基于容积波分析的血氧饱和度测量系统.pdf
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第39卷第2期2009年2月激光与红外IASERINFRAREDV0139,No2February,2009文章编号:
1001-5078(2009)02-0169-04基于容积波分析的血氧饱和度测量系统刘光达,郭维,朱平,白明明(吉林大学仪器科学与电气工程学院,吉林长春130061)红外技术摘要:
基于光电容积脉搏波原理,利用红光和近红外光两种波长的半导体激光光源,对人体手指末端做透射吸收测量,在心脏的周期性收缩和舒张作用下,得到交、直流容积波信号,根据血液中氧合血红蛋白(HbO:
)和还原血红蛋白(Hb)对这两种波长光能量的吸收差异,建立差分方程,通过数学解析计算得到血氧饱和度数值,实现了人体血氧饱和度的无创和连续测量。
关键词:
血氧饱和度;容积脉搏波;半导体激光;脉率;血氧饱和度系数中图分类号:
R31851文献标识码:
ABloodOxygenSaturationMeasurementBasedOilVolumeSignalAnalysisLIUGuangda,GUOWei,ZHUPing,BAIMingming(CollegeofInstnLmentationandElectricalEngineering,JilinUniversity,Changchun130061,China)Abst髓d:
Asimportantphysicalhealthparametersofhumanbody。
bloodoxygensaturationandpulsehaveclosereh-tionship硒tlIcardio-pulmonary,respiratory鹪wellcirculatorysystemConcerningbloodoxygensaturationcontinu-OUSandnoninvasivedetectionc蚰tbereachedbyinvasivedetectiontechniqueByscanningbloodvolumepulsefig-hal,twolagerdimeswithdifferentwavelengthwereusedtoobtaintheabsorptiondifferencebetweenoxidizedhemoglo-bin(Hb02)andreducedhemoglobin(Hb)Withtheresultoffingertransmissiondetection,thevalueofbloodoxygensaturationcouldbetalculatedKeywords:
bloodoxygensaturation;volumesignal;laserdiode;pulse;bloodoxygensaturationcoefl3cient1引言人体血液中血红蛋白的主要功能是运输氧气和二氧化碳,并且对血液的酸碱度起平衡作用。
一共存在四种血红蛋白,即氧合血红蛋白(HbO:
)、还原血红蛋白(Hb)、碳氧血红蛋白(CoHb)和高铁血红蛋白(MetHb)。
在心脏的收缩和舒张过程中,血液呈脉动状地流经肺部,造成一定含量的还原血红蛋白与肺泡中的氧气结合,生成氧合血红蛋白。
这些氧成分通过动脉系统一直到达毛细血管,然后被释放,从而维持人体组织细胞的正常代谢。
在医学科学中,描述血液中氧含量大小的物理量是血氧饱和度(SaO:
),它是指在全部血容量中,与还原血红蛋白结合的氧容量占全部可结合氧容量的百分比,用数学公式表达如下:
HbOSa022而赢100
(1)医学临床上,对人体血氧饱和度及其外围血液循环状况的监测是非常重要的内容。
人体的外围血液循环状况可以通过动脉脉搏波和静脉回流容积波基金项目:
吉林省科技发展计划项目(No20070333)资助。
作者简介:
刘光达(1964一),男,教授。
研究方向为光电仪器设计。
Email:
gdliujlueducn收稿日期:
2008-07-29万方数据170激光与红外第39卷表现。
作为反映人体状态的重要信息,其检测结果可以用来诊断某些疾病,如动脉硬化、高血压、肠管炎和末梢循环障碍等。
血氧饱和度数值更是与心肺功能及呼吸、循环系统等有着直接的关联关系,对其进行监测在手术麻醉、医疗监护、运动和睡眠过程研究,以及氧疗中都有着非常重要的作用以】。
从测量原理上划分,血氧饱和度的测量方法可归纳为有创测量和无创测量两种。
其中,有创血氧饱和度测量方法,虽然精度较高,可以满足临床使用的要求,但由于不能进行连续的血氧测量,甚至容易给患者造成痛苦和伤口感染,而且在仪器构成上,具有体积庞大和价格昂贵的缺点,从而限制了它的应用。
鉴于有创血氧饱和度测量存在的明显缺点,长期以来,人们一直在研究利用光学原理对血氧饱和度进行非接触、无创伤测量的光电检测方法,并且力图实现测量仪器的小型化,和在现场的可操作性3一引。
