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反射式低血氧饱和度检测系统的研究 摘要 血氧饱和度是衡量人体血液携氧能力的重要参数，l 临床上许多场合都要对 血氧饱和度进行检测，其中通过无创的方法对血氧饱和度进行检测能够为医生 的临床行为提供快速、直接、有效的操作依据。目前透射式血氧仪已经成为较 成熟的监护手段，但由于传感器使用范围的限制，在某些场合需要使用反射式 血氧仪对血氧饱和度进行检测，如脑血氧、肌血氧和胎儿血氧监护等。 本文首先对胎儿血氧监护的国内外现状进行了研究，鉴于其重要的临床意 义，希望开发应用于产时胎儿监护的反射式低血氧饱和度检测系统。在深入了 解透射式血氧饱和度检测原理及其方法后，利用扩散传输理论论证了反射式与 透射式血氧检测原理之间的理论联系，并提出了应用于实际的血氧饱和度计算 公式。在此理论的基础上，我们对系统以及相应的传感器进行了设计开发。在 仪器开发过程中发现胎儿体表的胎脂可能会对标定好的仪器产生影响，因此在 仪器开发的同时需要研究胎脂对仪器的影响程度。 论文接下来的工作是在系统调试成功后对仪器进行定标实验。在定标实验 中，标定了血氧在3 5 一l o o 范围内的血氧饱和度定标曲线；同时得到两种不 同波长段( 6 6 0 9 4 0 r 吼与7 3 0 一8 5 0 m ) 传感器的定标曲线，通过分析两种定 标曲线选择其中适合的传感器进行胎脂实验，并且得到了胎脂影响的结果。考 虑到刚出生新生儿的生理状态比较符合研究要求，本课题还对新生儿进行了临 床测试，对实验结果进行校验，得出了胎脂影响的结论：并且对仪器所检测到 的血氧饱和度进行了l 晦床对比，相关性较好。 【关键词】血氧饱和度脉搏血氧仪透射式反射式 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t o x y g e n s a t l l r a t i o ni so n eo f t l l ei m p o r t a n tp a r a m e t e r sr e n e c t i n go x y g e nd e l i v e r y a b i l i t yi nh 啪a n sb l o o d 1 k m e a s u r e m e mo f o x y g e ns a t u r a t i o ni sa p p l i e d 、v i d e l y i nc l i n i c a l d i a g n o s i s t h e n o n i n v a s i v e d e t e c t i n go x y g e n sa h l r a t i o n p r o v i d e s q u i c k ly ，d i r c c t l y e 疗i c i e n n yo p e r a t i o n a l r c f e r e n c et od o c t o r s t t a n s m i t t a n c e o x i m e 仃yi sw e ud e v e l o p e d 鹤am o n i t o r i n gt e c h n i q u e h o w e v e r ，t l l eu s i n gs c o p e o ft 1 1 et r a i l s m i t t a n c es e n s o ri sl i m i t e d ，r e f l e c t a n c eo x i m e t r yi sn e c e s s a r yi ns o m e c i r c 啪s t a n c e s ，s u c ha sc e r e b r a lo x y g e ns a t u r a t i o n ，m u s c l eo x y g e ns a t u r a t i o n ，o r f 文a 1o x y g e ns a t u r a t i o n a tf i r s t ，t h ec u r r e n ti s s u e so ff e t a lp u l s eo x i m e 订ya r ea l l a l y z e d b e c a l l s eo f 也e i m p o r t a n tc l i i l i c a lm e a n i n g ，、v eh o p e t od e v e l o pr e f l e c t a n c el o ws a t u 州o np u l s e o x i m e t r yt h a ta p p l i e st oi n 竹a p 盯t i l mf 乱a ls u r v e i l l a i l c e t h er e l a t i o i l s l l i pb e t 、e e n t r a l l s m i t t a n c e a 1 1 dr e n e c t a i l c e o x y g e n s 棚a t i o n m o i l i t o r i n gp r i n c i p l e i s d e m o n s 廿a _ t e db ym e a l l so f 也ed i 丘h s et r a n s p o r tm c o r y 气n do x y g e ns a c u r a t i o n f o n n u l aa p p j y i n gp r a c t i c ei sb r o u g h tf o r w 甜d b 船i n go nt h em e o r y ，r c n e c t a n c e o x i m e t r ya n dr e f l e c t a n c es e l l s 0 ra r cd e s i g n e da n dd e v e l o p e d d l l r i n gd e v e l o p m e m i n s 咖髓t ，、v ef o u n dt 1 1 a tv 啪i xo ff e t a lb o d ys u d h c ew o u l dp d u c ee f f c c t 彻 i n s t m i i l e n t a lm o n i t o r i i l gr e s 试t s o 也ee f f e c to fv 州xo ni i l s 加| n l e n ti s 眦l y z e d 船s o o n 豁d e v e l o p 王芏l gr e f l c c t a n c e o x i m e t e r e f i e c t a l l c ed e t e c t i n gs y s t e mi sc a l i b r a t e da f e rs y s t c 【nd e b u g g i n gw 硒f i i l i s h e d i nc a l i b r a t i o ne x p e r i m e m a t i o n ，w eo b t a i nc a l i b r a t i o nc u r v eo f o x y g e ns a t u r a t i o n s c o p e 矗o m3 5p e r c e n tt o 10 0p e r c e n t a n dc a l i b r a t i o nc u r v e so ft 、ok i n d so f 反射式低血氧饱和度检测系统的研究 s e n s o ro f t 、v od i 跪r e n tw a v e l e n g m s o f l i g h t ( 6 6 0 - 9 4 0 m o r7 3 0 一8 3 0 姗) a r ef o u n d a n d b ya n a i y s i ss e j e c t i n gt h er i g h ts e n s o rd ov e m i xe x p e r i m e m a t i o n t h er e s u l to f t h ee 丘e c to fv e m i xi sf o u n d i nt h e p a p e r ，c l i n i c a lt e s to nn e o n a t e sv e r i 句t 1 1 er e s u i t o fv e m i xe x p e r i m e n t a t i o n ，b e c a u s en e o n a t e ss t a t ea c c o r d sw i t ho u rd e m a n da t t h es a m e t i m e ，t h ec i i n i c a le x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a to x y g e ns a t u r a t i o nd e r i v e d f r o mo u rr e n e c t a n c em o n i t o r i n gc o r r e l a t e sw e l l 、v i t ht 王1 eo t h e r o x i m e t r y 【k e yw o r d s 】 o x y g e ns a t m t i o np u l s eo x i m e t r yt m s m m a i l c er e n e c t a l l c e i i i 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 血氧饱和度的研究意义 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。人体组织细胞进行新陈代谢所需要的氧是从血液中获取的，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份运送到组织中去，同时运走 组织代谢中产生的有害物质。人体内的血液通过心脏的收缩和舒张脉动地流过 肺部，一定量的脱氧血红蛋白( 册) 与肺泡中的氧气结合变成了氧合血红蛋白 ( 励d ：) ，只有约2 的氧溶解在血浆中。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 为脱氧血红蛋白。