无创伤脉搏血氧饱和度监测技术的研究应用进展摘要

心跳血氧饱和度检测技术的研究应用进展摘要：本文介绍了无外伤心跳血氧饱和度检测技术的发展概况和检测原理，概述了基于郎伯尔定理（ＴｈｅＬａｍｂｅｒｔ－ＢｅｅｒＬａｗ）原理为基础的检测血氧饱和度的分光光度法及新技术的进展，评价了血氧饱和度在临床上的应用并对心跳血氧仪的发展前景进行了剖析。关键词：血氧饱和度，血氧仪，反射式血氧仪，郎伯比尔定理,e,und.:,,,-序言无外伤心跳血氧饱和度检测已广泛应用于临床危危重病人的监护和放疗中麻醉的监护以及放疗后病人的恢复情况、呼吸睡眠的研究、社区医疗监护、高海拔户外运动等方面，它具有安全可靠、连续实时以及无外伤的特征，对其原理的不断深入研究以及检测方式的不断改进，推动了血氧饱和度仪的发展，目前，无创心跳血氧测定法的研究国外外均在进行，具有广泛的研究价值和应用前景。

本文就无外伤反射式心跳血氧饱和度检测的发展概况、测量原理、新技术进展和血氧检测的局限性以及未来的展望做简略综述。１发展概况早在19世纪60年代，发觉血红蛋白对可见光吸产率随着氧浓度的不同发生很大变化的现象。经研究发觉，主要缘由是氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白对波长在500nm～之间的可见光的吸产率有很大差别，因而可以借助氧合血红蛋白和血红蛋白对光吸产率不同的特点进行血氧饱和度的估算。无创心跳血氧饱和度的检测技术的研究早在20世纪早期就早已开始了，在1929年前，德国生理学家开始研究血红蛋白血氧反应，并用血氧计()一词来描述血氧饱和度仪，称之为在须要穿透血管的情况下，连续检测人体内动脉血氧饱和度的一种光电检测仪器。到20世纪三、四十年代后期，各类血氧检测的技术开始大量涌现，但在那时，血氧饱和度仪并没有获得实际的应用。在40年代J.R.描述了一种无外伤检查血氧饱和度的方式，先在脖子加压使其缺血，并测其传导光线，之后除去耳朵加压以恢复其血流，再测其传导光线。此时，第一个耳朵值是入射光硬度，第二个值是透过光硬度，估算二者的比值就是血液的光密度，借助动脉搏动振幅又可测得氧饱和度。

所选用的波长是受干扰最小的630nm和900nm。1964年.Shaw研发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,如型耳血氧计。1974年世界上第一台心跳血氧饱和度（SpO）仪问世。1982年，研发出一种性能更好的心跳血氧饱和度仪N-100，并产生了一种标准模式，借助发光两极管作为光源、硅管作为光传感、微型计算机进行信息处理。到80年代中期，、及都在研究透射式的脑血氧检测装置，并初步用于足月儿及婴儿的临床监护。进90年代，借助反射波谱及别致的深浅双光路对比测量的传感设计，完成了可实用化的脑血氧饱和度检测装置的研发，最新的有关反射型血氧饱和度计的报告是等人2002年所描述的一种多波长和非常的传感结构的反射型血氧饱和度计。总的来说，相对于透射式血氧计，在实践中的反射型血氧计的临床数据的报告比较少，无论从传感的设计，软硬件结构，还是检测方式等方面值得进一步的探求。２检测原理及新技术进展2.1检测基本原理目前血氧饱和度仪的检测方式主要是红外波谱光电法，SpO是依据血红蛋白（Hb）具有光吸收的特点设计而成。

HbOHb对两个波长的光吸收特点不一样，HbOHb的分子可吸收不同波长的光线：HbO吸收绿光，波长为600nm～700nm，而Hb吸收近红外光，波长为800nm～，在805nm左右为等吸收点。根据郎伯比尔定理（-）原理和光散射理论为基础，在透射水人中，假如选用两个波长的光（一般是660nm和940nm）作为侦测源并分别测定两路透射光最大硬度以及因为心跳搏动而导致透射光强最大变化量irmax血氧饱和度测试仪使用方法，通过物理估算可得到如下的公式其中A，B是通过定标来确定的经验系数。在反射水人中，血液在波长660nm附近和905nm附近反射之比能敏感地反映流血氧饱和度的变化，临床通常血氧饱和度仪也采用该比值作为变量，而血氧饱和度随该热阻变化的规律为S=f(ρ660／905)；作为基本关系模式，在同样条件下测定被检测血液的(ρ660／905即可确定血液的氧饱和度其中A，B，C是须要通过定标来获得的常数。通常来讲，SpO仪包括光电感应器、信号放大电路、微处理机和显示部份四个主要功能模块。因为光电心跳波讯号有直流份量强，交流份量弱的特性，血液对绿光和红外光的吸收系数差别很大，恰恰交流份量包含有效检测数据血氧饱和度测试仪使用方法，在放大电路中常常还包含手动基线调整电路和手动增益控制电路。

