血氧飽和度的紅外光譜光電法測量

1、血氧飽和度的紅外光譜光電法測量摘要紅外光譜光電法研究人體組織血氧狀態(tài)具有安全可靠、連續(xù)實時及無損傷的特點, 有廣泛的研究和應(yīng)用前景。本文介紹了紅外光譜無損傷測量人體組織血氧飽和度的基本測量原理及紅外光譜血氧計發(fā)展概況, 討論了現(xiàn)行脈搏血氧計、肌血氧計、腦血氧計的基本測量原理、臨床應(yīng)用情況, 并對各自存在的局限性進行了分析。關(guān)鍵詞紅外光譜光電法血氧飽和度脈搏血氧計肌血氧計腦血氧計1引言氧是生命活動的基礎(chǔ), 缺氧是導(dǎo)致許多疾病的根源, 嚴(yán)重時直接威脅人的生命。而血液作為一個載體將人體代謝過程中不可缺少的各種營養(yǎng)成分運送到組織中去, 同時運走組織代謝中產(chǎn)生的有害物質(zhì)。可見, 氧和血的供應(yīng)對人體組織的

2、正常生理活動至關(guān)重要。人體內(nèi)的血液通過心臟的收縮和舒張脈動地流過肺部, 一定量的還原血紅蛋白(h b) 與肺泡中的氧氣結(jié)合變成了氧合血紅蛋白(hbo 2), 只有約2% 氧溶解在血漿中。這些血通過動脈系統(tǒng)一直到達(dá)毛細(xì)血管。毛細(xì)血管中, 氧合血紅蛋白釋放氧, 為組織新陳代謝所利用, 從而還原為還原血紅蛋白。最后血液經(jīng)靜脈系統(tǒng)回流到心臟, 開始下一輪的循環(huán)。人體在不同的生理狀態(tài)下, 各器官組織的新陳代謝情況不同, 對血流量的需要也就不同。人體內(nèi)存在著神經(jīng)和體液的調(diào)節(jié)體制, 可對心臟和各部分血管的活動進行調(diào)節(jié), 從而滿足各個器官組織在不同情況下對血液量的需要, 協(xié)調(diào)地進行各器官之間的血量分配。由于血

3、液中氧合血紅蛋白(hbo 2) 和還原血紅蛋白在紅光、紅外光區(qū)( 600nm 1000nm ) 有獨特的吸收光譜, 因而使紅外光譜法成為研究組織中血液成分的簡單可靠的方法。利用光譜學(xué)的方法對生物組織進行無損檢測具有安全可靠、連續(xù)實時及損傷的特點, 因而具有廣泛的研究與應(yīng)用前景。2紅外光譜血氧計發(fā)展概況利用氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白獨特的光譜吸收特性測量人體血氧飽和度, 可以追朔到1940 年。當(dāng)時,m illikan 研制了從原理上能從前額無創(chuàng)傷測量動脈血氧飽和度的探索裝置2 。緊接著許多研究者如b rinkm an 、w ood 、sekely 、t ait 等對無創(chuàng)傷測量動脈血氧飽和度和組

4、織血氧飽和度的裝置各自進行了研究3 6 。w ood 的研究成果為耳血氧計。sekely 等人則為進一步完善這種裝置做了許多工作。然而由于這種耳血氧計每次測量都需要繁瑣的調(diào)整, 因而沒能獲得廣泛應(yīng)用。1964 年shaw r 研制出一種八波長自身調(diào)整血氧計, 成為第一種獲得臨床廣泛應(yīng)用的血氧計, 如h p47201a 型耳血氧計7 。這種耳朵血氧計實用, 準(zhǔn)確且易于調(diào)整, 但是它笨重且價格昂貴, 其耳承結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 病人長時間佩戴不舒適并極易損壞, 這些缺點限制了耳血氧計的進一步廣泛應(yīng)用。其后, 發(fā)光二極管(l ed ) 和光電三極管的應(yīng)用使用于皮膚的光電傳感器體積大大減小。70 年代末, ta