最后血液经静脉系统回流到心脏，开始下一轮的循环【”。 能否充分吸入氧气，使动脉血液中溶入足够的氧，对维持生命是至关重要 的。及时检测动脉中氧含量是否充分，又是判断人体呼吸系统、循环系统是否 出现障碍或者周围环境是否缺氧的重要指标。f 临床上一般通过测量血氧饱和度 来判断人体血液中的含氧量。血氧饱和度是指血液中( 血红蛋白) 实际结合的 氧气( 氧含量) 占血液中( 血红蛋白) 所能结合氧气的最大量( 氧容量) 的百 分比。因此，血氧饱和度的定义可表示为】： d 2 = c m o ：【c m 0 2 + c mj ( 1 1 ) 式中c 胁、c 。分别表示组织中氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度，鼬0 ，表 示血氧饱和度值，之后采用的印d 2 表示利用脉搏血氧仪所测得的血氧饱和度的 值。 人体组织的血氧饱和度是人体最简单的生命指征之一，临床上许多场合都 要对血氧饱和度进行测量，如心脏病人的外科手术、危重病人的抢救、新生儿 北京工业大学工学硕士学位论文 护理、胎儿监护等【”。 血氧饱和度的检测手段分为有创和无创两种方法。有创的方法是抽取动脉 中的血液，利用血气分析法或在分光光度计测定光密度的基础上计算血氧饱和 度。血气分析法是将采到的血样利用血气分析仪进行电化学分析，测出血氧分 压进而进行计算，可为临床提供准确的血氧饱和度值，应用于很多需要准确的 血氧饱和度数据的场合，如深低温停循环手术、产程中胎儿监护等；利用分光 光度计测定从动脉血中抽取血样的光密度，并在此基础上计算血氧饱和度f 5 】。 这种方法仍用于临床的准确测定以及体外血液循环机的监测。此方法的原理则 是以双波长的朗伯比尔定律为基础，并利用册和士硒a 的吸光系数随波长改变 的特性进行计算，并且这一基本原理已发展作为无创检测的基础。 由于血氧饱和度的有创检测方法不仅费时、易对患者造成痛苦甚至感染， 而且不能提供连续、实时的血氧饱和度数据，因此采用无创的方法获得血氧饱 和度值的尝试一直在不断进行。鉴于血液中脱氧血红蛋白( 胁) 和氧合血红蛋 白( m d ) 在红光、红外光区( 6 0 0 n m l 0 0 0 n m ) 有独特的吸收光谱，7 1 ，从 而使红外光谱法成为研究组织中血液成份的简单可靠的方法。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、连续实时及无损伤的特点。 1 2 血氧饱和度检测仪的发展 利用氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白独特的光谱吸收特性测量人体血氧饱和 度的理论基础，最早可以追溯到1 8 5 1 年，a u g l l s tb e e r ( 德) 发表了吸收光测 定基本原理，即l 嘲b e n b e e r 法则。这一理论阐述了：当特定波长的光穿过一 定厚度的溶液时，光强的衰减程度。此理论到目前为止仍作为某些血氧仪检测 血氧饱和度的基础。其后一些研究人员又针对吸收光谱与血氧饱和度之间的变 化关系做了大量研究，在1 8 6 4 年，f e l i xh o p p e s e y l e r ( 德) 阐述了吸光系数随 同血氧饱和度变化的现象。1 8 7 6 年，l c a r lv o n e r o r d i ( 德) 阐述了手指的透光 第1 章绪论 光谱随血氧饱和度的变化而变化。1 9 3 1 年，d u d w i n g n i c o l a i ( 德) 发表了用穿 透光连续测定人体组织内血液的血氧饱和度变化的结果。随着研究人员对血氧 饱和度检测方式的研究，1 9 3 9 年，k a r lm a 劬e s 等人( 德) 发表了用红光及红 外光2 种波长连续测定人耳血液的血氧饱和度。1 9 4 0 年，j r s q u i r e ( 英) 发表 了通过压迫组织造成无血状态，并以此时的透过光量作基准以求得光波通过血 液层后的衰减量( 即无血法) ，其波长采用红光及红外光的透过光强度之比，对 血氧饱和度作定量测定，从此成为可能。1 9 4 1 年，美国g l e na m i l l i k a l l 等人采 用2 种波长的小形轻型的实用装置出现，但没有采用无血法。此装置是在随着 二次大战的爆发后，开发飞行员的血氧饱和度检测和自动氧气供给装置的同时 制成的。1 9 4 9 年，e a r lh w o o d ( 美) 等人发表了将m i l l i k a n 的装置与s q u i r e 的无血法结合制成了高精度较实用的装置。1 9 6 4 年，r 0 b e r tf s h a w ( 美) 不用 无血法，且精度较高的装置开发成功。他通过对8 个波长光波在耳部透光率的 测定，并根据多次实验统计所得常数值，导入公式，计算血氧饱和度，此装置 可靠性强。但由于在患者身上的探头部分既大又重，价格昂贵，至今未能普及， 通常只作研究之用。1 9 7 4 年，青柳卓雄等人( 日) 发表了称为脉波血氧计的测 试法。随后，出现了应用此法的较为完善的实用化商品仪器，使血氧饱和度的 无创连续测定手段到达了较为理想化的境界，并被迅速地得以推广普及【5 】。 