生物医学传感与检测-8第八章-血氧饱和度和心输出量测量

电信学院生物医学工程,第八章血氧饱和度和心输出量的无创伤测量方法,.血氧饱和度的无损伤测量方法.心输出量的测定,电信学院生物医学工程,8.1血氧饱和度的无创伤测量方法,8.1-1血氧饱和度的概念细胞的氧的供给是通过人的呼吸运动将空气中的氧吸人肺泡内,经过气体交换进入血液,并随动脉血向全身输送，在毛细血管处与组织进行气体再交换,氧进入机体组织为细胞所摄取。血中的氧分子绝大部分与红细胞中的血红蛋白作可逆性结合,很少一部分是溶解在血浆中的。氧与血红蛋白的结合与解离是可逆反应,即:,电信学院生物医学工程,血红蛋白可以结合O2的最大量称为血液的氧容量,血红蛋白实际结合的O2量称为氧含量,氧含量占氧容量的百分比称为氧饱和度(Bloodoxygensaturation)SaO2:SaO2=(氧含量/氧容量)100%,电信学院生物医学工程,8.1-2血氧饱和度测定的意义,血氧饱和度,是临床医疗上重要的基础参数。由于氧通过呼吸进入细胞进而被血红蛋白所氧合是由多个环节组成,其中任何一个环节出现问题均可导致供氧障碍。例如:除了呼吸、循环系统本身的疾病之外,由于麻醉引起的机体自动调节功能受抑、手术创伤以及其他治疗、检查时的损伤等。,电信学院生物医学工程,无创伤连续检测动脉血氧饱和度的方法，即脉搏血氧测量法（PulseOximetry）。与以往各种方法的最大区别就是其传感器置于体表动脉处，不需要插入血管,也不需要采血样，所以极易为临床应用场合所接受它实现了无创伤连续监测血氧饱和度的功能，已被临床接受，成为危重病人监护，麻醉手术监测所必不可少的设备。,电信学院生物医学工程,8.1-3脉搏血氧测量法基本原理脉搏血氧测量是基于传统光吸收测量方法和光学脉搏容积描计法，在体表浅动脉处来实现测量的。1.溶液对单色光吸收的基本规则-比尔定律当单色光通过溶液时，透射光的强度I符合比尔-朗伯特（Beer-Lambert）定律：I0为入射光的强度,C是溶液的浓度,D是溶液的厚度,即光程。是吸收系数,为常数。,电信学院生物医学工程,浓度测量或血氧饱和度测量时,正是利用这个特性,通过测量光强从而求出浓度C。另外的形式:A表示吸光度(absorbance)。测量出吸光度A值,利用上式就可以很容易地算出浓度C。,电信学院生物医学工程,2.血红蛋白的光吸收特性在脉搏血氧测量中,假设SaO2一般情况下是指功能饱和度，是忽略其它成分影响仅考虑氧合血红蛋白(HbO2)和还原血红蛋白(Hb),这是血氧计测量的基础。显然这与实际情况有差别，但是可作为近似计算考虑。根据此假设有:CHbO2表示氧合血红蛋白含量，CHb表示还原血红蛋白含量。,电信学院生物医学工程,两种血红蛋白的光吸收特性曲线如图红光区(600nm-700nm),HbO2和Hb的吸收差别很大，近红外光谱区(800nm-1000nm)，则其吸收差别较小。Beer-Lambert定律可以决定血红蛋白含量的相对百分比。,电信学院生物医学工程,LED1和LED2的中心波长分别是660nm，940nm（nearinfrared）。氧合血红蛋白和还原血红蛋白对LED1和LED2的吸光系数相差较大。右图为成人及婴幼儿对不同波长吸光系数的比较。,电信学院生物医学工程,3动脉组织的模型和血氧饱和度计算公式在体浅表动脉处用光电容积描记法获取动脉脉搏波假设组织模型由两部分组成：无血组织(皮肤，骨骼，静脉血，其它组织等)，动脉血管（由氧合血红蛋白和还原血红蛋白组成的动脉血液）。脉搏波传感器接受的信号中包含两种成分，分别以直流DC和交流AC的形式存在。用电路方法区分，获得AC动脉信号。