醫(yī)學(xué)儀器原理與設(shè)計(jì) Chapter 4-3 血氧飽和度測(cè)量及裝置

1、4.4 血氧飽和度測(cè)量及裝置,目錄 4.4.1 血氧生理 4.4.2 光學(xué)原理 4.4.3 血氧飽和度的測(cè)量,Terms,Oxymetry Blood oxygen saturation Pulse oximeter Hemoglobin Oxyhemoglobin Methemoglobin Carboxyhemoglobin,氧測(cè)定法 血氧飽和度 脈搏血氧儀 血紅蛋白 氧合血紅蛋白 高鐵血紅蛋白 碳氧血紅蛋白,血液在兩個(gè)不同的狀態(tài)中攜帶氧氣。 血液中的O2與紅細(xì)胞血紅蛋白（Hb）結(jié)合（98%）. O2以物理方式溶解在血漿中（2%）。 氧飽和度：氧氣與血紅蛋白結(jié)合的量,4.4.1 Blood

2、 oxygen physiology,血紅蛋白分子包含在紅細(xì)胞內(nèi)。每個(gè)紅細(xì)胞包含大約2億6500萬(wàn)個(gè)血紅蛋白分子。,血紅蛋白起著至關(guān)重要的作用：向身體輸送必要的氧氣量,氧解離曲線顯示pH值和溫度對(duì)氧飽和度和氧分壓之間的關(guān)系的影響。,fractional oxygen saturation (分率性血氧飽和度). SaO2 = () , = + 2 + + ,功能性血氧飽和度, 2 (%)= 2 2 + 100,血氧飽和度通過(guò)脈搏血氧儀測(cè)量,carboxyhemoglobin: 碳氧血紅蛋白；Methemoglobin:高鐵血紅蛋白,血紅蛋白作為呼吸色素，氧化時(shí)顏色改變。一種含氧血紅蛋白分子是明

3、亮的紅色，而脫氧血紅蛋白分子，一個(gè)沒(méi)有氧氣的血紅蛋白分子，是暗紅色的。這種顏色的改變被應(yīng)用在脈搏血氧儀測(cè)量血氧飽和度上。,4.4.2 光學(xué)原理,脈搏血氧飽和度監(jiān)測(cè)感興趣的四種最常見(jiàn)的血紅蛋白的波長(zhǎng)吸收率（消光系數(shù)）L/（mmolcm）。（Susan Manson， Biox/Ohmeda，Boulder有限公司）,覆蓋典型LED發(fā)射光的光譜和含氧的相對(duì)光吸收譜和脫氧血紅蛋白。虛線紫色線表示50%飽和血液的光譜，在紅光和紅外線的相對(duì)吸光度由黑色圓圈表示.,比爾定律：一個(gè)強(qiáng)度I0入射光傳播的距離從光源到?jīng)]有被吸收的空氣中。在吸收介質(zhì)中，光強(qiáng)隨距離呈指數(shù)衰減。,光的透射率（T）,未散射的吸光度（A）

4、,Beers (Beer-Lamberts) Law,:消光系數(shù)；C：吸收物質(zhì)的濃度；d：通過(guò)介質(zhì)的光路長(zhǎng)度,(1) 脈搏血氧儀測(cè)量,透光率探測(cè),4.4.3 血氧飽和度測(cè)量,傳輸血氧探頭組件,反射探頭,反射血氧探頭切面（左）和示意圖（右）,發(fā)光二極管在其他能源上的優(yōu)勢(shì)： 窄帶寬（幾乎單色） 效率高 低溫 高開(kāi)關(guān)速度（ 1兆赫） 穩(wěn)定峰值波長(zhǎng) 強(qiáng)度隨驅(qū)動(dòng)電流線性變化 比替代品便宜（半導(dǎo)體激光器） 比半導(dǎo)體激光器安全。,即使氧飽和度變化很小也能通過(guò)減少血紅蛋白和氧化血紅蛋白的消光系數(shù)來(lái)顯著改變吸光度。,波長(zhǎng)選擇的另一個(gè)問(wèn)題是所選擇波長(zhǎng)的吸收光譜的平坦度。,波長(zhǎng)選擇標(biāo)準(zhǔn),735和890 nm發(fā)射器在

5、低飽和度的各種條件下制備的傳感器讀取更精確，而660和990 nm發(fā)射器在高飽和度讀取更準(zhǔn)確。,吸收信號(hào)分量,動(dòng)脈血脈動(dòng)引起的可變吸收 動(dòng)脈血吸收 靜脈血吸收 組織吸收,光的總吸光度在n種吸收物質(zhì)作介質(zhì)時(shí)是n種吸收物質(zhì)獨(dú)立吸收的總和,已知物質(zhì)的吸光系數(shù)時(shí)，比爾定律能讓我們?cè)诰鶆蚪橘|(zhì)中測(cè)定n種不同吸收物質(zhì)的未知濃度，在N個(gè)不同波長(zhǎng)處測(cè)量光的吸光度。,在一個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)，透射光的強(qiáng)度從IH (極大) 變化到IL (極小) .,其他組織,光強(qiáng)度,光探測(cè)器,動(dòng)脈血,靜脈血色素沉積等,來(lái)自紅色 LED (R) 和 來(lái)自 紅外 LED (IR)的透射光是以他們各自的直流分量來(lái)區(qū)分的。 因此，在心舒張期 ，這