作为一种能够提供无创、连续、实时的动脉血氧饱和度数据的医学仪器， 动脉血氧仪按照所使用的传感器采样方式的不同，还可以分为透射式和反射式 两种郾】，其中透射式和反射式传感器的结构示意图和应用图如图1 1 所示。( a 为透射式传感器结构示意图和应用图，b 为反射式传感器结构示意图和应用于 脑血氧的应用图) 。透射式血氧仪主要用于成人或新生儿的血氧监护，目前已成 为较成熟的手段，在l 缶床和家庭保健场合有广泛的应用，但由于传感器使用的 限制，在一些临床场合如成人脑血氧检测和胎儿血氧检测中无法应用。反射式 血氧仪由于其使用时不受传感器安放位置的限制，在某些场合有更好的应用前 北京工业大学工学硕士学位论文 景，主要应用包括：脑血氧仪、肌血氧仪呻，1 0 ，1 1 】和胎儿血氧仪】。 b 反射式传薅器结构示意图和应用于脑血氧的成用圈 图1 1 透射式与反射式传感器示意图 进入8 0 年代，透射式脉搏血氧计出现，这种仪器从指尖或耳垂测量透射光， 假设透射光强的波动完全由动脉波动产生，并由此计算动脉血氧饱和度，从而 使其逐渐进入工业生产与l l 缶床实用阶段。 在透射式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1 9 7 7 年j o b s i s 将红外光用于测量脑组织氧代谢以 来，到8 0 年代中期，j o b s i s 、w y a t tj s 及d e l p yd t 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几的临床监护。进入9 0 年代，m o c o m i c k 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【1 2 ，13 1 ，并由s o m a n e t i c s 公司改进后推向临床，成 第l 章绪论 为商品化的脑血氧计【1 4 】。 红外光谱法在运动医学方面，对肌肉血氧含量的测量取得了一定的进展。 美国宾夕法尼亚大学医学院b r i t t o nc h a l l c e 率先推出肌肉血氧饱和度检测装 置i 们。 胎儿血氧仪的研究与脑血氧仪、肌血氧仪相比，由于受实验对象、实验条 件等因素的限制，使得发展较为困难，但它重要的临床意义引起了国内外产科 专家和科研工作者的关注。 1 3 胎儿血氧饱和度的研究意义 产时胎儿监护可早期诊断胎儿宫内缺氧和酸中毒，通过对产妇给予及时的 分娩中手术干预，可防止因宫内缺氧和酸中毒所致的产时和产后的新生儿死亡， 降低围产儿死亡率：同时也为新生儿提供最大的安全保障，并可避免分娩中不 必要的对母儿均有危害的手术干预。围产儿死亡率是指：死胎率( f c t a ld e a 吐lr a t e ) 及早期新生儿死亡率( e a r l yn e o n a t a lm o r t a l 埘r a t e ) 。而胎儿窘迫是使围产儿死 亡以及远期致残率的主要原因之一。胎儿窘迫是胎儿在子宫内缺氧和( 或) 酸 中毒所致的一组症候群。按发生的时间可分为孕期胎儿窘迫及产时胎儿窘迫。 前者多为慢性缺氧，后者多为急性缺氧或慢性缺氧急性加重等原因所致【1 5 1 。 现在国内产时胎儿监护的主要方法有：胎心监护( c t g ) 和胎儿头皮血p h 值测定法( f b a ) ，这些方法都已经应用于临床，并且已经成为胎儿监护中必不 可少的手段。c t g 在过去近三十年中获得很高评价。其主要优点是：可进行连 续的产时监护；正常c t g 图形是胎儿呼吸状态正常的可靠证据；任何程度的胎 儿宫内缺氧早期就会出现c t g 图形异常，可早期诊断胎儿宫内的合并症。但 c t g 也存在弱点：假阳性率高以及医务人员因不能正确分析胎儿监护的图形而 出现处理上的错误。利用f b a 虽然可以较准确的检测胎儿宫内缺氧的程度，但 此方法属于有创方法，仅用于c t g 图形异常的产妇，并且难以动态观测【1 6 ，1 7 】。 北京工业大学工学硕士学位论文 因此，产科医护人员及科研工作者都认为应提高产程中胎儿监护手段。通过血 氧饱和度的研究表明，胎儿血氧饱和度的测定对产程中及时发现胎儿缺氧具有 十分重要的意义。 1 4 胎儿血氧饱和度监护的特点与发展概况 鉴于胎儿血氧饱和度的测定对临床具有十分重要的意义，考虑到用于产程 中胎儿监护的生理环境与新生儿和成人不同，胎儿血氧饱和度监护的主要特点 是：胎儿没有可使用透射式传感器的暴露部位，因此需使用反射式传感器，并 且将传感器放置在胎儿的面颊部，实际操作如图1 2 所示【1 8 】；胎儿的动脉压力 波动较小，其体表的某些物质( 如胎脂等) 会影响到检测精度：传感器位置变 化较大；血氧值较低( 3 0 时，胎儿的动脉血 p h 值及乳酸水平稳定，当血氧值低于3 0 时，部分胎儿发生代谢性酸中毒7 ”。 美国在九十年代初出现了专为人体胎儿应用而设计的胎儿脉搏血氧仪。 由于在产时胎儿监护过程中，存在因产妇或胎儿活动导致的一段时间内血氧信 号无法获取，因此胎儿血氧仪的技术自出现起，就面向与电子胎心监护的联合 应用m 6 矧。1 9 9 6 年d i l d y 等人报告了他们为确定胎儿血氧饱和度的关键值所 作的研究，研究中对刚分娩的产妇取脐带血进行分析得出其血氧饱和度值和p h 值，结论认为将3 0 作为域值是合理的。