血氧含量和血流量变化光纤检测系统的研制

　　1　引　言

　　随着航空、航天、航海事业的迅速发展,运动病的医治越来越引起国内外学者的关注。目前人们认为快速而有效治疗运动病的办法是使用抗眩晕药物。人体在眩晕状态下,通常会伴随有前庭、耳涡以及大脑局部血液动力学参数的变化,因此对眩晕状态下的内耳血液微循环状态的检测是一项重要的判断依据[1-3]。

　　血液微循环参数的检测普遍使用的方法有:(1)基于多普勒技术的超声多普勒和激光多普勒血流量检测;(2)基于红外光谱技术的血氧饱和度检测等。目前国内用于临床的血液参数检测仪在临床和研究中存在诸多不足,如有些体积庞大,需高压供电;有些需要有创伤性检测;另外,由于大多需要从国外进口,因此成本较高。

　　随着电子技术、激光技术和计算机技术的飞速发展,研究无创伤、集成化的生物医学传感器已成为研究热点[4]。由于近红外光谱(NIRS)技术可以对生物组织中的生色团,如含氧血红蛋白(HbO2)、去氧血红蛋白(Hb)等进行快速、无损伤的检测,从而可以用近红外血氧监测仪及相应的信号处理软件对HbO2、Hb浓度变化进行实时监测、处理。我们知道,一般情况下血红蛋白在血液中的浓度有较为固定的比例值,通过对血红蛋白量上的测定,可以实现对组织血流量的线性表征,该项技术已经在医学诸多领域得到了广泛应用[5]。本系统是在血红蛋白测定基础之上设计的一种利用近红外光谱测试技术测量微循环血液动力学参数的光纤传感器信号处理系统,可以实现连续无创伤的血液数据检测。

　　2　基本原理

　　近红外光谱仪(Near Infrared Spectroscopy ,NIRS)是近年来应用日益广泛的生物组织无创检测技术。NIRS的测定原理是利用波长为600~1 100 nm的可吸收光线,观察耳部组织中氧合血红蛋白(HbO2)、脱氧血红蛋白(Hb)、总血红蛋白(tHb)的变化。近红外光进入组织后,影响吸收率的主要成分是血液中的血红蛋白,由于组织中血液成分的影响,光发生折射和散射。当组织的氧合代谢发生变化时,相应的吸收光谱也会发生变化,根据相应的关系式即可求出血氧饱和度和血流量及其变化的数值。

　　2.1　光纤波长选择

　　HbO2和Hb的吸光系数随波长的变化曲线见图1。显然在红光谱区(600~700 nm)及红外光谱区(900~1 000 nm)HbO2和Hb的吸光系数差别很大,因此目前血氧传感器光谱选择多在上述区域。由于Hb和HbO2对不同波长光线吸收率不同,因此可采用双波长的方法求出Hb与HbO2的值。文献[6-8]提出了三种思路。第一种考虑方向在760 nm和850 nm,认为Hb在760nm有个波峰,二者吸收率差别很大,在850 nm二者也有差别,因此采用760 nm和850 nm作为双光源的波长。第二种思路认为二者在660 nm和940 nm差别很大,因此应该采用660 nm和940nm作为双光源。通过比较,显然660 nm吸收率差别要>760 nm,因此可作为第一光源;第二个光源选择940 nm和850 nm也不合适,因为在850 nm,二者吸收率差别非常小,在噪声较大的情况下信号很容易被淹没;940 nm选择也不容易实现,因为这时虽然吸收率的差别较大,但是水的吸收率在此处开始上升,因此会极大地干扰对Hb和HbO2的测量。第三种思路选择了660 nm作为第一光源,810 nm作为第二光源。第三种思路在810 nm时,Hb和HbO2的吸收率在此波长相同,从而根据这两种波长的数据换算,可以比较容易获得HbO2和tHb值,并最终求出组织血流量的变化。