無創(chuàng)傷脈搏血氧飽和度監(jiān)測技術(shù)的研究進(jìn)展

無創(chuàng)傷脈搏血氧飽和度監(jiān)測技術(shù)的研究進(jìn)展

無創(chuàng)靜脈血氧測定法在我國的應(yīng)用情況無創(chuàng)傷脈血氧飽和度監(jiān)測廣泛應(yīng)用于臨床風(fēng)險患者的監(jiān)督、手術(shù)中的麻醉監(jiān)測、手術(shù)后患者的恢復(fù)、呼吸睡眠的研究和社區(qū)醫(yī)療監(jiān)測等領(lǐng)域。具有安全可靠、連續(xù)實(shí)時、無創(chuàng)傷的特點(diǎn)。它對原理的不斷深入研究和測量方法的不斷改進(jìn)促進(jìn)了血氧飽和度儀的發(fā)展。目前，無創(chuàng)傷脈血氧測定法的研究在國內(nèi)外進(jìn)行，具有很高的研究價值和應(yīng)用前景。本文就無創(chuàng)傷反射式脈搏血氧飽和度監(jiān)測的發(fā)展概況、測量原理、新技術(shù)進(jìn)展和血氧監(jiān)測的局限性以及未來的展望做簡要綜述。1血氧飽和度檢測方法無創(chuàng)脈搏血氧飽和度的監(jiān)測技術(shù)的研究早在20世紀(jì)初期就已經(jīng)開始了,在1929年前,美國生理學(xué)家GlenMillian開始研究血紅蛋白血氧反應(yīng),并用“血氧計(Oximeter)”一詞來描述血氧飽和度儀,稱之為“在需要穿透血管的情況下,連續(xù)測量人體內(nèi)動脈血氧飽和度的一種光電測量儀器”。到20世紀(jì)三、四十年代后期,各種血氧監(jiān)測的技術(shù)開始大量涌現(xiàn),但在那時,血氧飽和度儀并沒有獲得實(shí)際的應(yīng)用。在50年代Wood和Coworker描述了一種無創(chuàng)傷檢測血氧飽和度的方法,TakuoAoyagj用Wood法,先在耳垂加壓使其缺血,并測其傳導(dǎo)光線,然后去除耳垂加壓以恢復(fù)其血流,再測其傳導(dǎo)光線。此時,第一個耳垂值是入射光強(qiáng)度,第二個值是透過光強(qiáng)度,計算兩者的比值就是血液的光密度,利用動脈搏動振幅又可測得氧飽和度。所選用的波長是受干擾最小的630nm和900nm。1964年ShawR研制出一種八波長自身調(diào)整血氧計,成為第一種獲得臨床廣泛應(yīng)用的血氧計,如HP47201A型耳血氧計。1974年世界上第一臺脈搏血氧飽和度(SpO2)儀OLV5100問世。1982年,Nellcor研制出一種性能更好的脈搏血氧飽和度儀N-100,并形成了一種標(biāo)準(zhǔn)模式,利用發(fā)光兩極管作為光源、硅管作為光傳感器、微型計算機(jī)進(jìn)行信息處理。到80年代中期,Jobsis、WyattJS及DelpyDT都在研究透射模式的腦血氧監(jiān)測裝置,并初步用于早產(chǎn)兒及新生兒的臨床監(jiān)護(hù)。進(jìn)入90年代,MoCormick利用反射光譜及獨(dú)特的深淺雙光路對比檢測的傳感器設(shè)計,完成了可實(shí)用化的腦血氧飽和度測量裝置的研制,最新的有關(guān)反射型血氧飽和度計的報告是MendelsonY等人在2002年所描述的一種多波長和特別的傳感器結(jié)構(gòu)的反射型血氧飽和度計?？偟膩碚f,相對于透射型(傳輸型)血氧計,在實(shí)踐中的反射型血氧計的臨床數(shù)據(jù)的報告比較少,無論從傳感器的設(shè)計,軟硬件結(jié)構(gòu),還是測量方法等方面值得進(jìn)一步的探索。2監(jiān)測原理與新技術(shù)進(jìn)步2.1hbr的光催化作用目前血氧飽和度儀的測量方法主要是紅外光譜光電法,SpO2是根據(jù)血紅蛋白(Hb)具有光吸收的特性設(shè)計而成。HbO2與HbR對兩個波長的光吸收特性不一樣,HbO2與HbR的分子可吸收不同波長的光線:HbO2吸收紅光,波長為600nm~700nm,而HbR吸收近紅外光,波長為800nm~1000nm,在805nm左右為等吸收點(diǎn)。