在此研究基础上，为明确当出现非正 常胎心率图时，胎儿血氧仪的应用能否提高产程中胎儿供氧情况诊断的确切性， 以及能否降低剖腹产率，有几家研究中心进行了临床应用的随机实验，结论表 明与胎儿血氧仪联合应用后，因出现不可靠胎心率图而进行的剖腹产率下降超 过5 0 f 2 l 】。 9 0 年代末，仅有美国的n e l l c o r 胎儿血氧检测系统进入除美国外的一些发 达国家和地区的市场，其临床应用价值在逐渐被认识附1 - 2 引。2 0 0 0 年7 月，该 系统( o x i f i r s tf e t a lo x y g e ns a n i r a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m ，m a l l i n c k r o d 价4 e l l c o r ， p l e a s a m o n ，c a l i f ) 获得美国f d a 的认证1 2 9 】，标志着该项技术的成熟及实用性得 到认可，有望成为产程中与电子胎心监护联合应用的常规胎儿监护仪器。 到目前为止，国内已有少数几家妇产医院引进了美国的n e l l c o r 胎儿血氧 监护系统，但胎儿血氧仪的开发以及临床研究的报道却很少。鉴于胎儿血氧仪 重要的l 晒床意义，我所在的实验室从2 0 0 0 年开始就致力于对仪器进行开发研 究，并在理论与仪器的开发中取得了一定的成果，其中主要包括：理论上利用 北京工业大学工学硕士学位论文 光学概念解释了反射式血氧仪的原理；对仪器进行了初步的研制，使其对正常 人检测完全符合要求。 1 5 本课题的目标及主要工作 目前，国内对透射式血氧仪的理论已经比较成熟，而对于反射式血氧仪的 理论是否能够应用已有的透射式理论还不明确。针对这一现状，本实验室曾提 出利用光扩散传输理论解释反射式原理，但是并没有说明透射式与反射式理论 有什么必然联系，因此，在理论方面还需要进一步说明。 根据胎儿血氧仪发展的国内外现状以及本实验室已有的研究基础，我们认 为目前我们已研制出的反射式血氧饱和度检测仪与实际应用于胎儿监护的血氧 仪还有一定的距离，主要体现在以下几个方面：1 、反射式血氧饱和度检测原理 还需要进一步推导。2 、低血氧段的定标曲线还未确定。胎儿的血氧一般低于 6 0 ，而且前，仪器的定标是利用正常人的憋气实验进行的，定标曲线的血氧 范围只能保证9 3 到1 0 0 之间的准确性。因此需要标定较低范围内的定标曲 线。3 、仪器所用的传感器需要改进。现有的传感器只是手工制作，应用在指端 的指夹式传感器，而实际应用的应该是贴于体表的反射式传感器。4 、需要做大 量的l 临床实验对仪器进行校验，不断地提高其性能。以上几个方面是在目前的 基础和现有的实验条件下对仪器将要进行的主要改进，仪器是否真正能够应用 在胎儿监护还需要我们做大量的工作。 在仪器的研究过程中我们发现，由于实验条件有限，需要应用定标仪进行 定标，定标结果没有考虑到胎儿身上附着物胎脂的影响，若应用于临床，需要 探讨胎脂对仪器产生的影响，并通过实验分析其影响程度。针对这一问题，考 虑刚出生的新生儿在未清理之前与胎儿的生理状态及其近似，体外有一层胎脂。 因此这次课题的重点是研究胎脂对反射式血氧饱和度检测仪测量结果的影响， 并通过新生儿临床试验确定其影响程度。而这种胎儿血氧仪的开发过程与国外 第l 章绪论 不同，也就是说我们这项研究在整个胎儿血氧仪的发展过程中开辟了另一条血 氧仪的开发方式。 根据上述几方面的要求，本课题研究的主要工作包括：l 、在理论上，利用 光学的扩散传输理论，阐述透射式和反射式血氧饱和度检测原理之间的必然联 系，并提出实际应用的理论公式；2 、设计并制作应用于临床的反射式传感器； 3 、对现有的血氧仪的软、硬件进行调整与改进，使其适合临床应用；4 、对血 氧饱和度检测系统进行定标，其定标范围扩展到3 5 1 0 0 ，并分析不同波 长段传感器的定标曲线：5 、利用实验室现有条件测定胎脂对仪器的影响，然后， 再对新生儿进行临床实验，得出胎脂对新生儿血氧饱和度测量结果影响程度的 结论，同时校验系统的准确性。 论文中利用扩散传输理论阐述了透射式及反射式血氧仪之间的理论联系， 在此基础上进一步对仪器进行开发。定标实验中，标定了血氧在3 5 l o o 范 围内的血氧饱和度定标曲线；同时得到两种不同波长段传感器的定标曲线，并 选择适合的传感器进行胎脂实验，得到并分析了实验结果。通过新生儿实验， 得出胎脂对新生儿血氧饱和度测量结果影响程度的结论，并对系统的准确性进 行了校验。以上的理论和实验结论将对反射式血氧检测系统的研究具有重要的 参考价值，并对国内这一领域的发展具有一定的意义。 北京工业大学工学硕士学位论文 第2 章反射式血氧饱和度检测系统的研制 2 1 血氧饱和度检测方法 目前，透射式血氧饱和度检测原理已经比较成熟，它主要是基于血液中氧 合血红蛋白和脱氧血红蛋白的吸收光谱的特性并运用朗伯一比尔定律进行推 算【4 ) “”j ，而反射式血氧饱和度检测原理是否能延用透射式原理，国内文献并没 有明确说明。本实验室曾提出运用光学扩散理论解释反射式血氧饱和度检测原 理，但没有指出透射式及反射式检测原理之间是否存在必然联系。针对这些问 题，本人希望利用光扩散理论同时对透射式和反射式检测方式进行原理上的推 导，以确定两者之间的必然联系。