2光电容积脉搏波扫描法21基本原理光电容积脉搏波扫描法是借助光电技术手段,在活体组织中检测血液容积变化的一种无创伤检测方法。
当利用一束特定波长的光束照射到人体指端皮肤表面,并以透射或反射方式传送到光电接收器时,由于受到指端皮肤、肌肉和血液等成分的吸收作用,检测器检测到的入射光强度发生了衰减。
其中,皮肤、肌肉等组织对入射光的吸收在整个血液循环过程中保持恒定不变,因此这些来自非脉动的静脉血部分、毛细血管,以及肌肉组织等部分的光吸收成分称作容积脉搏血流的直流分量。
此外,由于皮肤内的血液容积在心脏的作用下呈周期性的脉动变化,即当心脏发生收缩时,其外围的血容量最多,光被吸收的也最多,检测到的光强度最弱;当心脏处于舒张状态时,情况正相反,检测到的光强度最强。
这样,在心脏的交替收缩和舒张过程中,光电接收器接收到的光强信号随之呈脉动性周期变化,代表了容积脉搏血流的交流分量。
从以上分析看到,容积脉搏血流中包含了心搏功能、血液流动等诸多心血管系统的重要生理信息。
在利用光电容积脉搏波扫描法进行血氧饱和度测量和分析时,通过对上面提到的容积脉搏血流的交、直流成分进行测量,即可以得到容积脉搏波信号,如图1所示(为观察方便,图中将交流成分加以放大)6-U。
图1血容积脉搏波信号波形图当光强为厶的特定波长入射光照射到人体指端时,光的吸收变化主要是由还原血红蛋白Hb和氧合血红蛋白Hb02引起【8J。
根据LambertBeer吸收定律,其透射光强可以写成:
,=loeaoCoLoP一。
t002。
rib02eFHb。
HbL
(2)如前所述,透射光信号由两部分构成,一部分是被皮肤、肌肉和组织内的非脉动成分,即静脉血吸收后的衰减光信号,其吸光系数、光吸收物质浓度和光路径长度分别表示为岛,co和厶,经过这部分吸收后得到的透射光强记为k。
另一部分是由血液中的还原血红蛋白Hb和氧合血红蛋白HbO:
对光的吸收发生的强度衰减,对应的透射光强记为,。
这时由于血管的收缩和舒张变化,光路径长度L也随之发生变化。
假定由于动脉搏动使血管舒张,长度由L增加L,相应的透射光强由k变化到k一,。
,则式
(2)可改写成:
k一厶c=e-(sm02Cnb02”m。
l-lb。
业(3)22双波长吸收血氧饱和度测量为了计算方便,我们定义一个参量D,从式(3)得到:
D=In(,DcIAc)IDc=一(8Hb02cHb0,+SHbCub)AL(4)由于入射光对人体组织作用的光路长度变化难以确定,但不同波长光源的作用光路长度变化量址是相同的,因此采用差分的方法,即利用两束波长分别为A。
的A:
光源同时作用于人体组织,可得到下式:
DAlIn(IDC“一IAc)IDc舢D2lll(,Dc如一,c12),Dc也eHl,02“CHb02+占HbllC抽一8Hb0212C峨+Fubl2C|m(5)将式(5)代入血氧饱和度计算公式,并选择波长使gIb0212=8岫h,得到血氧饱和度公式:
sao:
=。
瓮一看毛万方数据激光与红外No22009刘光达等基于容积波分析的血氧饱和度测量系统171考虑到在透射光中交流成分占直流成分的比值远小于1(通常为12),所以根据数学公式l枷ira堕坐巫=1,可用,c来近似代替lIl(JDc一厶c),Dc。
式(6)中占fIb,占岫h,8HbO1均为常数,在实际应用时考虑到光源的个体差别等因素,引入两个系数A和B,令:
A:
阜:
8Hb02“一占Hb4l肚i等(7)有:
sa。
:
=A;:
兰;:
蓦;一B=ARBc8,其中,R称为血氧饱和度系数,有:
R=丽lcltIDcAt(9)将公式(8)作为经验公式,在实际计算中,考虑到光散射的影响,以及人体组织的个体差异,通常把血氧饱和度计算公式修正为:
Sa02=AlR2+曰lR+Cl(10)因此,在利用经验曲线确定了A,召,和C。
的常数值后,经过双波长吸收测量得到R值,即可以通过上式计算得到血氧饱和度数值。
23测量光源的选择如前面所述,在进行血氧饱和度测量时,需要用到两个不同波长的入射光源。
图2是血液中氧合血红蛋白HbO:
和还原血红蛋白Hb的光谱曲线J。
可以看到,在红光和近红外波段(6001000rim),它们具有独特的光谱吸收特性。
其中,在红光光谱区,Hb的吸收系数远比HbO:
的大,而在近红外光谱区,Hb的吸收系数比HbO:
的小。
在805nm附近,Hb和HbO:
具有相同的吸收系数,即具有等吸收点。
12瓤o9懈鲁c06擎030060708o-910波影岬图2氧合血红蛋白和还原血红蛋白的光谱曲线图所以,在红光区,HbO:
和Hb的吸收系数差别较大,能够比较灵敏地反映血气的变化。
特别是在650nm附近,其光吸收系数差异最大。
而在近红外光谱区域,它们的吸收曲线都变化平缓并且相互接近,当光源波长偏离理想波长或者血氧发生变化时都不会明
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