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1、生物医学传感器与检测技术,第八章 血氧饱和度和心输出量的无创伤测量方法,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：,8.1 血氧饱和度的无创伤测量方法,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SaO2(Blood
2、oxygen saturation)：SaO2=(氧含量/氧容量)100%,8.1 血氧饱和度的无创伤测量方法,8.1-2 血氧饱和度测定的意义 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。血氧饱和度，是临床医疗上重要的基础参数。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。,8.1 血氧饱和度的无创伤测量方法,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(Pulse Oximetry)。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
3、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。,8.1 血氧饱和度的无创伤测量方法,8.1-3 脉搏血氧测量法基本建模原理 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。其建模方法有三方面。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。,8.1 血氧饱和度的无创伤测量方法,浓度测量或血氧饱和度 测量时
4、，正是利用这个特性，通过测量光强从而求出浓度C。取对数的形式：,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。,8.1 血氧饱和度的无创伤测量方法,2.血氧饱和度定义和血红蛋白光吸收特性 在脉搏血氧测量法中，血氧饱和度指功能饱和度，常用SpO2表示血氧饱和度。其条件是忽略动脉血管中其它成分影响仅考虑氧合血红蛋白(HbO2)和还原血红蛋白(Hb)，所以血氧饱和度SpO2的定义是：,CHbO2表示氧合血红蛋白含量，CHb表示还原血红蛋白含量,8.1 血氧饱和度的无创伤测量方法,两种血红蛋白的光吸收特性曲线如图所示,8.1 血氧饱和度的无创伤测量方法,在
5、红光谱区(600 nm-700 nm)，HbO2和Hb的吸收差别很大，因而血液的光吸收程度极大地依赖于血氧饱和度的大小；在近红外光谱区(800 nm-1000 nm)，则其吸收差别较小，在805 nm左右为等吸收点。所以不同氧饱和度的血液光吸收程度主要与两种 血红蛋白含量比例有关。,8.1 血氧饱和度的无创伤测量方法,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区分动脉和其他组织，实现动脉血液中测量血氧饱和度。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
6、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。,8.1 血氧饱和度的无创伤测量方法,传感器光信号成分分析图,8.1 血氧饱和度的无创伤测量方法,动脉血管光程变化等效示意,8.1 血氧饱和度的无创伤测量方法,动脉充盈引起血管厚D增加到D+D，透光量IDC则减少为IDC+AC，为了求解，采用红光(1=660nm)和近红外光(2=940nm)二个波长比例的方法，运用比尔定律分别得到：,01,02和r1,r2分别是1和2，两波长下的HbO2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。,8.1 血氧饱和度的无创伤测量方法,取K
