反射式血氧饱和度无创检测的实验研究

发布时间：2024-11-02

血氧饱和度

第一军医大学

硕士学位论文

反射式血氧饱和度无创检测的实验研究

姓名：于巍

申请学位级别：硕士

专业：生物医学工程

指导教师：邓亲恺

20060518

血氧饱和度

反射式血氧饱和度无创检测的实验研究

硕士研究生：于巍

指导教师：邓亲恺

氧是维持人体生命活动的重要物质，血氧饱和度是衡量人体血液携氧能力本文在深入了解透射式血氧饱和度检测原理及其方法的基础上，利用扩散的正确检出率大大提高；完成了单片机和计算机的串口通讯以及计算机部分的并对该系统进行了全程的定标，并对定标的结果进行了分析，确定了在实际检摘要的重要参数，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、有效的生理参数。目前透射式血氧仪已经成为比较成熟的监护手段，但由于传感器使用范围的限制，在大多数体表部位（如前额、胸部等）需要使用反射式传感器进行血氧饱和度检测，而且国内在反射式血氧测量的研究水平上还处在探索的阶段，如何用无创、经济的方法获得准确、可靠的血氧饱和度值仍是生物医学工程领域不断探索的课题。传输理论推导出了应用反射式传感器对脉搏血氧饱和度检测的计算公式。在此理论的基础上，以ＭＳＰ４３０为开发平台，在硬件电路设计上，采用光调制技术克服背景光和系统固有噪声的干扰；研制了自动增益控制电路，抑制基线漂移，使直流分量平稳；研制了可调积分放大电路，使光电容积脉搏波信号得到了均衡放大；研制了可控截取放大电路，基本解决了信号幅度过大或过小的问题，保证采样到的信号不至于饱和或不足；在软件系统设计上，采用数字滤波和移动平均算法消除噪声，使信号更加平滑和稳定；采用微分阈值法提取光电容积脉搏波的特征点，并运用自适应ＡＲ模型，对微分阈值法进行了改进，使脉搏波软件设计，可实时显示脉搏波信号，对血氧饱和度测量的进一步分析和处理提供了一个很好的平台。在此基础上，研制出了反射式血氧饱和度的检测系统，

血氧饱和度

测中计算血氧饱和度的公式。

本课题应用低功耗的单片机ＭＳＰ４３０，结合硬件电路与软件系统的设计，应用反射式血氧饱和度传感器对血氧饱和度的测量进行了比较深入的探索，并研制出了实验样机，在低功耗、便携化的设计上以及对血氧饱和度研究领域的相关课题，尤其是对反射式血氧饱和度测量的研究上有一定的参考价值。

关键词血氧饱和度透射式反射式自适应ＡＲ模型定标Ｕ

血氧饱和度

ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＳｔｕｄｙｏｎ

Ｎｏｎ．ｉｎｖａｓｉｖｅＲｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ

ＯｘｙｇｅｎＳａｔｕｒａｔｉｏｎＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ

Ｎａｍｅ：ＹｕＷｅｉ

Ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒ：ＤｅｎｇＱｉｎｋａｉ

ＡＢＳＴＲＡＣＴ

Ｏｘｙｇｅｎｉｓｔｈｅｋｅｙｍａｔｅｒｉａｌ

ｉｍｐｏｒｔａｎｔｐａｒａｍｅｔｅｒｓ

ｎｏｎ—ｉｎｖａｓｉｖｅｔｏｈｕｍａｎ’Ｓｌｉｆｅ，ａｎｄｏｘｙｇｅｎｓａｔｕｒａｔｉｏｎｉｓｏｘｙｇｅｎｄｅｌｉｖｅｒｙａｂｉｌｉｔｙｉｎｈｕｍａｎ’Ｓｏｎｅｏｆｔｈｅｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇｏｘｙｇｅｎｂｌｏｏｄ．Ｔｈｅｄｅｔｅｃｔｉｎｇｓａｔｕｒａｔｉｏｎｐｒｏｖｉｄｅｓｑｕｉｃｋｌｙ，ｄｉｒｅｃｔｌｙ，ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙ

ａｓａｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｔｏｄｏｃｔｏｒｓ．Ｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅｏｘｉｍｅｔｒｙｉｓｗｅｌｌｄｅｖｅｌｏｐｅｄ

ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｕｓｉｎｇｓｃｏｐｅｏｆｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ

ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅｏｘｉｍｅｔｒｙｉｓｎｅｃｅｓｓａｒｙｉｎｓｏｍｅ

ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅｌｅｖｅｌｏｆｓｔｕｄｙ

ｏｕｒｏｎｓｅｎｓｏｒｉｓｌｉｍｉｔｅｄ，ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅｓ（ｅｇ：ｆｏｒｅｈｅａｄ、ｃｈｅｓｔｅｔｃ），ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅｏｘｙｇｅｎｓａｔｕｒａｔｉｏｎｄｅｔｅｃｔｉｎｇｉｓｔｈｅｔｏｐｒｉｍａｒｙｐｈｒａｓｅｉｎｃｏｕｎｔｒｙ，ｈｏｗｇｅｔａｎｅｘａｃｔａｎｄｄｅｐｅｎｄａｂｌｅｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅｏｘｙｇｅｎ

ｓａｔｕｒａｔｉｏｎｖａｌｕｅｂｙｎｏｎ—ｉｎｖａｓｉｖｅａｎｄｅｃｏｎｏｍｉｃｍｅａｎｓｉｓａｌｗａｙｓｃｏｎｃｅｒｎｅｄｂｙｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓｉｎｂｉｏｍｅｄｉｃａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．

Ａｔｆｉｒｓｔ，ｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄ

ｄｅｅｐｌｙｔｅｃｈｎｉｑｕｅｉｎｔｈｉｓｏｆｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅｏｘｙｇｅｎｏｘｙｇｅｎｓａｔｕｒａｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｉｓａｎａｌｙｚｅｄ

ａｐｐｌｙｉｎｇｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ

Ｂａｓｅｄｏｎｓｅｎｓｏｒｐａｐｅｒ，ａｎｄｓａｔｕｒａｔｉｏｎｆｏｒｍｕｌａｉｓｄｅｄｕｃｅｄｂｙｍｅａｎｓｏｆｔｈｅｄｉｆｆｕｓｅｔｒａｎｓｐｏｒｔｔｈｅｏｒｙ．ｔｈｅＭＳＰ４３０ａｓｔｈｉｓｔｈｅｏｒｙ，ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｐｌａｔｆｏｒｍ，ｏｎｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｈａｒｄｗａｒｅｓｙｓｔｅｍ，ｗｅａｐｐｌｉｅｄｔｈｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅｏｆｔｈｅｍｏｄｕｌａｔｅｄｌｉｇｈｔｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｌｉｍｉｎａｔｅｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｌｉｇｈｔａｎｄｔｈｅｉｎｈｅｒｅｎｔｎｏｉｓｅｏｆｓｙｓｔｅｍ；ｄｅｖｅｌｏｐｅｄｔｈｅａｕｔｏ－ｇａｉｎｃｏｎｔｒｏｌｃｉｒｃｕｉｔｉｎｏｒｄｅｒｔｏｍａｋｅｔｈｅｂａｓｅｌｉｎｅｏｆｓｉｇｎａｌｔｏｂｅｓｔｅａｄｙ；ａｐｐｌｉｅｄｔｈｅａｄｊｕｓｔａｂｌｅｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇａｍｐｌｉｆｉｅｒｔｏｍａｋｅｔｈｅｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｐｌｅｔｈｙｓｍｏｇｒａｐｈｙｓｉｇｎａｌｔｏｂｅａｍｐｌｉｆｉｅｄｕｎｉｆｏｒｍｌｙ；ｄｅｖｅｌｏｐｅｄｔｈｅａｄｊｕｓｔａｂｌｅｃｏｎｔｒｏｌｉｎｔｅｒｃｅｐｔｃｉｒｃｕｉｔｔｏｓｏｌｖｅ