,电信学院生物医学工程,图传感器光信号成分分析,电信学院生物医学工程,动脉血管光程变化示意,电信学院生物医学工程,动脉血的体积发生变化，导致动脉血的光程变化D，而舒张期的吸收作为背景吸收保持不变光程D。采用红光(1=660nm)和近红外光(2=940nm)二个波长比例的方法:O1,O2和r1,r2分别是1和2,两波长下的Hb02和Hb的光吸收系数,CHbO2表示氧合血红蛋白含量，CHb表示还原血红蛋白含量。,电信学院生物医学工程,比值K:A1和A2分别表示两波长1和2条件下吸光度血氧饱和度Sa02:,电信学院生物医学工程,在红光波长1下，r1o1近红外光波长2下,r2o2简化为：Sa02和双波长光吸收比K之间近似呈线性的关系。实际应用还须经实验,用最小二乘曲线拟合方法得到最后的计算公式SaO250%的测量情况下，经动物实验得到：,电信学院生物医学工程,8.1-2脉搏血氧测试系统的硬件设计,1系统的硬件的组成及功能,电信学院生物医学工程,(1).LED的驱动电路:它要求顺序启动红光、红外光和暗光三个工作状态，由时序控制逻辑电路和恒流脉冲驱动电路来完成。脉冲频率1kHz作为调制的载波信号。(2).传感器:两波长LED光源，1=660nm和2=940nm，和一个光电接收管。(3).时序控制电路：用于产生控制光源发光的时序信号和产生分离红光和红外光的同步检测控制信号。,电信学院生物医学工程,(4).同步检测放大电路：将两路微弱的脉搏信号从干扰信号中分离出来，将信号解调还原。(5).AD数据采集电路：将放大电路输出的四路模拟信号(红光直流D1、红光交流A1，近红外光直流D2，近红外光交流A2)转换为数字信号，送入计算机。(6).计算机处理系统：完成对数据采集和过程的控制，并完成脉搏波的识别、显示及血氧饱和度和脉率的计算工作。,电信学院生物医学工程,2.夹指传感器,电信学院生物医学工程,3.LED驱动电路LED驱动电路在控制信号的作用下，顺序产生红光、暗光、红外光、暗光四种工作状态，每两个时钟为一个周期，完成顺序发射工作，如下图所示。混合信号I=I1+24.时序控制电路混合信号I将通过时序控制电路，控制放大电路区分红光，红外光两路信号I1,I2，时钟频率为CP=2KHz的方波，每一时钟周期下半周关闭光源获得环境暗电流输出信号，将总信号中减掉暗电流信号才为有用光信号。,电信学院生物医学工程,控制电路时序图C,电信学院生物医学工程,时序控制电路主要有三个作用：1)产生控制红光，红外光发光的时序信号；2)产生控制暗电流(环境光)的脉冲信号；3)产生分离红光，红外光的同步检测信号，控制同步检测放大器交替放大红光和红外光信号。经过一个时序逻辑控制电路可以得到控制时序如下图。,电信学院生物医学工程,5同步检测放大电路,电信学院生物医学工程,控制信号与时钟CP相同，使电路完成信号和噪声的分离任务。=1（CP=1）放大电路为同相放大器，放大信号。=0(CP=0)使背景噪声被反向放大，产生一个与信号相反的噪声信号，得到信号为正而噪声为负的混合信号时钟CP的二分频得到分离控制信号C和C为其上升沿，为其下降沿，用于分离两I1和I2分离后的信号再通过各自的解调电路和放大低通滤波器,电信学院生物医学工程,6A/D转换和计算机系统计算机将采集数据处理和计算。得到需要的结果。,电信学院生物医学工程,脉动发生器,延时电路,LED2驱动器,LED2驱动器,光电转换器,放大器,LED驱动电路框图,电信学院生物医学工程,电信学院生物医学工程,一次心跳，一侧心室射出的血液量，为每搏输出量（或搏出量）。每分钟射出的血液量，称为心输出量，即心率与搏出量的乘积。以每一平方米表面积计算的心输出量，称为心指数。