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1、血氧饱和度的红外光谱光电法测量摘要 红外光谱光电法研究人体组织血氧状态具有安全可靠、连续实时及无损伤的特点,有广泛的研究和应用前景。本文介绍了红外光谱无损伤测量人体组织血氧饱和度的基本测量原理及红外光谱血氧计发展概况,讨论了现行脉搏血氧计、肌血氧计、脑血氧计的基本测量原理、临床应用情况,并对各自存在的局限性进行了分析。关键词 红外光谱光电法 血氧饱和度 脉搏血氧计 肌血氧计 脑血氧计1 引言氧是生命活动的基础,缺氧是导致许多疾病的根源,严重时直接威胁人的生命。而血液作为一个载体将人体代谢过程中不可缺少的各种营养成分运送到组织中
2、去,同时运走组织代谢中产生的有害物质。可见,氧和血的供应对人体组织的正常生理活动至关重要。人体内的血液通过心脏的收缩和舒张脉动地流过肺部,一定量的还原血红蛋白(Hb)与肺泡中的氧气结合变成了氧合血红蛋白(HbO2),只有约2%氧溶解在血浆中。这些血通过动脉系统一直到达毛细血管。毛细血管中,氧合血红蛋白释放氧,为组织新陈代谢所利用,从而还原为还原血红蛋白。最后血液经静脉系统回流到心脏,开始下一轮的循环。人体在不同的生理状态下,各器官组织的新陈代谢情况不同,对血流量的需要也就不同。人体内存在着神经和体液的调节体制,可对心脏和各部分血管的活
3、动进行调节,从而满足各个器官组织在不同情况下对血液量的需要,协调地进行各器官之间的血量分配。由于血液中氧合血红蛋白(HbO2)和还原血红蛋白在红光、红外光区(600nm～1000nm)有独特的吸收光谱,因而使红外光谱法成为研究组织中血液成分的简单可靠的方法。利用光谱学的方法对生物组织进行无损检测具有安全可靠、连续实时及损伤的特点,因而具有广泛的研究与应用前景。2 红外光谱血氧计发展概况利用氧合血红蛋白和还原血红蛋白独特的光谱吸收特性测量人体血氧饱和度,可以追朔到1940年。当时,Millikan研制了从原理上能从前额无创伤测量动脉血氧
4、饱和度的探索装置[2]。紧接着许多研究者如Brinkman、Wood、Sekely、Tait等对无创伤测量动脉血氧饱和度和组织血氧饱和度的装置各自进行了研究[3～6]。Wood的研究成果为耳血氧计。Sekely等人则为进一步完善这种装置做了许多工作。然而由于这种耳血氧计每次测量都需要繁琐的调整,因而没能获得广泛应用。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[7]。这种耳朵血氧计实用,准确且易于调整,但是它笨重且价格昂贵,其耳承结构复杂,病人长时间佩戴不舒适并极
5、易损坏,这些缺点限制了耳血氧计的进一步广泛应用。其后,发光二极管(LED)和光电三极管的应用使用于皮肤的光电传感器体积大大减小。70年代末,Takatan研制出一种皮肤和组织反射型血氧测量装置,然而这种反射型血氧测量装置需要五个波长的复杂分析[8]。进入80年代,脉搏血氧计出现。这种仪器从指尖或耳垂测量透射光,假设透射光光强的波动完全由动脉搏动产生,并由此计算动脉血氧饱和度,从而使其逐渐进入了工业生产与临床实用阶段。如今,动脉血氧饱和度测量仪已成为必备的仪器。在脉搏血氧计发展的同时,利用光谱法测量重要器官和组织血氧的研究工作也相应有所
6、进展。自1977年Jobsis将红外光用于测量脑组织氧代谢以来[9],到80年代中期,Jobsis、WyattJS及DelpyDT都在研究透射模式的脑血氧监测装置,并初步用于早产儿及新生儿的临床监护[10～12]。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],并由Somanetics公司改进后推向临床,成为商品化的脑血氧计。红外光谱法用于运动医学,对肌肉氧含量的测量也取得进展。美国宾夕法尼亚大学医学院BrittonChance率先推出肌肉血氧饱和度检测
7、装置。 3 现有红外光谱无损伤血氧计的原理和分析311 脉搏血氧计31111 脉搏血氧计基本原理及临床应用脉搏血氧计所用探头类似于图1所示,使用时探头套在指尖上。上壁固定了两个并列放置的光二极管,发光波长分别为660nm红光和940nm红外光。下壁有一个光电检测器将透射过手指的红光和红外光转换成电信号。它所检测到的信号越弱,表示光信号穿透指尖时,被那里的组织、骨骼和血液吸收掉的越多。图1 透射式脉搏血氧计探头示意图[18]人们注意到在测量指尖的光衰减量时,指尖的光衰减量应包括血的成份(动脉血、静脉血)及非血成份(皮肤、骨骼,结缔组织等
8、)。非血成份不随脉动过程而变化,而血的成份随脉动过程引起的血液流入与流出血管床的容量变化而变化,因此前者(非血成份)对光的吸收量是不变的,而后者对光的吸收量是脉动的。人们假定光衰减量的变化完全是由于动脉容积搏动所引起的,