5、katan 研制出一種皮膚和組織反射型血氧測量裝置, 然而這種反射型血氧測量裝置需要五個波長的復(fù)雜分析8 。進入80 年代, 脈搏血氧計出現(xiàn)。這種儀器從指尖或耳垂測量透射光, 假設(shè)透射光光強的波動完全由動脈搏動產(chǎn)生, 并由此計算動脈血氧飽和度, 從而使其逐漸進入了工業(yè)生產(chǎn)與臨床實用階段。如今, 動脈血氧飽和度測量儀已成為必備的儀器。在脈搏血氧計發(fā)展的同時, 利用光譜法測量重要器官和組織血氧的研究工作也相應(yīng)有所進展。自1977 年job sis 將紅外光用于測量腦組織氧代謝以來9 , 到80 年代中期, job sis 、w yatt js 及delpy dt 都在研究透射模式的腦血氧監(jiān)測裝置,

6、 并初步用于早產(chǎn)兒及新生兒的臨床監(jiān)護 10 12 。進入90 年代, m oco rm ick 利用反射光譜及獨特的深淺雙光路對比檢測的傳感器設(shè)計, 完成了可實用化的腦血氧飽和度測量裝置的研制 , 并由som anetics 公司改進后推向臨床, 成為商品化的腦血氧計。紅外光譜法用于運動醫(yī)學(xué), 對肌肉氧含量的測量也取得進展。美國賓夕法尼亞大學(xué)醫(yī)學(xué)院britton chance 率先推出肌肉血氧飽和度檢測裝置。3現(xiàn)有紅外光譜無損傷血氧計的原理和分析311脈搏血氧計31111 脈搏血氧計基本原理及臨床應(yīng)用 脈搏血氧計所用探頭類似于圖1 所示, 使用時探頭套在指尖上。上壁固定了兩個并列放置的光二極管

7、, 發(fā)光波長分別為660nm 紅光和940nm 紅外光。下壁有一個光電檢測器將透射過手指的紅光和紅外光轉(zhuǎn)換成電信號。它所檢測到的信號越弱, 表示光信號穿透指尖時, 被那里的組織、骨骼和血液吸收掉的越多。圖1透射式脈搏血氧計探頭示意圖18 人們注意到在測量指尖的光衰減量時, 指尖的光衰減量應(yīng)包括血的成份(動脈血、靜脈血) 及非血成份(皮膚、骨骼, 結(jié)締組織等)。非血成份不隨脈動過程而變化, 而血的成份隨脈動過程引起的血液流入與流出血管床的容量變化而變化, 因此前者(非血成份) 對光的吸收量是不變的, 而后者對光的吸收量是脈動的。人們假定光衰減量的變化完全是由于動脈容積搏動所引起的, 從而就可以從

8、光的總衰減量中除去直流成份, 用余下的交流成份進行分光光度分析, 計算出動脈血的氧飽和度?，F(xiàn)代脈搏血氧計根據(jù)下式計算出動脈血氧飽和度: sao 2= k1r 2+ k2r+ k3 上式中k1、k2、k3 是經(jīng)驗常數(shù), 而r 是在某個很小的時間間隔上, 兩種光電信號幅度變化量之比, 即:r= $red $ ir 公式中經(jīng)驗常數(shù)的確定是通過正常人群的缺氧實驗進行的。讓健康志愿者吸入混合空氣, 獲得各個水平的血氧值, 由血氧分析儀或耳血氧計獲得當(dāng)時動脈血氧飽和度(sao 2), 在采血同時記錄當(dāng)時反射光強度。獲得多名健康者實驗數(shù)據(jù)后, 建立sao 2 經(jīng)驗標(biāo)度曲線, 通過回歸分析的方法得到經(jīng)驗常數(shù)值

9、。光電信號的脈動規(guī)律是和心臟的搏動一致的, 因此檢測出光電信號的重復(fù)周期還能確定出脈率。如今, 脈搏血氧計得到臨床承認(rèn)并已廣泛應(yīng)用于手術(shù)室、監(jiān)護室、急救病房、病人運動和睡眠研究中。在手術(shù)室, 脈搏血氧計可進行連續(xù)氧合估計, 特別是在對危急病人和不易通氣的手術(shù)當(dāng)中, 它能快速提供信息。在急救病房里, 動脈血氧飽和度的連續(xù)監(jiān)測使通氣能安全迅速地交替進行。在對需要連續(xù)輔助氧療的病人運動時, 根據(jù)活動的不同強度水平, 脈搏血氧計經(jīng)常用于決定氧的供給量。對有慢性阻礙性氣管疾病的病人, 因懷疑有睡眠呼吸暫停綜合癥或者夜間低氧飽和度, 常常需要血氧計進行睡眠氧飽和度研究。由于新生兒采血困難, 血量也有限,

