提高血氧測(cè)量精度的方法和系統(tǒng)

摘要：本文把血液中含有的膽紅素、高鐵血紅蛋白和碳氧血紅蛋白等物質(zhì)對(duì)血氧測(cè)量的影響考慮在內(nèi)，在傳統(tǒng)的脈搏式血氧飽和度測(cè)量光吸收模型基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)的光吸收模型；同時(shí)為了增加血氧飽和度測(cè)量的精確度，在新的光吸收模型上，推導(dǎo)一種非線性的血氧飽和度檢測(cè)方法；最后，設(shè)計(jì)了一套血氧測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)驗(yàn)證，該方法擴(kuò)大了血氧測(cè)量范圍，提高血氧測(cè)量的精度，能滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的測(cè)量要求。

關(guān)鍵詞：血氧飽和度 光吸收模型 方法 精度

0 引言

Brinkman和Zijlstra是最早提出脈搏波血氧飽和度測(cè)量方法的兩位科學(xué)家。隨后，日本人Aoyaji于1972年利用紅光和紅外光的穿透機(jī)理直接算出了脈搏血氧飽和度。青柳卓雄等人在1974年發(fā)表了代表性文章，該文章中提出了脈搏血氧計(jì)的測(cè)量方法[1]，緊接著，世界上第一臺(tái)基于該測(cè)量方法的脈搏血氧飽和度測(cè)量?jī)x原型問(wèn)世；基于該原型儀器被很多公司不斷完善，最終推出了無(wú)創(chuàng)、連續(xù)的血氧測(cè)量的商業(yè)化儀器，并快速地被推廣普及。1982年，隨著光學(xué)研究方面的不斷進(jìn)步，Nellcor采用雙波長(zhǎng)測(cè)量技術(shù)和計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)，快速處理光傳感器反饋回來(lái)的光信號(hào)信息，設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)的血氧測(cè)量?jī)x，標(biāo)志著血氧測(cè)量進(jìn)入了新時(shí)代。90年代后，該標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量?jī)x被不斷完善并得到廣泛應(yīng)用，成為一種不可缺少的臨床診斷設(shè)備。[2]

盡管上述的各種血氧測(cè)量方法和裝置的出現(xiàn)和應(yīng)用使得血氧飽和度的無(wú)創(chuàng)連續(xù)檢測(cè)達(dá)到了較為理想的境界，但雙波長(zhǎng)透射式的脈搏血氧飽和度測(cè)量方法在實(shí)際應(yīng)用中仍存在著一些難以解決的問(wèn)題：由于上述的標(biāo)準(zhǔn)血氧測(cè)量設(shè)備中僅僅考慮了血液中兩種血紅蛋白（氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白）對(duì)光的吸收作用，對(duì)于血氧中的其他血紅蛋白（碳氧血紅蛋白（COHb），高鐵血紅蛋白（METHb），膽紅素[3]等）的光吸收作用采用忽略不計(jì)的測(cè)量方法，所以，這種雙波長(zhǎng)的測(cè)量方法的精確度會(huì)受很大影響，存在血氧飽值和度估計(jì)過(guò)高或低。

1 改進(jìn)的光吸收模型

透射式脈搏波血氧飽和度檢測(cè)的傳統(tǒng)模型包含了下面兩個(gè)假設(shè)：

①動(dòng)脈血中血紅蛋白只有氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白，其他血紅蛋白忽略不計(jì)。

②氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白兩者的吸光系數(shù)[4]近似相等，在測(cè)量方法推導(dǎo)過(guò)程中采用兩者吸光系數(shù)曲線的交點(diǎn)。

對(duì)于傳統(tǒng)模型中，在建模過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)測(cè)量所得的血氧飽和度高于血?dú)夥治鰞x測(cè)得的數(shù)據(jù)，原因是忽略了碳氧血紅蛋白和高鐵血紅蛋白的影響。特別是碳氧血紅蛋白和高鐵血紅蛋白含量越高時(shí)，誤差越大。當(dāng)動(dòng)脈搏動(dòng)時(shí)，動(dòng)脈血中存在很多因素會(huì)使光的吸收發(fā)生變化，這些因素不僅僅包含了氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白，還有動(dòng)脈血中的其他成分如碳氧血紅蛋白、高鐵血紅蛋白等；同時(shí)動(dòng)脈周?chē)募∪狻⒔M織骨骼和靜脈血隨著動(dòng)脈的博動(dòng)其形態(tài)方面也會(huì)發(fā)生變化，這些因素都會(huì)影響到透射光強(qiáng)。相比起氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白對(duì)吸光光強(qiáng)的影響，其他因素對(duì)光強(qiáng)變化影響要小。[5]下面我們要介紹一種改進(jìn)的光吸收模型，該模型會(huì)充分考慮上述幾個(gè)因素對(duì)光吸收量的作用，全面分析測(cè)試區(qū)域?qū)鈴?qiáng)的吸收過(guò)程。