血氧饱和度

ｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｔｈｅｓｉｇｎａｌｉｓｔＯＯｈｉｇｈｏｒｔｏｏｌｏｗ；ｏｎｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｓｏｆｔｗａｒｅｓｙｓｔｅｍ，ｗｅａｐｐｌｉｅｄｔｈｅｄｉｇｉｔａｌｆｉｌｔｅｒａｎｄｍｏｖｉｎｇａｖｅｒａｇｅａｒｉｔｈｍｅｔｉｃｔｏｅｌｉｍｉｎａｔｅｔｈｅｎｏｉｓｅｏｆｓｉｇｎａｌａｎｄｍａｋｅｉｔｓｔｅａｄｙａｎｄｓｍｏｏｔｈｎｅｓｓ；ａｐｐｌｉｅｄｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｍｅｔｈｏｄｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｐｏｉｎｔｓｏｆｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｐｌｅｔｈｙｓｍｏｇｒａｐｈｙｓｉｇｎａｌ，ａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｄｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｍｅｔｈｏｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｔｈｅａｕｔｏｒｅｇｒｅｓｓｉｖｅｍｏｄｅｌａｎｄｔｈｅｒａｔｉｏｏｆｃｏｒｒｅｃｔｄｅｔｅｃｔｉｏｎｉｓｉｍｐｒｏｖｅｄｂｙｔｈｅ

ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ

ＲＳ２３２ａｎｄｔｈｅｂｅｔｗｅｅｎｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐｕｓｅｏｆｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄ；ｔｈｅｓｅｒｉａｌａｎｄｃｏｍｐｕｔｅｒｖｉａｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ－ＭＳＰ４３０ｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄｏｆｃｏｍｐｕｔｅｒｂｙｔｈｅｖｉｒｔｕａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｗｏｒｋｂｅｎｃｈ

ｃａｎＬａｂＶＩＥＷｐｒｏｇｒａｍａｒｅｆｉｎｉｓｈｅｄ，ｉｔｄｉｓｐｌａｙｔｈｅｓｉｇｎａｌｒｅａｌｔｉｍｅ，ａｎｄｐｒｏｖｉｄｅｔｈｅ

ｐｌａｔｆｏｒｍｔｏａｎａｌｙｚｅａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｔｈｅｓｉｇｎａｌｏｆｔｈｅｐｕｌｓｅｗａｖｅｆｏｒｍ．Ｏｎｔｈｉｓｇｒｏｕｎｄｗｏｒｋ，ｗｅｒｅｓｅａｒｃｈｅｄｔｈｅｓｙｓｔｅｍｏｆＲｅｆｌｅｃｔａｎｃｅＯｘｙｇｅｎｓａｔｕｒａｔｉｏｎＤｅｔｅｃｔｉｎｇｂａｓｅｄｏｎＭＳＰ４３０，ａｎｄｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅｄｅｔｅｃｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｉｓｃａｌｉｂｒａｔｅｄａｆｔｅｒｓｙｓｔｅｍ

ｃｕｒｖｅｄｅｂｕｇｇｉｎｇｗａｓｆｉｎｉｓｈｅｄ，ａｎｄａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ

ｓｃｏｐｅｆｒｏｍ３５ｐｅｒｃｅｎｔｔｏ１００ｐｅｒｃｅｎｔ，ａｎｄ

ｐｒａｃｔｉｃｅｉｓａｓｃｅｒｔａｉｎｅｄ．

Ｈａｒｄｗａｒｅｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｓｙｓｔｅｍ

ｓｅｎｓｏｒｏｆｏｘｙｇｅｎｓａｔｕｒａｔｉｏｎｏｘｙｇｅｎｓａｔｕｒａｔｉｏｎｆｏｒｍｕｌａａｐｐｌｙｉｎｇｄｅｓｉｇｎｅｄｗｉｔｈＭＳＰ４３０，ａｐｐｌｙｉｎｇｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅｍｙｐａｐｅＬａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｅｄｔｏｄｅｔｅｃｔｏｘｙｇｅｎｓａｔｕｒａｔｉｏｎｉｓｆｕｌｆｉｌｌｅｄｉｎａｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｐｐａｒａｔｕｓ．Ｉｎｌｏｗｐｏｗｅｒａｎｄｐｏｒｔａｂｌｅｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｏｘｙｇｅｎｓａｔｕｒａｔｉｏｎｆｉｅｌｄ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｓｔｕｄｙｔｏｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅｏｘｙｇｅｎｓａｔｕｒａｔｉｏｎｄｅｔｅｃｔｉｎｇ，ｉｔｈａｓａｇｒｅａｔｏｆｒｅｆｅｒｅｎｃｅｖａｌｎｅ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｏｘｙｇｅｎ：ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ；ｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ：ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ；ａｕｔｏｒｅｇｒｅｓｓｉｖｅｍｏｄｅｌｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ

血氧饱和度

硕士学位论文

第一章绪论

１．１血氧饱和度的生理学基础及其研究的意义

氧是维持人体生命的重要物质，人体组织细胞进行新陈代谢所需要的氧是从血液中获得的，在吸气过程中，空气中的氧进入气管并被运输到肺泡中，再经过气体交换进入血液，并随动脉血的流动向全身各组织器官输送，在组织内的毛细血管网处，血液中的氧与血液分离，供给组织细胞维持生命活动所需的氧（如下图卜１所示）“１。

消化后得刊的

小分子营养物

泌

图１—１气体交换不意图

Ｆｉｇ１—１ｄｉａｇｒａｍｏｆｂｒｅａｔｈｅｘｃｈａｎｇｅ

氧进入血液后大约有２％溶解在血浆中，血液中的氧绝大部分是与血浆中的血红蛋白分子结合成氧合血红蛋白（ＨｂＯ。），没有与氧结合的血红蛋白分子称为还原血红蛋白（ＨｂＲ）。这些氧通过动脉系统一直到达毛细血管，然后将氧释放，维持组织细胞的新陈代谢。血氧饱和度用以表示血液中氧的浓度，它是被氧结合的氧合血红蛋白（ＨｂＯ。）的容量占全部血红蛋白（Ｈｂ）的容量的百分比”３，即：

ｓＤ，：丝垡。１００％。

‘ＨｂＯ，＋ＨｂＲ（１一１）

血氧饱和度

第一章绪论

氧是生命活动的基础，缺氧是导致许多疾病的根源，而较为普遍的病症如慢性低血氧症，脑与心血管供血不足以及运动后的疲劳等生理和病理现象都与人体氧含量有直接关系，严重时直接威胁人的生命，血氧饱和度是监测人体携带氧的能力的重要生理参数，通过对血氧饱和度的监测可对人体携带氧的能力进行估计。在临床实践中，早期常用的是有创的方法，虽然这种方法测出的血氧饱和度较为准确，但这种方法需要动脉穿刺或者插管，对病人有痛苦，并且不能连续测量，在病人处于危险状况时，就不容易使病人得到及时的治疗。因此采用无损伤性的快速准确的检测方法来监测血的氧合程度，便具有广泛而实际的意义。

１．２脉搏血氧饱和度测量仪的发展概况、应用现状及未来展望１．２．１无创伤脉搏血氧饱和度测量仪的发展概况

无创脉搏血氧饱和度的监测技术的研究早在２０世纪初期就已经开始了，依据郎伯——比尔定律（ＴｈｅＬａｍｂｅｒｔ—ＢｅｅｒＬａｗ）原理为基础的测量血氧饱和度的分光光度法通常可分为透射光法和反射光法。在１９２９年前，美国生理学家ＧｌｅｎＭｉｌｌＪａｎ开始研究血红蛋白血氧反应。１，并用“血氧计（Ｏｘｉｍｅｔｅｒ）”一词来描述血氧饱和度仪“’“，称之为“在需要穿透血管的情况下，连续测量人体内动脉血氧饱和度的一种光电测量仪器”。到２０世纪三、四十年代后期，各种血氧监测的技术开始大量涌现“１，但在那时，血氧饱和度仪并没有获得实际的应用。在５０年代Ｗｏｏｄ和Ｃｏｗｏｒｋｅｒ描述了一种无创伤检测血氧饱和度的方法“‘“，１９６４年ＳｈａｗＲ研制出一种八波长自身调整血氧计，成为第一种获得临床广泛应用的血氧计，如ＨＰ４７２０１Ａ型耳血氧计。１。１９７４年世界上第一台脉搏血氧饱和度（Ｓｐ００仪ＯＬＶ５１００问世。１９８２年，Ｎｅｌｌｃｏｒ研制出一种性能更好的脉搏血氧饱和度仪Ｎ一１００，并形成了一种标准模式——利用发光二极管作为光源、光敏二极管或光敏三极管作为光传感器、微型计算机进行信息处理。到８０年代中期，ＪｏｂＷｙａｔｔｓｉｓ、Ｊｓ及ＤｅｌｐｙＤＴ都在研究透射模式的脑血氧监测装置，并初步用于早产