7、为两波长吸光度的比值：,式中A1和A2分别表示两波长1和2条件下吸光度的变化值。将双波长吸光度比率与血氧饱和度SpO2定义联立求解得到：,8.1 血氧饱和度的无创伤测量方法,在红光波长1下，r1 01 近红外光波长2下，r2 02简化为：,SpO2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 SpO250%的测量情况下，经动物实验得到：,8.1 血氧饱和度的无创伤测量方法,8.1-4 脉搏血氧测试系统的设计1.系统的硬件的组成及功能,8.1 血氧饱和度的无创伤测量方法,夹指传感器,8.2 心输出量的无创伤测定方法,8.2-1心输出量心脏输
8、出量是描述心脏功能的基本指标。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。测量心输出量(包括血流速度和流量)的方法很多，如费克法、指示剂法等有创伤测定方法和阻抗式容积脉图仪、超声血流计等无创伤测定方法。,8.2 心输出量的无创伤测定方法,8.2-2直接费克法(Fick principle)费克原理：在一定时间内，某物质从某器官血液中放出，放出量应等于血液进入和离开该器官前后该物质在血液中的含量之差。设t内，体积V的某物质从一器官血液中放出，进入和离开该器官前后该物质在单位体积血液中含量为Ci和Co，血液流量为Q：,8.2 心
9、输出量的无创伤测定方法,由上式可以得出：,如果能够测得某一物质V(体积)、t(时间)、某一物质在单位体积血液中的含量Ci和Co，则血液的流量(心输出量)即可以算出来。,8.2 心输出量的无创伤测定方法,选择“肺”作为“器官”，“氧”作为“物质”。全身的血液在通过肺部时都要进行氧和二氧化碳的气体交换。把通过肺部以前的血液和通过肺部后的血液分别进行血含氧量测定。再测定呼吸耗氧量，就可以算出血液的总流量，即心输出量。,8.2 心输出量的无创伤测定方法,例如，进入肺部的混合静脉血含氧量为13%，而动脉血含氧量为19%，呼吸耗氧量为250ml/min,则心输出量应为：,8.2 心输出量的无创伤测定方法,
10、8.2-3 指示剂稀释法将某种己知量的物质注入心腔或血管中，根据指示剂被血流稀释的浓度变化曲线推算血液流量的一种方法。研究心输出量的常用方法 例如：在血管某处注入指示剂，沿血流方面在另一处检查血液中指示剂的浓度。,8.2 心输出量的无创伤测定方法,设指示剂质量为M，该处瞬时浓度为C。设血液平均流量为Q。则在很短的时间t内流过血液中指示剂含量为QCt。全部指示剂都流过去时，应为：,8.2 心输出量的无创伤测定方法,指示剂稀释 浓度C的曲线：,浓度C的积分等于浓度曲线所包围的面积 实际按延长虚线下面积计算。实线表示流过含指示剂血液二次再返回表现出指示剂浓度。,8.2 心输出量的无创伤测定方法,指示
11、剂选择：考虑定量分析方面具有什么物理 特性(电化学、光学、热学、放射线等)。例如，便于光学定量分析(比色方法)的有心脏绿(indocyanine green)等染料指示剂。便于热学方面定量分析(即所谓热稀释法)的有冷的(1822)氯化纳溶液或5%葡萄糖液。,8.2 心输出量的无创伤测定方法,例如：热稀释法：把含一定热量的液体（10ml、0、5%的葡萄糖）注入上腔静脉或右心房 经右心房和右心室与血液混合后,在肺动脉处由导管热敏电阻感知血液温度的变化曲线 再通过电子计算机将信号放大、计算处理,8.2 心输出量的无创伤测定方法,应用曲线计算心输出量公式：,M：注入的指示剂量(ml)；血液和注入物的温
12、度Tb和Ti；血液和注入物的比重Sb和Si；血液和注入物的比热Cb和Ci；Tb为血液的温度变化。,8.2 心输出量的无创伤测定方法,热稀释法优点：能迅速测知心输出量，可重复测量；指示剂无毒性，没有显著血液动力学影响；在身体组织中充分弥散，无染料指示剂的显著再循环现象。缺点是：需要插心导管，不是所有患者都可使用；注入的热指示剂通过导管、心室和血管壁时有温度随外因上升问题。虽然通过循环使对温度影响减小，但稀释曲线仍出现“阻尼”现象。,8.2 心输出量的无创伤测定方法,8.2-4 阻抗式容积脉图仪阻抗式容积脉图仪(impedance plethysmogram)是一种采用阻抗法测定心输出量的无创伤方