依據(jù)郎伯——比爾定律(TheLambert-BeerLaw)原理和光散射理論為基礎(chǔ),在透射光法中,如果選用兩個波長的光(通常是660nm和940nm)作為探測源并分別測定兩路透射光最大強(qiáng)度Irdmax和Iirdmax以及由于脈搏搏動而引起透射光強(qiáng)最大變化量△Irdmax和△Iirdmax,通過數(shù)學(xué)計算可得到如下的公式:2.2新技術(shù)進(jìn)步2.2.1光反射傳感器現(xiàn)用的光反射性脈搏血氧飽和度儀的主要原理是通過傳感器局限性地從體表低密度血管分布區(qū)域記錄相對較弱的光體積描記圖(PPGs)。如果設(shè)計一種能在身體不同部位探測到足夠強(qiáng)的反射光體積描記圖,并利用特殊的運(yùn)算處理較弱的和經(jīng)常受干擾的PPGs,這樣光反射性脈搏血氧飽和度儀的本質(zhì)可得到完全改變?，F(xiàn)用的光傳感器是由一個單獨(dú)的光探測器,以及檢測經(jīng)皮膚的反射光和一對紅光和紅外線的發(fā)光雙極體(LEDs)組成。此類傳感器依賴于探頭接觸的解剖組織結(jié)構(gòu)的位置,如果傳感器的位置與組織之間發(fā)生變異,就會導(dǎo)致很大的誤差。為捕捉到大部分的反向散射波,光探測器必須能探測到從中心區(qū)域發(fā)射的光,據(jù)此就設(shè)計出一種新型的光反射傳感器,包括三個LEDs和兩個連續(xù)光探測環(huán),對稱性、等距離地排列在LEDs的中心位置。這種新配置與現(xiàn)用的傳統(tǒng)光探測器相比,能更全面地探測到光體積描記圖。多個光探測器的結(jié)構(gòu)雖然復(fù)雜些,但可加強(qiáng)搜集遠(yuǎn)離光探測儀區(qū)域的額外反向散射波的能力。多波長的新型傳感器具有獨(dú)特的幾何學(xué)結(jié)構(gòu),改進(jìn)辨別光射的能力,排除人為移動或高敏性所致的相對較弱的光體積描記圖,由此可提高氧飽和度讀數(shù)的精確性,也是將來用于臨床監(jiān)測新生兒和胎兒SpO2的重要儀器。2.2.2噪聲基準(zhǔn)選通的dst方法原理Masimo信號萃取技術(shù)與傳統(tǒng)方法不同。今已認(rèn)識到:壓力相對較低的靜脈血對病人活動時所產(chǎn)生干擾影響相當(dāng)敏感。以手指為例,血管床內(nèi)的靜脈血在病人活動時很容易發(fā)生變化,而形成生理信息所在頻帶內(nèi)的明顯噪聲。另外,靜脈血是一種很強(qiáng)的光吸收劑,因此,當(dāng)病人活動時,靜脈血對總光強(qiáng)度可產(chǎn)生明顯噪聲源影響。如果能測定噪聲基準(zhǔn),就可以采用自調(diào)諧噪聲消除器來處理相應(yīng)于靜脈血噪聲源的影響。在生理信號中可檢測到紅光強(qiáng)度Ird與紅外線強(qiáng)度Iir,分別由有用信號部分(Srd,Sir)及無用信號部分(Nrd,Nir)組成。在氧飽和度儀中通常理解為:這兩個有用信號部分(Srd,S1r)彼此間成正比,其比值即為動脈光強(qiáng)度比ra。因此,從紅光產(chǎn)生的生理信號中,減去紅外線產(chǎn)生的生理信號與動脈光強(qiáng)度之比的乘積,其結(jié)果就包含僅有噪聲部分的基準(zhǔn)信號,即為噪聲基準(zhǔn)信號N。氧飽和度選通轉(zhuǎn)換(DST)技術(shù),能夠?qū)⑾鄳?yīng)于動脈氧飽和度的光強(qiáng)度比(ra)與相應(yīng)于靜脈氧飽和度估計值的光強(qiáng)度比(rv)區(qū)分開來,隨后計算出這兩個光強(qiáng)度比(ra和rv)。由光強(qiáng)度比的每一個選定值,計算出相應(yīng)的基準(zhǔn)信號,再由自調(diào)諧噪聲消除器進(jìn)行處理。Masimo萃取技術(shù)的過程可歸納為:(1)對相應(yīng)于氧飽和度1%到100%的每一個光強(qiáng)度比進(jìn)行掃描;(2)通過每一個光強(qiáng)度比計算基準(zhǔn)信號;(3)對每一個基準(zhǔn)信號測定自調(diào)諧噪聲消除器的輸出功率;(4)在DST圖上確定相應(yīng)于動脈氧飽和度的“峰”(最大SpO2值)。