血氧饱和度

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儿及新生儿的临床监护“”“１。以上所介绍的测量血氧饱和度的方法都是透射光法。但由于透射型血氧仪的光传感器安放的位置比较单一，不可能监测人体多个部位的血氧饱和度（如前额、胸部、背部等部位），尤其是对新生儿和胎儿血氧的监测等方面有其自身的局限性，因此在探索透射型血氧仪的同时，有很多的科研机构和研究人员开始了对反射型血氧仪的研究。１９４９年，Ｂｒｉ＠ｍａｎ和Ｚｉｌｊｓｔｒａ报告了血红素反射型血氧计的使用“…；１９６２年““，Ｐｏｌａｙｉ和ｈｅｈｉｒ使用光导纤维，用选定的二个光波长照射血流，用反射光确定血氧饱和度公式，测量体内血氧饱和度，建立了现代反射型血氧计测量的基础：１９７５年““，Ｒｏｎａｌｄ等人描述了一种眼睛血氧计；１９８０年”…，Ｔａｋａｔａｎｉ等人描述了一种多波长的非损伤性反射型血氧计；进入９０年代，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，完成了可实用化的脑血氧饱和度测量装置的研制“７。”１，最新的有关反射型血氧饱和度计的报告是ＭｅｎｄｅｌｓｏｎＹ等人“”在２００２年所描述的一种多波长和特别的传感器结构的反射型血氧饱和度计。总的来说，相对于透射型（传输型）血氧计，在实践中的反射型血氧计的临床数据的报告比较少，无论从传感器的设计，软硬件结构，还是测量方法等方面值得进一步的探索。

１．２．２无创伤脉搏血氧饱和度测量仪的应用现状。“！

目前，脉搏血氧饱和度的监测已在手术室、监护室、急救病房、患者的术后恢复和呼吸睡眠的研究以及社区医疗监护等方面得到广泛的应用。在麻醉、手术以及ＰＡＣＵ和ＩＣＵ大量临床应用资料表明，及时评价血氧饱和度或亚饱和度状态，了解机体氧合功能，尽早发现低氧血症，足以提高麻醉和危重病人的安全性；尽早探知ＳｐＯ：下降可有效预防或减少围术期和急症期的意外死亡。据统计，单独应用ＳｐＯ。仪可减少４０％的麻醉意外，如果与ｃ０：监测仪并用则可减少９１％的麻醉意外。在手术室，脉搏血氧饱和度仪可以进行连续氧合估计，特别在对危重病人和不易通气的手术中，它能够快速提供信息。ＳｐＯ：作为一种无创、反应快速、可靠的连续监测指标，已得到公认，目前己推广Ｎｄ＇Ｊｂ病人的呼吸

血氧饱和度

第一章绪论

循环功能监测，特别对新生儿、早产儿的高氧血或低氧血症的辨认尤其敏感。因此，连续监测ＳｐＯ。不仅可及时发现低氧血症，正确评价新生儿的气道处理与复苏效果，更可以设置ＳｐＯ。高限报警以提供高氧血症预报，从而可为新生儿的监护和治疗提供重要信息。在其他领域中，ＳｐＯ：监测也能发挥重要作用，例如在呼吸睡眠的研究中，可以通过对ＳｐＯ。的监测来判断患者是否有睡眠呼吸暂停综合症或夜间低氧饱和度等情况；社区医疗的监护过程中及时快速的对ＳｐＯ。的监测，对中风病人和心肌梗塞等患者的及时发现及时治疗都有非常重要的意义。因此，脉搏血氧饱和度的监测技术已成为现代医疗必不可少的监测手段之一。１．２．３无创伤脉搏血氧饱和度测量仪应用的未来展望