10、因而脈搏血氧計對新生兒監(jiān)測非常有用。通過調(diào)整氧療, 可避免對腦、肺、眼的損害。再者, 現(xiàn)代脈搏血氧計可按不同病情設(shè)置不同的報警線, 由于反映迅速, 故任何因素所致的呼吸暫停、心率減慢或心率加快、以及氧合改變均可及時發(fā)現(xiàn), 是重危搶救中極有用的監(jiān)測儀器 17 。31112脈搏血氧計的局限性1, 7 雖然脈搏血氧計深受臨床歡迎。然而在實際應(yīng)用中, 人們又發(fā)現(xiàn)脈搏血氧計存在著一些這樣或那樣的問題。(1) 由于采用雙光束方法, 脈搏血氧計不能補償血液中如h bco 、hbm et 、膽紅素等干擾吸光物質(zhì)的影響。這些吸光物質(zhì)的存在往往使脈搏血氧計過高或著過低估計sao 2。外科手術(shù)中吲哚花青綠的使用將使

11、脈搏血氧計出現(xiàn)非正常的低血氧值。1. (2) 朗伯比爾定律忽略組織和血液散射特性對入射光的影響, 利用朗伯比爾定律計算sao 2 的脈搏血氧計, 采用經(jīng)驗研究確定系數(shù)的方法會消除組織和血液散射特性對計算結(jié)果的影響。但是由正常人群得到的系數(shù)用于具有特殊光散射模式的病人測量時, 就會造成較大誤差。如鐮形紅細(xì)胞貧血癥病和地中海貧血癥病人, 他們具有異常血紅蛋白濃度或血紅蛋白結(jié)構(gòu)異常, 脈搏血氧計測得的sao 2 誤差較大。2. (3) 脈搏血氧計在低血壓或血管收縮的情況下測量sao 2 不易準(zhǔn)確, 甚至失效。在停循環(huán)和低灌注的心臟手術(shù)時, 極需腦氧供給狀況的測定, 而脈搏血氧計無法正常工作。1. (

12、4) 由于采用平均技術(shù)增強測量的準(zhǔn)確度和抗干擾能力, 因而使脈搏血氧計頻率響應(yīng)降低。2. (5) 易受肢體運動干擾。3. (6) 運動測試時, 對比脈搏血氧計與血氧分析儀的測量結(jié)果表明: 脈搏血氧計對有的病人過高估計sao 2, 而對有的病人過低估計sao 2。4. (7) 臨床使用的脈搏血氧計一般采用透射原理, 局限于指尖和耳垂等有限的部位進行測量, 不少研究者雖致力于反射原理的脈搏血氧計研究, 以求能從體表大多數(shù)部位無損檢測動脈血氧飽和度, 但是精度常不如透射型脈搏血氧計。綜上所述, 血氧值的動態(tài)變化能反映真實的血氧狀態(tài)變化情況, 然而脈搏血氧計測量sao 2 的有限精度使得血氧數(shù)值本身意

13、義有限, 一般在血氧值75% 100% 范圍內(nèi)精度為2% 6% , 低血氧值時誤差更大。當(dāng)臨床需要精確估計病人血氧狀態(tài)時, 仍需采取有創(chuàng)的血氣分析方法。312肌血氧測量 16 雙光束無損肌氧檢測只能用反射式的裝置, 賓夕法尼亞大學(xué)醫(yī)學(xué)院b ritton chance 研制的肌肉血氧飽和度檢測裝置, 使用時探頭貼放在肌肉的表面。清華大學(xué)丁海曙教授等利用該裝置對肌氧的光電無損檢測與應(yīng)用做了一些工作。他們所采用發(fā)射(白光) 光源和兩個不同波長的接收器都放置在探頭上(如圖2 所示), 雙波長選擇在760nm 和850nm , 并認(rèn)為d760-d850 正比于肌肉中含氧量百分比的降低,d760+ d85