中等身材成年人体表面积为1.61.7平方米，安静和空腹情况下心输出量约为56L/min，心指数约为3.13.5L/,8.2.1心输出量（HeartOutput）,8.2心输出量的测定方法,电信学院生物医学工程,心输出量的测量（Heartoutput）有：无创测量和有创测量。,有创测量有：直接费克法、指示剂稀释法、热稀释法等。无创测量法有：库比赛克阻抗法（阻抗容积脉图仪法）,电信学院生物医学工程,这里介绍阻抗法实现心输出量的无损伤测定。库比赛克等采用四个电极的阻抗体积描记器估计心输出量。,8.2.2心输出量的无损伤测定,电信学院生物医学工程,阻抗容积描记法(ImpedancePlethysmoGraphy，IPG)又称阻抗血流图(impedancerheogram),阻抗法的基本原理是:血液是一种导体，当被检部位血流增加时，阻抗降低，反之，则阻抗增加。器官血流量随心动周期而变化，阻抗也随之变化，即被检部位阻抗随血流容积而改变。电流一定时，电压随阻抗而变化，只要测得电压的改变，便可得知血管容积的变化，描记下来的图像为阻抗血流图。,电信学院生物医学工程,电极置于上肢或下肢则可描记出肢体血流图，了解肢体血液循环。被用于头部可称为脑血流检测仪，可用于诊断偏头疼或脑血流絮乱。阻抗法是测量搏动性血流，在判断主干阻塞从而影响搏动性血流时较为敏感。,电信学院生物医学工程,H.Cremer被认为是阻抗血流图的创始人3，他在1907年将离体的蛙心在电荷电容场内跳动，第一次显现出心脏活动过程中的生物电阻抗。经过25年后Atzler和Lermann(1932年)利用Cremer所创造的方法，发现心脏在电荷电容场内活动所显现的生物电阻抗就是器官的形态与容积的变化。以后ArcherHopf(1935年)设计了同样类型的电容积描记仪测定上肢的容积波动。Rose(1940年)改进了电极及放置方法成功地利用电阻抗方法记录了颈动脉、肢动脉、股动脉等部位的脉搏波动，使阻抗血流图的方法得到了较大的发展。当时电阻抗容积描记仅是一项实验研究的方法，尚不能用于临床。,电信学院生物医学工程,经过十几年的大量基础理论研究和实际使用，在50年代开始用于头部研究大脑的血液循环，并在1957年由Jenkner定名为“脑血流图”(reoencephalography)，开始在临床上逐步应用。到六十年代有了肝血流图、肺血流图、心阻抗血流图等报道。七十年代有肾血流图等报道，这些都是采用改良的惠斯登电桥来测量阻抗变化，即是电桥式血流图仪(二电极法)。直接式血流图仪尽管在1939年由Nyboer4,5发明，但只是在五十年代及六十年代由Kaindle，Nyboer，Kubicek等对阻抗变化与血液容积变化建立了数学公式之民引起了人们广泛的兴趣和重视。特别是1970年Kubicek6建立了利用阻抗变化的微分来(一阶导数)计算心输出量公式后，直接式血流图仪作为无创伤性的测定心输出量和评价心肌功能在临床上得到了充分的发展和利用。近年来，直接式血流图仪作为血流量的定量测定得到了广泛的应用。,电信学院生物医学工程,电极,Ei即由浓度电势产生Ci为导电膏与皮肤形成的电容Ri为该电容的漏电电阻R为皮肤的其他组织电阻,电信学院生物医学工程,根据测定,当皮肤面积为100平方厘米时,皮肤电容为1F,频率为50H时,Z=3.2K,当频率上升到4KHZ时,皮肤阻抗明显下降为41.6,所以在理疗中,常用中频电流(1KHZ100KHZ)对病人进行治疗。,电信学院生物医学工程,电信学院生物医学工程,8.2.2心输出量的无损伤测定,根据阻抗数据用下述公式计算心输出量。式中：为心室每搏量（毫升），为血液在100千赫时的电阻率（平均值为150欧-厘米）；为两个内侧电极间的平均距离（厘米），为两个内侧电极间的基础阻抗（欧），为外推心脏时的最大阻抗变化。