无损伤血氧饱和度测量系统研究

0　引言

氧是维护生命的基础,动脉血饱和度是反映动脉血含氧程度的重要参数,人体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)与肺部中摄取的氧气结合变成了氧和血红蛋白(HbO2),而2%的氧溶解在血浆里.这些血液通过动脉系统一直输送到毛血管,然后将氧释放,以维持组织细胞的新陈代谢.血氧浓度的测量通常分为电化学法和光学法两类,电化学法是一种,无损伤的血氧饱和度(Oxygen Saturation-SaO2)测量技术即脉搏血氧测定法(Pulse Oximetry)是一种克服了电化学法的缺点的新型光学测量方法,可用于手术室、恢复室、急救病房和睡眠研究中.目前,脉搏血氧测定法的研究国内外均在进行,而其测量仪器主要依赖进口,国内尚无定型产品,所以具有一定的研究价值.

1　脉搏血氧测定法的测量原理[1]

脉搏血氧测定法是对普通血氧计光学测量方法的发展,根据光学原理,当入射光射入厚度为D的均匀组织时,入射光I0与透射光I的关系为:

式中,C为吸光物质的浓度;E为吸光物质的吸光系数.若定义吸光度A为:

假如均匀组织为血管,当动脉血脉动时,D将有一个△D的改变,此时透射光I将有一个△I的改变,则此时吸光度A的改变△A为:

脉搏血氧测定法中,基于血液中氧和血红蛋白(HbO2)和还原血红蛋白(Hb)的吸收光谱的特性,运用LAMBERT-BEER法则,并假定组织的动脉仅仅是由动脉血液充盈而引起,其结果导致光程的变化,使输出光强信号在Imax和Imin之间被调制而改变.根据理论分析,可得到一个起决定作用的变量p,它是一个两波长(λ1和λ2)的吸光度变化的比值,即:

其中,△A1和△A2分别表示吸光度的变化.上式中的变量与血氧饱和度的关系紧密相关.根据Uon.K.Forstner的公式有:

式中,Ei(λ)表示物质i在波长λ下的吸光系数.对一定波长的组织成分而言,Ei(λ)是确定的量.适当选择λ1和λ2即可测量HbO2和Hb的百分含量.

2　无损伤血氧饱和度测量系统的设计

　　根据脉搏血氧测量法的测量原理,所设计的无损伤血氧饱和度测量系统框图如图1所示.该系统主要由光传感器、时序控制电路、模拟电路、A/D转换和微处理器系统等组成.光传感器采用美国BCI公司的指套式传感器,它由光源和光探测器组成.光源为红光(λ=660nm)和近红外光(λ=925nm)发光二极管.光探测器为光敏二极管,它产生一个与接收光强成正比的电流信号.

模拟电路包括光驱动电路、I/V转换电路和同步解调与滤波电路.光驱动电路按一定的规律,控制红光和近红外光源发光和熄灭以区分红光和近红外光.I/V转换电路的作用是将光传感器产生的与接收光强成正比的电流信号变成一个与透射光强成正比的负电压信号.探测器输出的复合信号经同步解调与滤波电路后,被分解成不含背景噪声的红光信号和近红外光信号.