14、0 正比于血紅蛋白和肌紅蛋白濃度的增加, 其中dk 代表波長k的光通過肌肉組織后測得的光密度。通過對紅外法肌氧、核磁共振法p ipc r (無機磷磷酸肌酸) 和ph 值同時測定的結(jié)果對比得出: 肌氧、p ipc r 和ph 值都是評定肌肉有氧代謝程度的指標(biāo), 三者之間存在明顯的相關(guān)關(guān)系。還進行了青年人和成年人運動停止后肌氧和p ipc r 半恢復(fù)期的比較, 結(jié)果顯示兩種不同方法的測試結(jié)果存在明顯相關(guān)。然而, 盡管無損肌氧檢測裝置也用來對肌肉血氧變化進行了觀測, 利用兩個不同波長光密度的和、差表示肌肉含氧量百分比和肌肉中血紅蛋白、肌紅蛋白的濃度變化, 得到了有價值的實驗結(jié)果, 然而缺少從理論上深

15、入地闡明光密度之和與光密度之差的內(nèi)在意義的研究。傷。在深低溫停循環(huán)的心血管手術(shù)中、神經(jīng)外科的血管內(nèi)手術(shù)中、腦意外的急救中、危重病人搶救時、心腦驟停后大腦復(fù)蘇的治療等情況下, 一個重要問題是腦保護。紅外光譜法能對腦血氧情況直接監(jiān)測, 反應(yīng)靈敏, 且能實現(xiàn)實時連續(xù)的無創(chuàng)傷測量, 因而在腦供血監(jiān)測方面顯示出極大的研究與應(yīng)用前景, 受到國際上的普遍重視, 近年來關(guān)于這方面的研究報道及臨床報道呈逐年上升的趨勢。som anetics 公司1994 年推出第一種商品化的腦血氧計(invo s3100)。這種腦血氧計采用深淺雙光路對比檢測的傳感器設(shè)計, 使用時一般將探頭貼到前額偏離中心線處。探頭上裝有兩個發(fā)

16、光二極管(l ed ) 和兩個光電三極管。l ed 發(fā)光波長730nm 和810nm 。由光電三極管構(gòu)成的光感受器分別距離光源l ed 30mm 和40mm 。在這里, 光感受器到光源的距離是一個特別重要的參數(shù)。光子運動的經(jīng)驗?zāi)Ｐ妥C實, 哺乳動物組織的散射特性使得光在腦組織中的運動呈現(xiàn)隨機性。從概率平均意義上說, 光子在反射器與接收器之間走過一條香蕉狀的路徑, 透射深度大約相當(dāng)于接收器與光源距離的一半。由于接收器與光源的距離決定組織采樣的深度, 探頭上兩個接收器分別接收來自表層(頭皮、頭骨) 和深部腦組織的信息, 如圖3 所示。圖3雙接收器探頭設(shè)計原理示意圖23 由朗伯比爾定律可得: n d

17、(# 1)= (axjcjs) 淺表組織j n d (# 2)= ( axjcjs ) 淺表組織+ j n (axjcjs) 腦組織j 則d=d(# 2)-d(# 1) n =(axjcjs) 腦組織j 其中:d 為波長x 時的光密度; #1 為30mm 處接收器,# 2 為40mm 處接收器; cj 為j 物質(zhì)濃度; s 為光子運動路徑長度。經(jīng)推導(dǎo)可得: rsco 2=a+b(d1)+ c(d1)2 d2 d2 在計算腦血氧飽和度時, invo s3100 采用類似于現(xiàn)代雙光束脈搏血氧計計算動脈血氧飽和度的方法, 即將血氧飽和度表示成冪級數(shù)形式, 用經(jīng)驗研究的方法確定系數(shù)來進行血氧飽和度計算