下面将分别对传统的透射式血氧饱和度检测 原理以及利用光扩散理论推导两种检测原理进行详细阐述。 2 1 1 传统的透射式血氧饱和度检测原理 无创血氧饱和度检测是基于动脉血液对光的吸收量随动脉波动而变化的 原理。透射式血氧饱和度检测中，当透光区域动脉血管搏动时，动脉血液对光 的吸收量将随之变化，称为脉动分量或交流量( a c ) ；而皮肤、肌肉、骨骼和 静脉血等其他组织对光的吸收是恒定不变的，称为直流量( d c ) 【6 ，“。如果忽 略由于散射、反射等因素造成的衰减，按照朗伯比尔( l 锄b e 卜b e e r ) 定律， 假设波长为旯光强为，。的单色光垂直照射人体，通过人体的透射光强度为p 2 j ： = 。p 一“叫e 一“0 2 。”2 p 一k 。 ( 2 一1 ) 其中组织内的非脉动成分及静脉血的总的吸光系数、光吸收物质浓度、光路径 长度分别表示为岛，c o ，和，经过这部分吸收后得到的透射光强记为，。； 动脉血液的主要成份是脱氧血红蛋白( e 西) 和氧合血红蛋白( 于玷0 ：) ，其中 g 。，、c 。0 2 分别是动脉血液中m 0 ：的吸光系数和浓度，f m 、c m 分别是动脉 血液中历的吸光系数和浓度。 考虑当动脉搏动血管舒张，可以假定动脉血液光路长度由l 增加l ，相应 的透射光强由j d c 变化到，d c f 。c ，则式( 2 1 ) 可写做： j d c 一，_ c = ，p 一( “。：。m 。2 + “。“) “ ( 2 2 ) 对公式进行转换并求l n ： 1 1 1 i ( j 。一，。) j 。】= 七。：c 。：十s m c m 灿 2 3 考虑透射光中交流成分占直流量的百分比为远小于1 的数值，根据数学上 的近1 以撼l n ( 1 十= 等，实践中可以弘c ，o c 来近似l n 一c ) k 】， 于是公式( 2 3 ) 变成： 冬- ：一g 。0 2 c 枷。：+ s 。c 脚灶 ( 2 4 可用d 代替，。由于光路径长度变化未知，因此采用两束不同波长的光 作为入射光，即所谓双光束法，可得到下式： 尝= 缝= 害糍 旺。) d hi 瓷 l 瓮s h 吣i ”c 渤0 1 + s 渤、l m 将式( 2 5 ) 代入血氧饱和度公式( 1 1 ) 印d 2 = c m q e m 仉+ c m ) 时， 可得： 鹎= 露瓷辔翻 驴z 5 瓦万瓦下赢i 可匠砷 若参考脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白的吸收光谱曲线口，4 3 】( 图 ( 2 6 ) 2 一1 ) ，选择波 北京工业大学工学硕士学位论文 长在8 0 5 n m 附近，使s m 。： = s 。如( 12 称为等吸收点) 时，可以得到如下的 血氧饱和度公式： 印q = ，s h s h ，一e h 0 6 h 0 一s 孙0 咣 贯 _ 7 式中的占。、占。、s 啪：均为常数，可采用时域或频域的光谱分析法获 得。在实际应用中，一般把上式写成： 鹕一b 咎若 c z 吲 其中a 、b 通过定标确定。 滚长细m ) 图2 1 氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的吸收光谱曲线 2 1 2 利用扩散传输理论推导血氧饱和度检测原理 采用扩散传输理论推导血氧饱和度检测原理之前先了解一下光在人体血液 组织的传输特性。生物组织是由不同大小、不同成份的细胞和细胞间质组成的， 在光学上我们通常把它称为浑浊介质。它是一种强散射介质，光在组织中的运 1 1 1 o 0 0 冒言一口i)簸瞄埘n弹 第2 章反射式血氧饱和度检测系统的研制 动存在随机性，透射检测方式中光检测器接收的主要是前向散射光：当将光检 测器置于光源的同一表面时，即是反射式的检测方法，这时检测器接收的主要 是在组织中经过了一段类似抛物线路径的散射光( 如图2 2 所示) 。光在生 物组织中的传播规律可用传播理论的粒子描述来说明，它将光的传播过程视为 光子在介质中的迁移，认为光是由分散光子组成的，当光子与介质中的粒子发 生碰撞时，存在着吸收的可能( 几率) ；若不被吸收，则发生散射，向着与原来 不同的方向传播。通常人们将光予的迁移过程描述为一种扩散过程，研究这种 现象的理论称为扩散传输理论。它只考虑其粒子性，忽略光的波动性、偏振效 应等。这种理论被广泛用于组织光学的数学模型、理论分析、实验验证的研究 中【3 ”。此时光子的传播行为就用组织的光学特性参数来描述，这些特性参数定 量地描述了组织的光学效应，如用吸收系数和散射系数来描述组织体对入射光 的吸收和散射能力的大小，用有效透射深度表示光在组织中的穿透能力等。 图2 2 光在组织中的传播路径示意图 9 0 年代初s e v i c k 和c h a n c e 等人针对近红外光谱法在组织血氧饱和度测定 领域的应用的发展，详细阐述了时域和频域光谱技术中确定血氧饱和度的理论 计算公式【3 4 】；9 0 年代末，l a g o 及l u g a m 等人认为时域光谱技术中得出的结论 可以推广应用至以l a m b e n b e e r 定律为基础的连续波光谱技术中口3 t 3 5 1 ，c a s a v 0 1 a 和c i c c o 等人则分别将频域和时域光谱技术的理论尝试应用于实际检测中【3 6 ”j 。 