13、法。当脉搏式血流通过血管时，血管容积将会发生周期性变化。把血管容积的这种变化描记下来，成为容积脉图。容积变化直接反映心输出量变化。,8.2 心输出量的无创伤测定方法,描记容积脉图的方法：有电容式容积脉图仪和阻抗式容积脉图仪。目前较为常用是阻抗式容积脉图仪。阻抗式容积脉图仪基本原理：利用电阻抗和血管容积之间一定比例关系，描记电阻抗变化来间接表示血管容积变化，电阻抗变化曲线来代表容积脉图，叫做阻抗容积脉图。,8.2 心输出量的无创伤测定方法,利用阻抗式容积脉图仪描记心、肝、肺、肾、头部、四肢等部位的动脉容积的变化脉图。容积脉图也称为血流图，如脑血流图、肝血流图、肺血流图、肾血流图等等。阻抗式心输出
14、量测量是无损伤性的。比其他方法（费克法、指示剂指稀释法等）要方便，更具备实际应用的价值。,8.2 心输出量的无创伤测定方法,1.库比塞克阻抗法测心输出量原理图,测量原理：测量用4个电极：外侧两电极连到100kHz的恒定正弦电流源 内侧两电极连到高输入阻抗的放大器，测定两个内侧电极处：1）基础阻抗 2）随心动周期而变化的阻抗 3）阻抗的一阶导数,8.2 心输出量的无创伤测定方法,设心脏每搏量为V(ml),为血液电阻率(平均值为150cm)；L为两电极平均距离(cm)；Z0为两电极间基础阻抗()；Z为心脏收缩时最大阻抗变化。,8.2 心输出量的无创伤测定方法,2.实际测量公式推导：,Z0为血液从心
15、脏输出前胸廓阻抗，基础；ZS为随心输出量变化大动脉圆柱阻抗,胸廓阻抗 等效电路,8.2 心输出量的无创伤测定方法,阻抗变化Z：,可得到：(在Z0Z),8.2 心输出量的无创伤测定方法,血液电阻公式：,：血液电阻率 L：血管长度（两电极间距离）S：血管的截面积。设V为每搏输出量，则：V=LS,8.2 心输出量的无创伤测定方法,已知血液电阻率，测得血管长度L，胸部基础阻抗Zo和阻抗变化量Z，可计算出每搏输出量 问题在于如何正确测量Z：在实际临床测量中，库比塞克方法是利用阻抗微分图上的峰值(dz/dt)max和射血时间Tz(Tz=c)的乘积来代替Z：即 Z=(dz/dt)max Tz,8.2 心输出
16、量的无创伤测定方法,实际的心脏每搏输出量V关系式，即用阻抗容积图的库比塞克计算方法：,若已知心率HR(heart rate)，则心输出量Q的计算公式：Q=V HR,8.2 心输出量的无创伤测定方法,举例：采用阻抗法测人体心输出量，若受试者心率为每分钟65次。从阻抗微分图上测得(dz/dt)max=2.4/s，射血时间Tz=0.3s。已知L=25cm，Z0=27，取血液电阻率=135cm。试计算心脏每搏输出量和心输出量。解：每搏输出量：,V=135(25/27)22.40.3=83(ml)已知心率为65次/分，则心输出量：Q=V HR=(83/1000)65=5.4(L/min),8.2 心输出
17、量的无创伤测定方法,3.基于导纳的关系式 计算心脏每搏输出量公式中将阻抗换成导纳关系，结果会变得更简便一些。无须测量基础阻抗Zo，省去一项测量。,证明：,Y：导纳；S：血管的横截面积；L：血管的长度；：血管电阻率；V：血管的体积。代入 V=S L 可得：V=S L=L2y,8.2 心输出量的无创伤测定方法,实际测量每搏输出量计算公式：,V：心脏每搏输出量，L：电极间的距离，：血液电导率，(dy/dt)max导纳的导数最大值，Ty：微分图上确定的心室射血时间。用导纳法公式不需要基础导纳，这是一个优点。,8.2 心输出量的无创伤测定方法,4.阻抗图的其它临床应用 阻抗法除了用于测心输出量外，还可以
18、用于人体不同部位血流量的测量，例如可以记录脑阻抗图、肝阻抗图、肺阻抗图、肾阻抗图等容积描记图。可以为临床诊断、治疗或有关基础生理的研究提供一个客观的测量指标。正常的阻抗图的波形如下图。阻抗图的波形反映了血管的生理状态。,8.2 心输出量的无创伤测定方法,阻抗波形图,h1为收缩波幅度，h2为舒张波幅度，M为第一峰，N为第二峰(重搏波)，A流入时间，B为流出时间，C为重搏波切迹高度，L为重搏波深度。,8.2 心输出量的无创伤测定方法,5.阻抗法心输出量测量的仪器 阻抗法心输出量测量仪一般又称之为阻抗容积描记器或阻抗血流图仪。这种仪器的种类比较多，但是仪器的原理基本相同。阻抗心输出量测量仪主要由振荡器、高频放大器、整流器、直流放大器、Z放大器、输出放大器、定标信号发生器和Z0指示器组成。此外，尚需配用微分器，以便记录dZ/dt，其框图如图所示。,8.2 心输出量的无创伤测定方法,阻抗心输出量测量仪框图,