因为肿胀的生物组织是一种强散射、弱吸收、各向异性的复杂光学组织，不完全符合精典定理，同时也很难构建一种确切的理论模型来给出R/IR与血氧饱和度的函数关系式。为此，心跳血氧计的定标和校准只能用实验的方式来R/IR比值与血氧饱和度的一一对应关系。，即经验定标曲线。目前常用的定标校准方式类型主要有：1、直接从人体获得实验数据勾画经验定标曲线。通过自愿受试者吸入不环比例的氧、氮、二氧化碳的混和二氧化碳，在引起一定程度缺氧的情况下，同时用心跳血氧仪测得值与血液采样法血气剖析或高精度采样血氧仪的测试结果对比，以获得心跳血氧仪的经验定标数据。用此方式获得氧饱和度小于85%的数据较为容易，其难点在于血氧饱和度低段样板的选定。并且此方式操作复杂，对技术条件、实验设备等要求较高，实验费用比较高昂，故通常极少采用。2、在实验室构建带有模拟组织模型的模拟循环系统。这些系统的结构一般由模拟组织模型、循环管道、动力装置、血液、脱氧器、氧合器、气源（二氧化碳、氮气、二氧化碳）、恒温系统等组成。定标是被脱氧的低氧血在氧合器中同一定含量二氧化碳充分接触、氧合，得到一定血氧饱和度的血液，在动力装置（如动力泵）驱动下，经循环管道流经模拟组织模型，被标定的心跳血氧仪通过夹在模拟组织模型上的探头检出一个血氧值；同时，取尿样用血气剖析仪或高精度采样血氧仪测定真正的血氧值，两者对比标定心跳血氧仪。

这类定标装置的优点是血氧饱和度调节范围比较广，并且还可以改变血液中的个别参数。这种仪器规模大，维护费时吃力，重复性和稳定性不很理想，如今应用较少。3、采用植物实验。让植物处于麻醉状态下，通过呼吸机来改变植物动脉血氧浓度。将血氧仪探头夹于舌部或尾巴上，也可剥离植物颈总动脉，将样机的指夹传感夹于其上，用类比法对样机进行定标。这些技巧，尽管解决了血细胞被机械破坏和须要制做模拟组织模型等问题，也能容易导致缺氧的植物模型，但它对批量生产的心跳血氧仪同样存在成本的问题，但是植物血细胞和人体血细胞在细胞组成成份、体积、形状等方面存在很大的差别，不同的植物种类之间血细胞也不相同，将传感直接夹在颈总动脉上的情形与夹在真实组织上是否有可参比性值得商榷。4、脉搏血氧仿真器。这是一种用于生产过程控制和临床使用及修理等情况下，对心跳血氧仪进行定标和校准的专用仪器。目前应用较多的是Bio-Tek生产的Index2M系列仿真器。此仿真器可在35%～100%的血氧饱和度范围对待测样机进行定标，并且还可以模拟形成各类不同的心跳波形，如正常人、老年人、弱心跳波等。这类仪器使用便捷，操作简单，为心跳血氧仪的生产制造和使用过程中的质量控制提供了便捷有效的定标和校准手段。

2.2新技术进展2.2.1多种波长反射性心跳血氧饱和度仪现用的光反射性心跳血氧饱和度仪的主要原理是通过传感局限性地从体表低密度血管分布区域记录相对较弱的光容积描记图(PPGs)。假如设计一种能在身体不同部位侦测到足够强的反射光容积描记图，并借助特殊的运算处理较弱的和时常受干扰的PPGs，这样光反射性心跳血氧饱和度仪的本质可得到完全改变。现用的光传感是由一个单独的光侦测器，以及检查经皮肤的反射光和一对绿光和红外线的发光双极体(LEDs)组成。这种传感依赖于探头接触的解剖组织结构的位置，假若传感的位置与组织之间发生变异，都会造成很大的偏差。为捕捉到大部份的反向散射波，光侦测器必须能侦测到从中心区域发射的光，据此就设计出一种新型的光反射传感，包括三个LEDs和两个连续光侦测环，对称性、等距离地排列在LEDs的中心位置。这些新配置与现用的传统光侦测器相比，能更全面地侦测到光容积描记图。多个光侦测器的结构似乎复杂些，但可强化收集远离光侦测仪区域的额外反向散射波的能力。多波长的新型传感具有奇特的几何学结构，改进分辨光射的能力，排除人为联通或高敏性所致的相对较弱的光容积描记图，由此可提升氧饱和度读数的精确性，也是将来用于临床检测婴儿和胎儿SpO2的重要仪器。

2.2.2Masimo讯号萃取技术asimo讯号萃取技术与传统方式不同。今已认识到：压力相对较低的静脉血对患者活动时所形成干扰影响相当敏感。以右手为例，血管床内的静脉血在患者活动时很容易发生变化，而形成生理信息所在频带内的显著噪音。另外，静脉血是一种很强的光吸收剂，因而，当患者活动时，静脉血对总光硬度可形成显著噪音源影响。倘若能测定噪音基准，就可以采用自调谐噪音去除器来处理相应于静脉血噪音源的影响。在生理讯号中可测量到绿光硬度Ird与红外线硬度Iir，分别由有用讯号部份(Srd，Sir)及无用讯号部份(Nrd，Nir)组成。在氧饱和度仪中一般理解为：这两个有用讯号部份(Srd，S1r)彼此间成反比，其比值即为动脉光硬度比ra。因而，从绿光形成的生理讯号中，除以红外线形成的生理讯号与动脉光硬度之比的乘积，其结果就包含仅有噪音部份的基准讯号，即为噪音基准讯号N。氧饱和度选通转换(DST)技术，才能将相应于动脉氧饱和度的光硬度比(ra)与相应于静脉氧饱和度恐怕值的光硬度比(rv)区分开来，此后估算出这两个光硬度比(ra和rv)。由光硬度比的每一个选取值，估算出相应的基准讯号，再由自调谐噪音清除器进行处理。asimo萃取技术的过程可归纳为：对相应于氧饱和度1％到100％的每一个光硬度比进行扫描；通过每一个光硬度比估算基准讯号；对每一个基准讯号测定自调谐噪音清除器的输出功率；在DST图上确定相应于动脉氧饱和度的(最大SpO