在上述理论及实践的指导下，我们考虑采用扩散传输理论( d i 觚s et r a n s p o r t t h e o r y ) 来解释光在组织中的行为，并利用此理论同时对透射式与反射式血氧饱 和度检测原理进行推导。 北京工业大学工学硕士学位论文 将时间分辨光谱技术中确定吸收系数以时得出的结论【3 8 】引入到我们的血 氧饱和度检测原理推导中来。根据l a m b e r t b e e r 定律，利用光通过一段已知路 径l 后的衰减可以定量描述吸光物质浓度c 及吸收系数儿： 心一圭n 毒= 盯 c ：吲 其中，s 为吸光系数( e x t i n c t i o nc o e m c i e m ，c m 一1 m m - 1 ) ：c 为吸光物质浓度 ( m m ) ；，。和，分别为入射光和检测到的光强；以是吸收系数，即光子在单位 路径( c m 一1 ) 内被吸收的概率。 根据扩散传输理论得到组织或混浊介质中位置r 处时间t 时的通用的光子扩 散方程为 3 4 ，3 9 4 1 1 ： 昙加，) 一d v 2 庐= s ( 2 一l o ) 式中( ，r ) 为p ，f ) 点处的光密度，心为吸收系数，s o ，f ) 为光源量，c 为光予 行进速度( 常数) 。d 为扩散系数，是从宏观上反映生物组织漫射特性的一个基 本的特性参数，单位为m 或c m ；对光子迁移来说，扩散系数等于下式： 肌玩哥硼 q 叫 其中，以为吸收系数；胁为散射系数( 锄叫) ，g 为散射角余弦的平均值，称 为散射各向异性因子；( 1 一g 址，项称为有效散射系数或等效各向同性散射系数。 公式( 2 9 ) 是通用的热量和质量传递的扩散方程，是由描述不带电粒子运动 的辐射传递方程推导得到的，因此适用于光在强散射介质中的传播。 根据光子扩散方程( 2 一1 0 ) 以及时间分辨光谱技术，p 舭r s o n 等人按照 实际的边界条件解出了在一光脉冲激励后的光子流量分布公式，主要包括透射 第2 章反射式血氧饱和度检测系统的研制 式和反射式两种情况”。其中，透射光强的公式为： 丁( 州，f ) - ( 4 砒) 叫2e x p 卜即r ) e x p f _ 去】 扣小冲 - 斜如铂唧 一斜+ 陋铂e 冲 等卜咱砖p - 警 ) c z 吨， 式中，z 。等于【( 1 一g 址。】；p 是柱坐标中光源与检测器之间的距离；d 为发射 端到接收端的距离。 同时得到的反射式光强的公式： 脚，归( 4 础) 叫2 z o f _ 牡e x p ( 啦“) e x p 卜旦篆 ) ( 2 叫3 ) 式中，等于【( 1 一g n ，】- l ；p 是柱坐标中光源与检测器之间的距离。 对式( 2 一1 2 ) 和式( 2 1 3 ) 分别求l n 并对t 求导，得到以下两式： 蚤t n r p ，以，) = 一寺一心c + 岳+ 面 c z 一4 ， 言，n 如* 一丢他c + 警 c 2 州， 当经过时间足够长时，以上两式左边都将接近一心c ，即： 烛妄1 n r o ，如) = 讹c ( 2 1 6 ) 姆暑l n r ，f ) - 啪c ( 2 1 7 ) 因此，通过上述推导可得出透射光强与反射光强的变化率是相等的，都与吸收 系斯成诈比。南北张们诵讨理诊榨导翰并了! 存毕物组织中雨l 用诱射枪涮 北京工业大学工学硕士学位论文 方式与反射检测方式得到的光强变化率是相同的，由表示光强的变化率，得 到通用的光强变化公式： = 一心c ( 2 1 8 ) 下面分析如何将吸收系数以和吸光物质浓度c ( 主要是氧合血红蛋白和脱 氧血红蛋白的浓度) 联系起来，以便获得双波长血红蛋白氧饱和度的测量方法。 有研究表明，在近红外光区，由水、细胞色素等物质引起的吸收与脱氧血 红蛋白( h b ) 和氧合血红蛋白( h b 0 2 ) 相比要小得多。因此，当选择波长位于 近红外光区( 如九l = 7 3 0 m 和 2 = 8 5 0 姗) 的两束光探测组织时，仅考虑脱氧 血红蛋白( h b ) 和氧合血红蛋白( h b 0 2 ) 的影响，在两个波长下的吸收系数可 按公式( 2 9 ) 写成下式【3 4 】： 。 = 占肿 c m + 占 c 舶0 2 ( 2 1 9 ) 口也= 占m 2 2 c 肿+ 占肿。12 2 c 珊0 2 ( 2 2 0 ) 结合公式( 2 1 8 ) ，根据双光束法得到下式： 旦1 ：! 墅! ! ! 竺丝尘! 艘! 些( 2 2 1 ) 一 川 w k8 h 日产c + s h 户c m 将上式带入式( 1 1 ) 】，= c 肿。：【c 肿0 2 + c 肿) ，并选择波长a z 为等吸收点，可 以得到血氧饱和度公式： 印q = s h ，e h s h 0 6 m ，o ? s h 一s h 。， 监 ( 2 2 2 ) 式中的占。、占。、占。：4 均为常数，可采用时域或频域的光谱分析法获得。 光通过组织和血管时，可分为非脉动成份( 如皮肤、肌肉、骨骼、静脉血等) 和脉动成份( 如动脉血) ，即可称为直流量和交流量。因此，光强在组织中的变 化率，可以表示为： 矿= ，d c 1 6 第2 章反射式血氧饱和度检测系统的研制 由此，血氧饱和度公式( 2 2 2 ) 可改写为 印0 2 = s m s m 2 2，c k h 0 一e o ，h 0 一n o l jj i d c ( 2 2 3 ) 而在实际应用时，考虑到作为光源的发光二极管的个体差别以及人体生理组织 的较大差异等因素，大多数商品化的脉搏血氧计在计算中都采用经验化计算公 式，也就是通过对实验的统计分析所获得的经验公式1 ，4 4 ，45 1 。