,电信学院生物医学工程,由图中等效电路可知其中的阻抗变化因为所以又为血液的电阻率，L为圆筒的长度（即E2到E3之间的平均距离），S为血管的截面积。,设为每搏量，则代入即得：,电信学院生物医学工程,心脏每搏输出量,电信学院生物医学工程,电信学院生物医学工程,8.2.3心输出量测量有创测量法,1.直接费氏原理法：V01心脏左层左室中的氧浓度（mlO2/ml血）动脉血V02心脏右层右室中的氧浓度（mlO2/ml血）静脉血,右式即每分钟有多少毫升血液经过肺部,电信学院生物医学工程,用此公式可以排除肺静脉血氧含量一般高于系统动脉血氧含量的问题。该方法测心输出量是较准确的方法（平均误差为2.68.5），但由于需作心导管插入术取肺动脉血和动脉穿刺取系统动脉血，同时用范斯莱克法测定血液氧含量要求技术熟练，因此一般临床上不能使用，若研究工作以人为研究对象也不能轻易进行。,电信学院生物医学工程,2.染料稀释法：将一定量的不易透过毛细血管的无毒性染料迅速注入（2s左右注射完成）肘静脉测定出一定时间内染料在血液中的浓度的变化曲线，计算出心输出量。即L/min得心输出量（曲线图见下页）,采取静脉有创注射，抽取静脉血连续观察血液中染料浓度变化的曲线得出。,电信学院生物医学工程,图示为染料稀释法中染料在血液中的浓度相对时间的变化曲线,电信学院生物医学工程,该法有明显优点：一方面不必进行心脏插管和动脉穿刺，只需取静脉血，甚至不取血也可；另一方面用本法算出的心输出量与直接费氏法计算所得的结果大致相等，故早已在临床上应用。,染料稀释法优点,电信学院生物医学工程,3.热稀释法：采用冷媒质作载体，往心房或上腔静脉中注入一定量的冷溶液（0-5摄氏度5%葡萄糖溶液）在肺动脉处放入一温度传感器，测量血液温度的变化，心输出量与血液温度变化的积分成反比。公式如下：,电信学院生物医学工程,优点：1.迅速测知心输出量，并可重复测量;2.指示剂无毒性，没有显著血液动力学影响；3.它在身体组织中充分弥散，无染料指示剂的显著再循环现象。缺点：1.需要插心导管，不是所有患者都可使用；2.带球囊和热敏电阻的多腔导管及热稀释记录仪价格昂贵；3.注入的指示剂在通过导管、心室和血管壁时有温度上升问题。,热稀释法优、缺点,电信学院生物医学工程,电信学院生物医学工程,是将含有有机碘化合物的造影剂快速注入血流，使心脏和大血管在X射线下显影，同时用连续快速摄影法，拍摄心脏和大血管的显影过程，分析造影剂的血液流动顺序及心脏和大血管腔的充盈情况，从而了解心脏和大血管的生理和解剖变化。近年来心血管造影法特别是心血管电影摄影法的盛行，可以利用左心室X线照片的阴影区求出左心室容积。,8.2.4心血管造影法,电信学院生物医学工程,左心室造影可通过经胸壁穿刺左心室法，穿刺心房间隔左心导管检查法（将心导管从左心房经二尖瓣送到左心室），或经动脉逆行性左心导管法等。以后者较为安全，尤以经皮肤穿刺股动脉法送入猪尾状左心室造影心导管较为简便。用该法测心输出量，其结果比稀释法更为满意，可是需要进行心导管插管术，有潜在的危险，只能在手术前作心导管检查的患者中使用，一般临床上不能使用。,电信学院生物医学工程,8.2.5超声血流计,（1）时差式（2）频差式,电信学院生物医学工程,电信学院生物医学工程,电信学院生物医学工程,O点频率,B点接受频率,B点接受频差,电信学院生物医学工程,电信学院生物医学工程,电信学院生物医学工程,数字减影血管造影机,电信学院生物医学工程,电信学院生物医学工程,.血氧饱和度的无损伤测量方法,.血氧饱和度测量原理血红蛋白在人体主要存在形式是氧合血红蛋白（HbO）和还原血红蛋白（HB）两种，血氧饱和度即指氧合血红蛋