改進(jìn)的血氧模型除了采用了傳統(tǒng)模型的特征外，主要有下面兩個(gè)不同點(diǎn)：

①為了避開(kāi)復(fù)雜的計(jì)算推導(dǎo)，同時(shí)由毛細(xì)血管的生理特性可知，其形狀對(duì)光強(qiáng)的影響甚微，假設(shè)毛細(xì)血管是方形的管狀物。由下面血管模型可知，方形表示血管，方形內(nèi)區(qū)域是動(dòng)脈血液，方形之外是周?chē)募∪?、骨骼、組織和靜脈血。整個(gè)透光區(qū)域的吸光光程為l0，在動(dòng)脈血管搏動(dòng)之前，方形腔變長(zhǎng)為2l，搏動(dòng)后邊長(zhǎng)增加△l。

②動(dòng)脈中氧合血紅蛋白（HbO2）吸光系數(shù)和濃度分別為ε■，C■；還原血紅蛋白（Hb）的吸光系數(shù)和濃度分別為ε■，C■；其他形式的血紅蛋白和物質(zhì)的吸光系數(shù)和濃度分別表示為ε■，C■；動(dòng)脈血管周?chē)募∪?、組織、骨胳、靜脈血等對(duì)檢測(cè)光的吸光系數(shù)及濃度分別表示為ε■，C■。采用單色平行光垂直照射被測(cè)組織，光強(qiáng)為i0。

在動(dòng)脈搏動(dòng)前，根據(jù)Lambert－Beer定律可得透過(guò)該組織區(qū)域的透射光強(qiáng)為：

Iout=2Δ*i0*e■+2l*i0*e■*

e■ （1）

搏動(dòng)后，透射光強(qiáng)重新表示為：

I′out=2（l+Δl）*i0*e■*

e■（2）

ΔI=Iout-Iout′

=2Δ*i0[e■-e■]+2li0[e■*e■-e■*

e■]

=2e■Δl*i0[1-e■]+

2li0e■*

[1-e■]

為了方便表示，記A=ε■*C■+ε■C■+ε■C■-ε■C■

可得：

ΔI=2e■Δl*i0[1-

e■]+2li0e■*[1-e■]

=2li0e■+2e■Δl*i0-2e■*(l+Δl)*i0*e■

當(dāng)Δl→0時(shí)，上式中e■Δl*i0可以忽略，l+Δl≈l，因此，上式可以簡(jiǎn)化為

Δl=2li0e■*(1-e■) （3）

記IDC=2li0e■，可以看出IDC與光程變化量△l無(wú)關(guān)，但是與模型中的吸光系數(shù)和濃度有關(guān)，因此把△I看作是透射光強(qiáng)交流分量，而IDC作為是透射光強(qiáng)的直流分量則：

IAC=IDC*（1-e■） （4）

對(duì)上式取自然對(duì)數(shù)：

ln(■)=-2A*Δl （5）

從而可以推導(dǎo)出：

■=2A*Δl

=2(ε■*C■+ε■C■+ε■C■-ε■C■) （6）

從6式可以看出，在新的光吸收模型中，透過(guò)被測(cè)區(qū)域的光強(qiáng)變化率不僅僅受動(dòng)脈血內(nèi)氧合血紅蛋白、還原血紅蛋白的影響，其他形式血紅蛋白及物質(zhì)和管外物質(zhì)也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。

2 基于改進(jìn)模型的新血氧測(cè)量方法

上節(jié)在傳統(tǒng)吸光模型的基礎(chǔ)上對(duì)吸光模型進(jìn)行改進(jìn)和校正，把動(dòng)脈血中其他血紅蛋白及動(dòng)脈血管周?chē)募∪?、組織、骨胳、靜脈血以和外圍皮膚等物質(zhì)的影響考慮在內(nèi)，全面分析光強(qiáng)在血氧中的透射吸收過(guò)程。同時(shí)，我們根據(jù)新的血氧模型，對(duì)經(jīng)典血氧飽和度測(cè)量方法[6]進(jìn)行修改如下：

當(dāng)采用波長(zhǎng)分別為λ■和λ2的入射光照射被測(cè)人體時(shí)，令

Dλ■=■ （7）

Dλ■=■ （8）

則■=■=■（9）

其中，ε■■，ε■■，ε■■，ε■■分別為其他形式的血紅蛋白和物質(zhì)、動(dòng)脈血管周?chē)募∪?、組織、骨胳、靜脈血等、氧合血紅蛋白（HbO2）和還原血紅蛋白（Hb）對(duì)檢測(cè)光的吸光系數(shù)；C■，C2，C■，C■分別其他形式的血紅蛋白和物質(zhì)、動(dòng)脈血管周?chē)募∪?、組織、骨胳、靜脈血等、氧合血紅蛋白（HbO2）和還原血紅蛋白（Hb）對(duì)檢測(cè)光的濃度。