通过对双波长光强 变化比和血氧饱和度之间的相关分析产生了线性或二次函数关系的经验公式， 分别表示为： 印q2 4 一岛，乏蓦号乏多 q z 。， 印q 咆璁等等鹄( 簪若 2 c 2 哨， 式中爿。、曰。和c 。为经验常数，可通过实验定标得到。大多数的研究表明，为 满足临床要求，印d 2 取值范围为7 0 l o o 时，可采用线性公式，但在低血 氧段测量精度将下降。并且我们在对实验得到的定标曲线( 图3 2 ) 进行一次 和二次线性回归，如图( 2 3 ) 、( 2 4 ) ： 图2 3 一次线性回归 图2 4 二次线性回归 一次线性回归得到的相关性r 2 = o 9 8 9 7 ，二次线性回归得到的相关性 = 盯 、二 一 北京工业大学工学硕士学位论文 r2 = o 9 9 9 4 ，通过对比二次线性回归的拟合情况较好。两种情况得到的相关性 虽然差距不大，但在低血氧段，利用一次线性函数计算血氧饱和度误差较大， 而我们研究仪器的目标是应用于胎儿血氧检测，胎儿血氧一般低于正常血氧， 大致范围在3 0 7 0 之间，因此，为了血氧计算的准确性，我们将采用二次 函数公式( 2 2 5 ) 作为血氧饱和度的计算公式。 以上是利用扩散传输理论对两种血氧饱和度检测方式的原理进行推导，证 实了透射和反射两种方式检测血氧饱和度，虽然检测路径不同，但检测结果是 相同的。因此，之后的反射式血氧仪研制与定标都基于上述理论推导，并且认 为在实际的血氧检测中引用公式( 2 2 5 ) 。 2 2 反射式传感器的制作 在获取人体血氧饱和度时，主要通过传感器与人体接触，将检测到的人体 生物信号转变成电信号传送到主机进行分析计算，从而得到血氧饱和度的值。 因此，传感器的好坏直接影响到检测结果的准确性。 2 2 1 反射式传感器的原理 反射型的血氧传感器与透射式相似采用光电传感器【4 6 。4 8 1 ：发光二极管l e d 作为光源，光敏二极管作为光检测器件。它的基本原理是：血液流经血管时， 被测部位的透光率将随着血管波动而变化，被调制后的光强变化通过光电元件 转换成电信号，其波形可描述被测部位微血管床波动情况。其中光敏二级管是 p n 结光电二极管的简称，它是具有p n 结的构造且具有光电转换功能的二极管。 2 2 2 反射式传感器的制作 因为制作的反射式传感器要应用在新生儿体表，设计要求传感器：不易腐 蚀( 尤其不易被酸性物质所腐蚀) ，不易老化。不易变形，表面光滑，易于消毒。 整体封装要严密( 不透水) ，发光和接收表面部分的封装材料要完全透光，而其 它部分不能透光。 第2 章反射式血氧饱和度检测系统的研制 2 2 2 1 测量光波长的选择 理论研究已经表明册d ，和册对光谱的吸收明显不同，如图( 2 1 ) 所示。 为减少组织对测量精度的影响，选择光波长时，要求m d ，和m 对它的吸收系 数要大于非血液组织对它的吸收系数，但不要大到使得透过部分难于检测。由 于册 和胁对6 0 0 n m 一下波长光吸光系数过大，不适宜血氧饱和度的测量。 原理推导中要求其中一波长对m d ，和胁的吸光系数应相等，从图( 2 1 ) 可 知该波长光应选为8 0 5 n m 附近，而该点附近的吸光系数所波长的变化梯度较大， 这样发光管存在个性差异时，不利于调试替换。在8 5 0 一9 5 0 蛳波长段，两曲 线变化较缓，且近似重合，只要在后置信号处理电路中做适当调整将不会影响 正常检测，所以交点一般选在该波长段比较适合。另一波长光可选在6 5 0 n m 附 近。因为在该波长处，光对乒舾以和册吸收系数之差近似最大 4 7 】。当血氧饱和 度不同时，血液对该波长光吸收量的变化最为敏感。 在透射型的血氧传感器中w ，3 9 1 ，光源波长一般选择为6 6 0 衄9 4 0 m ，这是 考虑到：在6 5 0 n m 处，两物质的吸光系数( e ) 差异最大，这样可保证血氧饱 和度公式中的常数项b 尽可能小以提高检测的灵敏度；另一光波长9 4 0 m 尽管 偏离了前述的等吸收点8 0 5 m ，但两物质在这一范围的吸光系数变化不大，且 经实验证明，波长选择在9 4 0 m 可以更好地满足透射式血氧计算公式中的线性 关系。 在反射型血氧传感器中，除了应将其中一个波长选在8 0 5 n m 附近以保证公 式的线性关系，还有一点就是探测深度的考虑；而光源到光接收器的距离则基 本决定了光对组织的采样深度。光予运动的经验模型证实，哺乳动物组织的散 射特性使得光在组织中的运动呈现随机性；从概率平均的意义上说，光子在光 源和接收器之间走过一条抛物线状的路径，探测深度相当于光源与接收器之间 北京工业大学工学硕士学位论文 距离的一半，如图( 2 2 ) 中所示。根据大量实验证明9 ，5 叭，反射型探头的光 源波长应选择7 3 0 i n 一8 5 0 m 。光接收器则选用由北京光电器件厂提供的2 c u 3 0 s 型p i n 光敏二极管( 如图2 5 一a 所示) ，其特点为暗电流小、响应速度快。比 较符合我们的实验要 a 2 c u 3 0 s 型光