自从脉搏血氧饱和度（ＳｐＯ：）理论建立以来，ＳｐＯ：值监测具有正确、安全、无创、有效、操作简单、价格适中等优点，己是手术室、监护室的基本监测手段之一，也用于临床研究、评价和诊断等领域，为临床医学做出了重大贡献。目前，用红外光谱光电法在无创测量血氧饱和度的应用方面己经获得较大的成功，脉搏血氧仪正处在大范围普及及应用阶段。但是，由于工程学和生理学存在一定的局限性，评价ＳｐＯ：值的正确性和可靠性仍然是重要的研究课题。近年研究建立的多种波长光度测定理论与实践，将打破目前利用红光和红外线两种波长的局限性，使测定血ＣＯＨｂ和ＭｅｔＨｂ值成为可能，从而可减少因ＣＯＨｂ和ＭｅｔＨｂ浓度异常病理状态所引起的ＳｐＯ：读数错误。Ｍａｓｉｍｏ信号萃取等技术的发展，将打破技术上的局限性，使由于病人活动、低灌注、静脉血压力波、外界光线干扰等环境因素所造成的低信噪比可以减少，使ＳｐＯ：读数偏低或错误报警的误差得到减少。实验室病人模拟装置的进一步研究，能够为评价血氧饱和度仪的正确性和可靠性提供有效的模型。因此，上述所有监测技术的进展以及电子技术、计算机技术、单片机技术的快速发展，最终将大大提高ＳｐＯ。仪的正确性、可靠性，同时可提供多变而有价值的临床信息。此外，在今后医疗保健社区化的趋势下，便携式脉搏血氧仪在家庭保健和社区医疗监护中都将发挥其重要作用。４

血氧饱和度

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第二章脉搏血氧饱和度测量的理论基础

利用光学方法进行生物组织的无损伤检测目前有光谱学和光成像学两种方法，其基本原理是根据组织对光的固有特性，利用光在组织中传播的效应来获取生物组织生理的、代谢的和结构的有用信息，为临床实践和理论研究提供方便可靠的指标。这种方法具有安全、可靠、连续及无损伤的特点，因而具有广泛的研究和应用前景。利用光谱学方法研究生物组织最具有应用意义的课题之一是监测和评估人体组织氧化代谢能力。定量确定组织在红光和近红外光光谱区的特性在医学领域有重要意义。

２．１透射式血氧饱和度检测原理“’２２

当用单色光垂直照射透过人体手指末端时，若在另一端用光电管接收（光电

透射光弪度Ｉ…ｅｉｎ’蝴

盛搏鞋动使动甓血箍增

加时引起的光吸收支化

动脉血

营量血

组织

时同透射光

入射光ｔ，ｔｆｆ十ｆｔｆ，ｔ

图２－１手指对红外光的吸收观察

Ｆｉｇ２－１ｏｂｓｅｒｖｅｄｏｆｆｉｎｇｅｒａｂｓｏｒｂｅｎｃｙｉｎｉｎｆｒａｒｅｄｒａｙ

管输出的电流与光强成正比），则发现光的强度明显减弱，用滤波器滤波后的电流可分为两部分：一部分为直流量（Ｄｃ），一部分为交流量（Ａｃ）．进一步观察发现

血氧饱和度

第二章脉搏血氧饱和度测量的理论基础

交流成分的波峰与波谷对应的是心血管系统的收缩与舒张，因此它对应的是动脉血液中脉动的部分（如图２－１所示）。１。而要分析的血氧饱和度正是动脉管血液中的，这是一个与时间相关的量，而其余部分与时间无关。进一步的实验（有创实验分析）可观察发现氧合血红蛋白（ＨｂＯ。）与还原血红蛋白（ＨｂＲ）对红光与红外光的吸收不一样。这些实验说明可以用光学的方法实现对血氧饱和度的无创检测。

依据郎伯一比尔定律（Ｌａｍｂｅｒ—Ｂｅｅｒ）和光散射理论可知，当波长为＾的单色光照射在某物质的溶液上时，透射光强Ｉ与发射光强Ｉ。之间有如下关系：

Ｉ＝ＩｏｘｌＯ一“（２—１）

（２—２）或ｌｇ（１。／Ｉ）；ＥＣＬ

式中，Ｅ为消光系数，Ｃ为溶液浓度，Ｌ为光路长度，ｌｇ（Ｉ。／ｉ）为光密度或吸光度。

假设Ｅ。、Ｃ．分别为动脉血液中Ｈｂ０。的吸光系数和浓度；Ｅ２、ｃ：分别是ＨｂＲ的吸光系数和浓度；Ｌ是动脉血液的光路长度：Ｆ是皮肤、肌肉、指角和静脉血液等其它组织的吸光率，那么当采用波长为＾光强为Ｉ。的近红外光垂直照射人体手指末端组织时，按照郎伯一比尔定律，通过组织透射光的强度为：