MasimoSET氧飽和度儀利用Masimo萃取技術(shù),不需要先提取或決定生理信息中離散的動脈氧飽和度數(shù)據(jù),就可以計算出動脈氧飽和度值,并與心率的計算無關(guān)。它的另一個優(yōu)點(diǎn)是:數(shù)據(jù)尚未清晰時就可以啟動。因此,即使在開機(jī)前病人已有活動,仍然能夠監(jiān)測出動脈氧飽和度和心率。3spo2監(jiān)測的意義目前,脈搏血氧飽和度的監(jiān)測已在手術(shù)室、監(jiān)護(hù)室、急救病房、患者的術(shù)后恢復(fù)和呼吸睡眠的研究以及社區(qū)醫(yī)療監(jiān)護(hù)等方面得到廣泛的應(yīng)用。在麻醉、手術(shù)以及PACU和ICU大量臨床應(yīng)用資料表明,及時評價血氧飽和度和/或亞飽和度狀態(tài),了解機(jī)體氧合功能,盡早發(fā)現(xiàn)低氧血癥,足以提高麻醉和重危病人的安全性;盡早探知SpO2下降可有效預(yù)防或減少圍術(shù)期和急癥期的意外死亡。據(jù)統(tǒng)計,單獨(dú)應(yīng)用SpO2儀可減少40%的麻醉意外,如果與CO2監(jiān)測儀并用則可減少91%的麻醉意外。在手術(shù)室,脈搏血氧飽和度儀可以進(jìn)行連續(xù)氧合估計,特別在對危重病人和不易通氣的手術(shù)中,它能夠快速提供信息。SpO2作為一種無創(chuàng)、反應(yīng)快速、可靠的連續(xù)監(jiān)測指標(biāo),已得到公認(rèn),目前已推廣到小兒病人的呼吸循環(huán)功能監(jiān)測,特別對新生兒、早產(chǎn)兒的高氧血或低氧血癥的辨認(rèn)尤其敏感。因此,連續(xù)監(jiān)測SpO2不僅可及時發(fā)現(xiàn)低氧血癥,正確評價新生兒的氣道處理與復(fù)蘇效果,更可以設(shè)置SpO2高限報警以提供高氧血癥預(yù)報,從而可為新生兒的監(jiān)護(hù)和治療提供重要信息。在其他領(lǐng)域中,SpO2監(jiān)測也能發(fā)揮重要作用,例如在呼吸睡眠的研究中,可以通過對SpO2的監(jiān)測來判斷患者是否有睡眠呼吸暫停綜合癥或夜間低氧飽和度等情況;社區(qū)醫(yī)療的監(jiān)護(hù)過程中及時快速的對SpO2的監(jiān)測,對中風(fēng)病人和心肌梗塞等患者的及時發(fā)現(xiàn)及時治療都有非常重要的意義。因此,脈搏血氧飽和度的監(jiān)測技術(shù)已成為現(xiàn)代醫(yī)療必不可少的監(jiān)測手段之一。4spo2的發(fā)展趨勢自從脈搏血氧飽和度(SpO2)理論建立以來,SpO2值監(jiān)測具有正確、安全、無創(chuàng)、有效、操作簡單、價格適中等優(yōu)點(diǎn),己是手術(shù)室、監(jiān)護(hù)室的基本監(jiān)測手段之一,也用于臨床研究、評價和診斷等領(lǐng)域,為臨床醫(yī)學(xué)做出了重大貢獻(xiàn)。目前,用紅外光譜光電法在無創(chuàng)測量血氧飽和度的應(yīng)用方面已經(jīng)獲得較大的成功,脈搏血氧儀正處在大范圍普及及應(yīng)用階段。Masimo信號萃取技術(shù)等的發(fā)展,將打破技術(shù)上的局限性,使由于病人活動、低灌注、靜脈血壓力波、外界光線干擾等所造成的低信號-噪音比環(huán)境可以減少,使SpO2讀數(shù)偏低或錯誤報警的誤差得到減少。因此說,上述所有監(jiān)測技術(shù)的進(jìn)展以及電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,最終將大大提高SpO2儀的正確性、安全性和性能,同時可提供多變而有價值的臨床信息。此外,在今后醫(yī)療保健社區(qū)化的趨勢下,便攜式脈搏血氧儀在家庭保健和社區(qū)醫(yī)療監(jiān)護(hù)中都將發(fā)揮其重要作用。其中A,B是通過定標(biāo)來確定的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。在反射光法中,根據(jù)文獻(xiàn)報道,血液在波長660nm附近和900nm附近反射之比(ρ660/900)最敏感地反映出血氧飽和度的變化,臨