6、兩種標(biāo)準(zhǔn)化的光的光照強(qiáng)度是大小相同的 。標(biāo)準(zhǔn)化的信號(hào)決定了動(dòng)脈血氧飽和度計(jì)算的基礎(chǔ)。,信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)化,相關(guān)信號(hào)影響 只有脈動(dòng)的信號(hào)被高通濾波器所保留 (僅僅代表動(dòng)脈血)。 這等價(jià)于高通濾波器所濾過(guò)的信號(hào)或減少常量基本線。 代表一段時(shí)間后不改變大小和特性的被組織和液體吸收。 在高的氧飽和度時(shí)，紅光被血紅蛋白吸收更少，因此由于紅色產(chǎn)生的脈沖高度是少的，與此同時(shí)它的紅外光更高 (i.e. 因?yàn)榇嬖趬毫γ}沖，在收到信號(hào)時(shí)有更少的影響). 在低的氧飽和度時(shí)情況相反,脈動(dòng)博形,在低氧飽和度時(shí)的紅色和紅外光。 在高氧飽和度時(shí)，紅色脈沖振幅(AC/DC)是小于紅外光的 。在低飽和度時(shí)，相關(guān)振幅的比例是相反的。,

7、探測(cè)的光信號(hào),高,低,紅光,紅外光,標(biāo)準(zhǔn)化信號(hào)的比例,假設(shè)紅光和紅外光的光路長(zhǎng)度是相等的。,動(dòng)脈血的功能氧飽和度可以通過(guò)計(jì)算測(cè)得的R和表彰的總光的比例從而被理論的推斷出來(lái)。,設(shè)計(jì)考慮 通過(guò)測(cè)量LED關(guān)閉時(shí)的輸出可以消除背景光線的影響 皮膚顏色和厚度對(duì)信號(hào)質(zhì)量 (自動(dòng)增加或增加 LED 的功率)的影響 低灌注導(dǎo)致小脈動(dòng)的組件 體積描記圖顯示信號(hào)的質(zhì)量和脈搏率 探針的移動(dòng)和背景光產(chǎn)生的干擾，電灼器產(chǎn)生的EM 血液中實(shí)物水平能導(dǎo)致錯(cuò)誤的氧飽和度 ( 提高碳氧血紅蛋白的水平, 高鐵血紅蛋白的水平等 。),脈搏血氧儀的校準(zhǔn)曲線: 實(shí)線是朗博比爾定律在理論上的曲線,而虛線是經(jīng)驗(yàn)曲線。這些曲線之間的差異主要

8、是由于光散射的影響。 這個(gè)經(jīng)驗(yàn)校準(zhǔn)曲線由一個(gè)二階多項(xiàng)式所得到, 即SaO2 = K1R2 + K2R +K3.,和標(biāo)準(zhǔn)化吸收的比例,氧飽和度,微處理器,數(shù)/模,模/數(shù),二極管能量控制和選擇,圖形記錄器,光探測(cè)器,發(fā)光二極管,(2) 在血管內(nèi)的對(duì)氧飽和度的測(cè)量,血液的光吸收,吸收量 (光密度) 在任何波長(zhǎng)下都是：,此時(shí) W: 單位體積的血紅蛋白質(zhì)量; L: 光路的長(zhǎng)度; 和 : HbO2 和 Hb的吸收率; 和 ： HbO2 和 Hb的相對(duì)濃度,方法: 一個(gè)血管內(nèi)的光纖導(dǎo)管,目的: 在心臟手術(shù)時(shí)和重癥加護(hù)病房里監(jiān)測(cè)混合靜脈氧飽和度,右側(cè)心臟的高氧飽和度可能表明了心臟和大血管是先天性異常的，或著表

9、明組織氧代謝的能力不足。. 左側(cè)心臟測(cè)得的低飽和度可能表明肺部的充氧能力降低，或者表明心肺系統(tǒng)的血液從肺部運(yùn)輸氧氣的能力不足。 動(dòng)脈系統(tǒng)的低飽和度數(shù)據(jù)表明心輸出量降低或著血液攜帶氧氣的能力減弱。,貝爾朗博定律,and are equal at 805nm, called the isosbestic wavelength. If this wavelength is 2 , then,其中,和,在805nm時(shí)相等稱為等吸收度波長(zhǎng),如果這個(gè)波長(zhǎng)是,因此,When absorbance is measured at a second wavelength 1 , the oxygen saturation is given by, and are constants that depend only on the optical characteristics of blood. In practice, 1 is chosen to be that wavelength at which the difference between and is a maximum, which occurs at 660nm.,當(dāng)吸收度是在第二個(gè)波長(zhǎng) 入1 被