Ｉ＝Ｉｏ×ＦｘｌＯ一‘５１ｑ＋５２。２’‘＝Ｉ；ｘ１０一‘目ｑ＋６２岛’‘

由式（２－３）可得动脉血液的吸光度为（２—３）

Ｗ＝ｌｇ（／彳／＇ｏ）一一（Ｅ１Ｃ１＋Ｅ２Ｃ２）Ｌ

即Ｉ；＝ＦＩ。不变，Ｅｈｌｔｆ，Ｂｌ起动脉血液吸光度变化为：

ＡＷ。ｌｇ“，一△，）／』；）＝一（Ｅ１Ｃ１＋￡２Ｃ２）ａＬ（２—４）当手指动脉搏动时，动脉血液光路长度发生变化，而其他组织的吸光率Ｆ不变，（２—５）

而血氧饱和度（Ｓｐ０：）定义为血液中氧合血红蛋白（ＨｂＯ：）浓度Ｃ。和总的血红蛋白浓度（Ｃ１＋Ｃ２）之比，即石导ｉ。因此，由式（２＿５’可求得动脉血液中的血氧饱和度为：

血氧饱和度

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勋Ｄ，：』Ｌ：１２

Ｃ１＋Ｃ２二垒兰一一三一（Ｅｌ—Ｅ２）（Ｃ１＋ｃ２）ａＬＥ１一Ｅ２（２—６）

从式（２—６）可以看出，Ｓｐ０２Ｒ－与（ｃｌ＋Ｃ２）和ＡＬ有关，为了消除这两个参数，在采用另一路波长为＾’的红色光对手指组织同时进行透射和测量，可得到类似的公式观＝矗５

驴２萨Ｅ斋Ｃ）Ａｔ一鑫Ｅ（：一Ｅ；）（ｃ。＋：（２＿）Ｅ：一：式中Ｅ：、Ｅｉ分别是动脉血液中Ｈｂ０２；｝１１ＨｂＲ对波长＾的吸光系数。联立式（２—６）和式（２－７）可得：２ｉ丽Ａ－西－ｃ＂２Ｅｒ，

（２—８）

（Ｅ２一Ｅ１）二；告７一（￡；一Ｅ：）

这就是测量血氧饱和度的光学理论基础。

三

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波长（微米）

图２－２还原血红蛋白和氧合血红蛋白在红光和红外光谱区的吸收系数曲线

Ｆｉｇ２－２ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｃｕｒｖｅｏｆＨｂＲａｎｄＨｂ０２ｉｎｒｅｄａｎｄｉｎｆｒａｒｅｄｓｐｅｃｔｒｕｍ

目前透射式脉搏血氧饱和度仪的测量方法主要是红外光谱光电法一双波长测量法，Ｓｐ０２是根据血红蛋白（Ｈｂ）具有光吸收的特性（如图２－２所示）‘２］

血氧饱和度

第二章脉搏血氧饱和度测量的理论基础

设计而成。从氧合与还原血红蛋白Ｈｂ０２与ＨｂＲ对红光和红外光的吸光系数曲线的分析可以看出：Ｈｂ０２与ＨｂＲ对两个波长的光吸收特性不一样，Ｈｂ０２与ＨｂＲ的分子可吸收不同波长的光线：Ｈｂ０２吸收红光，波长为６００ｎｍ～７００ｎｍ，而ＨｂＲ吸收近红外光，波长为８００ｎｍ～１０００ｎｍ，在８０５ｎｍ左右为等吸收点。根据分光光度计比色原理，一定量的光线传到分光光度计探头，光源和探头之间随着动脉搏动性组织而吸收不同的光量（无搏动的皮肤和骨骼则无吸收光量的作用）。搏动性组织吸收的光量转变为电信号，传入血氧饱和度仪，通过模拟计算机以及数字微处理机，将光强度数据转换为搏动性的Ｓｐ０２百分比值。为此，采用红光、近红外光作为探测源，由式（２－８）可知，当近红外光波长＾＝８０５ｎｍ时，Ｅｌ＝Ｅ２＝Ｅ，那么式（２－８）可简化为：

溉一蔫＋鑫一筹椰

的变化量分别为：．ＡＷ’浯。，其中Ａ、Ｂ为常数。当动脉血管搏动时，透射的红光及红外光的光强由最大值Ｉｒｄ。。ｌｈｄｍａｘ减少到Ｉｒｄｍａｘ—ＡＩｒｄ。。Ｌｒｄ。。一△ｌ湘。ａｘ，由此而引起红光和红外光吸光度