當(dāng)動(dòng)脈血內(nèi)其他形式物質(zhì)m1及管外物質(zhì)m2的吸光系數(shù)及濃度變化較小時(shí)，我們可以作以下處理，令

ε■■ C■+ε■■C■+ε■■C■-ε■■C■=k11ε■■ C■+k12ε■■C■ （10）

ε■■ C■+ε■■C■+ε■■C■-ε■■C■=k21ε■■ C■+k22ε■■C■ （11）

其中，K11，K12，K21，K22分別是的HbO2和Hb對(duì)應(yīng)于波長(zhǎng)λ■、λ2的修正系數(shù)。

即

■=■=■ （12）

從而，血氧飽和度的計(jì)算公式可表示為

SpO2=■ （13）

令

ε■■＝k11ε■■，ε■■=k12ε■■

ε■■＝k21ε■■，ε■■=k22ε■■

則血氧飽和度計(jì)算公式可重新表示為

SpO2=■ （14）

其中，ε■■，ε■■，ε■■，ε■■分別是對(duì)應(yīng)于波長(zhǎng)λ■、λ2的還原血紅蛋白和氧合血紅蛋白的等價(jià)吸光系數(shù)。

從上述分析可知，我們測(cè)量血氧飽和度只需要利用光傳感器得到兩束光通過(guò)毛細(xì)血管的光強(qiáng)變化率IAC/IDC，通過(guò)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)計(jì)算出■，把該值代入計(jì)算公式14，計(jì)算脈搏式血氧飽和度。采用上述方法對(duì)于血氧的計(jì)算非常方便快捷，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，而且大大提高了血氧的測(cè)量精度。

3 血氧測(cè)量系統(tǒng)

為了驗(yàn)證采用上述方法計(jì)算血氧的準(zhǔn)確度，我們還設(shè)計(jì)了一套血氧系統(tǒng)，具體系統(tǒng)框圖如圖2所示。血氧傳感器血里邊的光探頭采集血氧脈搏光波信號(hào)，該信號(hào)比較微弱，需采用血氧放大電路將信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)放大；多路選通電路選擇需要處理的信號(hào)，通過(guò)AD轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并將數(shù)字信號(hào)送DSP處理；利用改進(jìn)模型中所介紹的血氧飽和度檢測(cè)方法來(lái)確定血氧飽和度。同時(shí)，DSP外部擴(kuò)展1 路USB 2.0高速接口，方便同PC 系統(tǒng)進(jìn)行USB通訊，最后在輸出端通過(guò)USB2.0協(xié)議將數(shù)據(jù)傳送到醫(yī)學(xué)信息處理軟件。該系統(tǒng)采用TI公司的高性能數(shù)字處理芯片DSP為核心，協(xié)調(diào)控制和數(shù)字處理與一體，AD轉(zhuǎn)換精度達(dá)到16位，并可同時(shí)進(jìn)行多通道采樣，高效而精確地血氧脈搏波信號(hào)的采集、調(diào)理和分析，同時(shí)DSP的采樣滿足了復(fù)雜數(shù)據(jù)處理算法。

采用該血氧測(cè)量系統(tǒng)和常規(guī)無(wú)創(chuàng)血氧測(cè)量系統(tǒng)比較，發(fā)現(xiàn)其血氧測(cè)量精度有明顯提高；特別在一些特殊病人群體中（如碳氧血紅蛋白量過(guò)高或者血管周?chē)M織異常），其血氧飽和度測(cè)量基本可以達(dá)到有創(chuàng)血氧測(cè)量的精度。

4 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)創(chuàng)血氧測(cè)量廣泛應(yīng)用于ICU、手術(shù)室和睡眠研究等多個(gè)領(lǐng)域，其應(yīng)用范圍不斷地?cái)U(kuò)大，血氧值對(duì)于醫(yī)生病人來(lái)說(shuō)其指示意義也越來(lái)越重要[7]。由于測(cè)量結(jié)果受各種因素影響，其精度仍然不能達(dá)到理想的應(yīng)用要求，如何進(jìn)一步提高其測(cè)量精度仍在不斷的探索中。本文從血氧中的碳氧血紅蛋白等其他物質(zhì)入手，將這些物質(zhì)的光學(xué)因素考慮在內(nèi)，提出了一種新型的血氧測(cè)量模型，并推導(dǎo)出一種新的血氧測(cè)量方法，從理論上引入了一種提高血氧測(cè)量精度的辦法，具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。最后，利用設(shè)計(jì)的血氧測(cè)量系統(tǒng)，將最好的測(cè)量方法融入到測(cè)量系統(tǒng)中去，經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，該方法有效地提高了無(wú)創(chuàng)血氧測(cè)量的精度。

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