18、。公式中經(jīng)驗常數(shù)的確定是通過正常人群的缺氧實驗進行的。讓健康志愿者吸入混合空氣, 獲得各個水平的血氧值, 通過血氣分析儀獲得當(dāng)時動脈血氧飽和度(sao 2) 和頸靜脈球血氧飽和度(sjo 2), 通過公式: rscombo 2= xsao 2+ (1-x)sjo2 (公式x 一般取為25% ) 計算得到整體平均腦混合血氧飽和度值(rscom bo 2)。在采血同時記錄當(dāng)時在腦前額實測得到的反射光強度。獲得多名健康者實驗數(shù)據(jù)后, 建立腦局部血氧飽和度(rsco 2) 經(jīng)驗標(biāo)度曲線, 通過回歸分析的方法得到經(jīng)驗常數(shù)值。腦血氧計能提供有價值的顱內(nèi)甚至麻醉過程的信息, 使神經(jīng)外科醫(yī)生獲得一個觀測得內(nèi)腦

19、氧水平的窗口。它提供了一項無創(chuàng)傷監(jiān)測腦氧水平的技術(shù), 且使用簡單, 只需將傳感器放到病人的前額上就可以了。它所提供結(jié)果告訴神經(jīng)外科醫(yī)生在神經(jīng)外科手術(shù)前后全過程中的腦氧基礎(chǔ)值及其動態(tài)變化情況。在一些臨床領(lǐng)域, 這種腦血氧計的作用347 受到高度評價。這些領(lǐng)域如頸動脈外科ica 試驗性阻斷, 深低溫、停循環(huán)的顱內(nèi)和心臟外科等, 腦血氧計顯得格外重要。無論是深低溫、停循環(huán)時, 還是頸動脈阻斷后, 腦循環(huán)都將停止, 腦保護的問題格外重要。腦循環(huán)儲備量的信息對于設(shè)計這些外科手術(shù)中考慮使用旁路技術(shù)的時機至關(guān)重要。試阻斷ica 手術(shù)中, 阻斷ica 的同時監(jiān)測腦血氧, 觀察到的腦血氧飽和度下降情況將作為后續(xù)

20、臨床處理的重要參考。有作者得出這樣的結(jié)論: 在由多種不同監(jiān)測方法組成能夠精確獲得腦循環(huán)儲備量信息的最理想監(jiān)護手段中, 腦血氧計將是必不可少的組成部分。腦血氧計為深低溫、停循環(huán)情況下腦代謝活動的有效監(jiān)測手段, 當(dāng)循環(huán)停止時, 幾乎所有監(jiān)護儀器都不能正常工作, 唯有腦血氧仍能正確顯示腦血氧值。在其他一些臨床監(jiān)護領(lǐng)域, 腦血氧計也表現(xiàn)出誘人的應(yīng)用前景, 如血管內(nèi)治療、頸動脈內(nèi)膜剝離術(shù)、檢查腦局部缺血、腦動脈痙攣、睡眠研究、腦死亡評價以及在嚴(yán)重腦外傷后對大腦狀況的監(jiān)護。在全麻時, 腦血氧計也是可靠和靈敏的監(jiān)護儀, 腦血氧計監(jiān)測腦氧變化提示醫(yī)務(wù)人員可能病人頭部位置不當(dāng), 因為頭部位置不當(dāng)阻礙了大腦的血液

21、供應(yīng)。31312腦血氧計的局限性臨床研究上目前腦血氧計的不足有: 1. (1) 腦血氧計的傳感器只能安放到?jīng)]有頭發(fā)的部位。一般使用時都將傳感器貼于前額上, 檢測到的是大腦前葉的血氧飽和度。當(dāng)大腦另一邊發(fā)生病灶性缺血時, 放置在前額上的傳感器不能顯示腦血氧的變化。2. (2) 絕對利用人體缺氧實驗對腦血氧計標(biāo)度是不可能的。人體缺氧時腦組織復(fù)雜的個體變化限制了定量的精確性。3. (3) 缺乏直接參考量對腦局血氧飽和度(rsco 2) 進行精確標(biāo)度。由于無法直接測量rsco 2, 腦血氧計利用估計值腦混合血氧飽和度(rscom bo 2) 對腦血氧計進行標(biāo)度。盡管rscom bo 2 與rsco 2 在缺氧時高度相關(guān), 但rscom bo 2 為一估計值。而且假設(shè)sjo 2 反映局部靜脈血氧飽和度是不確切的。再者, 頸靜脈球不接受前窩的靜脈血, 因而sjo 2 不能作為腦干和腦皮層缺血的靈敏指標(biāo)。1. (4) rscom bo 2 估計時采用固定的動靜脈血比例值,