外周血液循环功能的检测
外周血管疾病与人体健康密切相关目前国内尚无无创诊断外周血管疾病的有效手段采用PPG原理通过检测皮下血流状态可以推导出外周动脉或静脉循环的功能状态由于人体皮肤中血液是主要的吸光物质其吸光因子大大超过周围非血组织的吸光因子心脏搏动时皮肤中的非血组织体积是不变的只有血液
容积发生变化肢体静息状态下静脉血对光的吸收变化很小只有动脉血的容
积随心脏搏动而周期变化因而产生的光吸收信号亦随心动周期而变化当肢体
作功能试验时静脉血的容积随血液的排出与灌注变化很大而动脉容积这时的变化反而可以忽略因而所产生的光吸收信号将随静脉血的排出和灌注而变化
从这些变化中可以得出外周动脉或静脉循环的功能状态为了能利用同一波长的光检测动脉血和静脉血的容积变化一般选取发光峰值波长为940nm的光作光源这时获得的动脉血脉搏波形和静脉血回流波形都较为理想目前国内林淑娟等人利用PPG原理已开发出外周血管功能测试仪可以检测出动脉系统疾病(如动脉硬化闭塞症等)和静脉系统疾病(如原发性深静脉瓣膜功能不全等)并可用于
药物疗效观察和疗效机理研究
3. 血压血流脉率等血流参数的无创检测
容积脉搏血流包含丰富的心血管生理信息早在1973年Penaz根据容积补偿法原理首次发明了一种指端光电容积法非直接测量动脉血压的专利装置在此之后Yamakoshi和Wesseling等人先后分别成功地将红外光电容积脉搏描记仪(PPG)与手指袖带自动加压控制系统相结合间接地检测出人体的动脉收缩压和
平均压其结果与常规的臂动脉内直接测量结果有很好的相关性这种指端动脉压力连续检测装置已在临床上实际应用随后Kawarado在上述成果基础上开发出一种便携式连续无创血压检测装置成功地观测到人体运动过程中血压的变化情况除动脉血压外动脉血流中的心搏出量更是重要的血流参数由于血流是
在血管内流动要在人体外部无创地直接检测到它并不是很容易的目前一般都是通过检测出与血流相关而又比较容易检测到的一些物理量如压力温度阻抗等再经间接换算而得到如稀释法阻抗法脉波法等等由于PPG方法测出的信号本身就是动脉血流在循环系统封闭管路的特定情况下这动脉血流经标
定后即代表心搏出量的大小因而用PPG方法去测量心搏出量应该说是简单而直接的也是很有吸引力的关键问题是如何对它进行标定由于用PPG方法测出的容积脉搏血流中包含有交流分量和直流分量两部分其中交流分量比较容易检测出它约占心搏出量的10~20%直流分量中不仅包含有动脉血还有静脉血
和肌肉骨骼对它的影响而心搏出量的大部分又是由直流分量组成的这就给标
定工作带来很大的困难所以目前用PPG测量心搏出量在临床上还没有得到真正的应用1996年北京工业大学罗志昌等人通过容积脉搏血流模型和不同人群的实际测量对血流进行标定所得结果表明在临床上用PPG方法检测心搏出量及其它血流参数是完全可能的这将为心血管血流参数的无创检测和临床监护提供一
种新的更为简便的方法将会有良好的应用前景
4. PPG在微循环研究中的应用
PPG信号是由光电容积脉搏传感器中光源发出的光束透过皮肤浅表部位微循环的微血管(微动脉毛细血管等)并被其中的血液吸收或散射而得出检测
到的透射光或反射光的强度将随微循环的变化而变化从而反映出微循环中血液的流动特征1994年中国中医研究院王怡等人利用PPG原理开发出能自动测定分析人体微循环状态的实用仪器该仪器能对PPG信号自动采集保存复现和分析得出包括主波高度切迹高度重搏波高度上升时间和下降时间等20
余项参数其主要参数与甲襞微循环总积分密切相关因而能较全面地反映微循环的生理病理特征其中以时间或周期一类参数主要反映机体的生理机能故在
健康人与患者之间和在微循环异常程度不同的患者之间均未见有明显的差异
而以高度或速度为代表的一类参数则主要反映机体受到不同程度的病理损害状况它与患者的微循环和心功能异常程度密切相关表现出对机体病理变化的敏感性和对其异常程度良好的识别性1998年罗志昌等人通过对容积脉搏血流模型的理论分析和临床实际检测得出容积脉搏血流的波形特征能反映微循环的优劣
程度并提出容积脉搏血流的波形特征系数K 来作为微循环优劣的度量其定
义为K =
d s d m M M M Q −−其中Q m =∫T 0Q(t)dt Q(t)为测量得到的指端容积脉搏波M s 为Q(t)的波峰M d 为Q(t)的波谷T 为心动周期临床检测表明K 与甲襞微循环的总积分有很好的相关性如K <0.45时微循环状况良好0.45<K <0.5时微循环状况一般而当K >0.5时微循环状况较差可为临床提供一种简便易行可靠的检测手段见图7
5. PPG 估计呼吸容量
呼吸率与呼吸容量是呼吸系统的重要参数
对运动员选材与危重病人的监护等都十分重要目前PPG 的大部分应用都集中在心血管系统方面1992年Lindberg 等人提出应用PPG 可以监测呼吸率与心率在PPG 信号的功率谱中包含有明显
的分别与心率呼吸率相关的峰值同时指出在PPG 信号中除与心率同步变化外它还包含一个所谓呼吸诱发强度变化信息(Respiratory-Induced Intensity Variations RIIV)它反映由呼吸引起的使静脉回流到胸廓和右心时的变化这个调制作用借助于静脉系统传递到外周血管床并在PPG 信号中观察到1992年Lindberg 已经用RIIV 信息监护呼吸率1998年Johasson 和Öberg 从16个正常志愿者的PPG 信号中提取到RIIV 通过与呼吸速度记录仪同步得到的呼吸容积相比较发现RIIV 信号幅值与呼吸容积间存在相关性由于目前记录呼吸容积所用的方法如肺活量计呼吸速度记录器等都不适用于临床长时间监护因而从PPG 信号中获取呼吸容量信息的方法将使许多人感兴趣从监护的角度看PPG 方法可以免除将通气管插入病人体内进行呼吸监护将会大大减少病人的痛苦因而受到医护人员的欢迎目前呼吸容量PPG 的实验与模型研究都在进行相信不久的将来有望开发出实用型仪器用于临床
四 结束语
由上可见PPG 信号中包含有人体循环系统呼吸系统等许多生理病理信息
在人体血压血流血氧脑氧肌氧血糖脉率微循环血管阻力呼吸率呼吸量等参数的无创检测中都有很好的应用前景虽然由于红光红外光与人体组织相互作用的机理十分复杂影响它的因素也比较多我们对容积脉搏血流本身的机理了解和研究得还很不够加上对血流标定工作的困难因而在临床上真正应用PPG开发的医疗仪器还十分有限目前应用得最为广泛和成功的是监护仪中的血氧和脉率检测成为所有监护仪中PPG所能检测到的两项常规指标相信随着PPG基础研究工作的进一步开展和人们对这项技术的更深入了解它必将开拓出更为广泛的应用领域PPG方法所具有的无创性且检测方便操作简单性能稳定重复性好安全无交叉感染等许多优点使其不仅可用于医院中
的临床检测监护急救体能测试还可应用于社区和家庭医疗保健并具备联网扩展功能可以组建家庭社区和医院的医疗网络在这些方面将都会有很好的应用前景
(全文完)。