ＡＷ。ｌｇ出辱坐哟（２一ｉ０）

△∥，。ｌｇ芦业芒铀』ｉ““ｉ，ｄｍｌ（２—１１）

将式（２－１０）、（２－１１）代入式（２—９），并考虑ＡＩｒｄ。√Ｉ。ｄｍ。和Ｉｈｄｍ。／△ＩⅫ。。远小于１，故将分子和分母中的对数项按级数展开后，取级数的第一项近似可得：

ＳｐＤ，。彳！鲤二笪型些！！型些２＋Ｂ。爿笪型坚［血婴＋占（２－１２）ｄ）‘Ｉｇ（１一△，¨。…／ｌｉ△，“一／‰一

由此可以看出，只要测定两路透射光最大光强Ｉ山缸、ｋｄ。。及由于脉搏搏动而引起的透射光强最大变化量△Ｉｒｄ。缸、△Ｉｈｄ。。，代入上式就可以算出动脉血液的血氧饱和度，其中Ａ、Ｂ是通过定标来确定的经验系数。

血氧饱和度

硕士学位论文

２．２反射式血氧饱和度检测原理

透射检测方式的血氧饱和度检测中光检测器与光敏二极管在被检测部位的两侧，主要接收的是穿透组织透射过来的光，而反射式血氧饱和度检测中光检测器与光敏二极管均置于被检测部位的同一表面上，主要接收的是在组织中反射过来的光，如图２—３所示“３１。光在生物组织中的传播规律可用传播理论的粒

Ｐｒｏｂｅ

Ｒｅｆｌｅｔａｌｒｌｃｅ

Ｏｘｉｍｅｔｒｙ

参

ｓｋｉｎｎ””５唧ｈｓｕｒｆａｃｅ

图２－３反射式血氧仪的原理不意图

Ｆｉｇ２－３ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｄｉａｇｒａｍｏｆｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅｏｘｉｍｅｔｒｙ

子描述来说明，依据光的扩散传输理论，光子的传播行为可以用组织光学特性参数来描述，这些特性参数定量的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等。

９０年代初Ｓｅｖｉｃｋ和Ｃｈａｎｃｅ等人针对近红外光谱法在组织血氧饱和度检测领域的应用的发展，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。“；９０年代末，Ｌａｇｏ及Ｌｕｇａｒａ等人认为时域光谱技术中得出的结论可以推广应用至以Ｌａｍｂｅｒｔ—Ｂｅｅｒ定律为基础的连续光谱技术中”５’２…，Ｃａｓａｖｏｌａ和Ｃｉｃｃｏ等人分别将时域和频域光谱技术的理论尝试应用于实际检测中”７。２…。在上述理论以及实践的指导下，考虑采用扩散传输理论（ｄｉｆｆｕｓｅｔｒａｎｓｐｏｒｔ

血氧饱和度

第二章脉搏血氧饱和度测量的理论基础

ｔｈｅｏｒｙ）来解释光在组织中的行为，并用此理论对反射式血氧饱和度检测原理进行推导“”。

根据Ｌａｍｂｅｒｔ—Ｂｅｅｒ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ｕ。：

肛。＝一圭ｔｎ；ｒ－＝ｅＣｃｚ一ｓ，

其中，ｅ为吸光系数；Ｃ为吸光物质浓度；Ｉ。和１分别为入射光和检测到的光强；ｕ。是吸收系数，即光子在单位路径内被吸收的概率。

根据扩散传输理论得到组织或浑浊介质中位置ｒ处时间ｔ时的通用光子扩散方程为：

三毒！妒（ｒ，ｆ）一ＤＶｚ妒（ｒ，ｆ）＋ｐ。≯（ｒ，ｆ）：ｓ（ｒ，ｆ）（２—１４）

Ｃ口‘

其中由（ｒ，ｔ）为（ｒ。ｔ）点处的光密度，ｐ。为吸收系数，Ｓ（ｒ，ｔ）为光源量，Ｃ为光子行进速度（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ａｍ；对光子迁移来说，扩散系数等于下式：

Ｄ＝１———二———１３ｋ。＋（１一占）∥，Ｊ（２一１５）

其中，ｕ。是散射系数，ｇ为散射角余弦的平均值，称为散射各向异性因子；（卜ｇ）ｐ。项称为有效散射系数或等效各向同性散射系数。公式（２－１３）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。