肺动脉血氧饱和度检测系统研究
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I
目 录
中文摘要
ABSTRACT
目 录 ............................................................................................................................... I
第一章 绪 论 ...............................................................................................................1
§1.1 血氧饱和度的概念 .........................................................................................1
§1.2 近红外光谱法血氧饱和度监测的发展 .........................................................2
§1.2.1 体表血氧饱和度监测 ...........................................................................2
§1.2.2 人体腔道介入式动脉血氧饱和度的监测 ...........................................2
§1.3 混合静脉血氧饱和度监测的意义 .................................................................5
§1.3.1 混合静脉血氧饱和度监测的意义 .......................................................5
§1.3.2 混合静脉血氧饱和度监测的可行性分析 ...........................................7
§1.4 腔道介入式混合静脉血氧饱和度监测的研究 ...........................................10
§1.4.1 经食道无创监测混合静脉血氧饱和度 .............................................10
§1.4.2 经气管无创监测混合静脉血氧饱和度 .............................................10
§1.5 课题来源及课题中要解决的问题 ...............................................................11
第二章 血氧饱和度的漫反射检测方法研究 .............................................................14
§2.1 漫反射光子技术探测生物组织特性理论基础 ...........................................14
§2.1.1 时域时间分辨测量理论 .....................................................................14
§2.1.2 频域相位调制测量理论 .....................................................................16
§2.1.3 基于连续光的稳态漫反射测量理论 .................................................17
§2.2 血容量与血氧饱和度计算 ...........................................................................18
§2.3 近红外光谱氧饱和度检测的应用 ...............................................................19
§2.3.1 氧饱和度检测应用于癌症诊断与治疗 .............................................19
§2.3.2 氧饱和度检测应用于脑功能成像研究中 .........................................20
§2.3.3 近红外光谱技术应用于体内腔道氧饱和度检测 .............................20
§2.4 血氧用脉搏传感器 .......................................................................................21
§2.4.1 透射式光电传感器 .............................................................................21
§2.4.2 反射式光电传感器 .............................................................................22
§2.5 脉搏血氧计的探头设计 ...............................................................................23
§2.5.1 体表接触式血氧仪的探头设计 .........................................................23
II
§2.5.2 体表非接触式血氧仪的探头设计 .....................................................26
§2.5.3 体内腔道血氧饱和度检测探头设计 .................................................27
§2.5.4 本课题探头设计 .................................................................................27
§2.6 本章小结 .......................................................................................................28
第三章 斜端面光纤光线发射、接收特性分析 .........................................................29
§3.1 斜端面光纤的选择和加工需求 ...................................................................29
§3.2 阶跃折射率光纤的光线理论 .......................................................................29
§3.2.1 子午面内光线的传播 .........................................................................30
§3.2.2 斜光线在阶跃型光纤中的传播 .........................................................31
§3.3 实现光纤侧面发光的途径 ...........................................................................32
§3.3.1 出射光纤端面加偏转棱镜 .................................................................33
§3.3.2 光纤端面磨削成 45°，加镀反射膜 .................................................. 34
§3.4 光纤出射端面倾斜效应 ...............................................................................34
§3.5 入射光纤端面倾斜效应的讨论 ...................................................................36
§3.5.1 入射光纤端面倾斜效应的讨论 .........................................................36
§3.5.2 出射光纤端面倾斜效应：中心光线偏折角的计算 .........................37
§3.5.3 入射光纤端面倾斜效应：接收角范围的计算 .................................38
§3.6 本章小结 .......................................................................................................39
第四章 斜端面光纤光线发射、接收特性实验研究 ...............................................41
§4.1 实验用仪器、器件选择 ...............................................................................41
§4.2 单根斜端面光纤出射端功率分布测量 .......................................................43
§4.2.1 30°斜端面光纤出射端的功率分布 ................................................... 43
§4.2.2 45°斜端面光纤出射端功率分布测量 ............................................... 47
§4.3 双根斜端面光纤组合测量 ...........................................................................49
§4.4 本章小结 .......................................................................................................52
第五章 总结 .................................................................................................................53
§5.1 总结 ...............................................................................................................53
§5.2 存在的问题 ...................................................................................................54
参考文献 .........................................................................................................................56
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................61
致 谢 .............................................................................................................................62
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 血氧饱和度的概念
氧是人体组织活动的基础，人体内细胞的正常生存和活动都有赖于氧连续而
充足的供应，机体的组织缺氧是导致许多疾病的直接原因。许多呼吸系统的疾病
会引起人体血液中血氧浓度的减少，严重的会威胁人的生命；几秒钟的脑缺氧即
导致意识丧失，如达2~3min将造成不可逆转的细胞死亡；对骨骼肌含氧量的无损
检测是评定肌肉组织有氧代谢功能和运动强度的有力手段。临床上一般通过测量
血氧饱和度来判断人体血液中的含氧量。
血氧饱和度是指血液中(血红蛋白)实际结合的氧气(氧含量)占血液中(血红蛋
白)所能结合氧气的最大量(氧容量)的百分比。血氧饱和度的定义可表示为[1,2]
2 2
2/( )
HbO HbO Hb
SaO C C C
（1－1）
式中
2
HbO
C
、
Hb
C
分别表示组织中氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度，
2
SaO
表示
血氧饱和度值。
人体组织的血氧饱和度是人体最简单的生命指征之一，临床上许多场合都要
对血氧饱和度进行测量，如心脏病人的外科手术、危重病人的抢救、新生儿护理、
胎儿监护等。
血氧饱和度的检测手段分为有创和无创两种方法。有创的方法是抽取动脉中
的血液，利用血气分析法或在分光光度计测定光密度的基础上计算血氧饱和度。
血气分析法是将采到的血样利用血气分析仪进行电化学分析，测出血氧分压进而
进行计算，可为临床提供准确的血氧饱和度值，应用于很多需要准确的血氧饱和
度数据的场合，如深低温停循环手术、产程中胎儿监护等；利用分光光度计测定
从动脉血中抽取血样的光密度，并在此基础上计算血氧饱和度[3]。这种方法仍用于
临床的准确测定以及体外血液循环机的监测。此方法的原理则是以双波长的朗伯
比尔定律为基础，并利用
Hb
和
2
HbO
的吸光系数随波长改变的特性进行计算，并
且这一基本原理己发展作为无创检测的基础。
肺动脉血氧饱和度检测系统研究
2
§1.2 近红外光谱法血氧饱和度监测的发展
由于血氧饱和度的有创检测方法不仅费时、易对患者造成痛苦甚至感染，而
且不能提供连续、实时的血氧饱和度数据，因此采用无创的方法获得血氧饱和度
值的尝试一直在不断进行。鉴于血液中脱氧血红蛋白(
Hb
)和氧合血红蛋白(
2
HbO
)
在红光、红外光区(600nm- 1000nm)有独特的吸收光谱从而使红外光谱法成为研究
组织中血液成份的简单可靠的方法。利用光谱学的方法对生物组织进行无损检测
具有安全可靠、连续实时及无损伤的特点。
§1.2.1 体表血氧饱和度监测
用近红外光谱法测量人体血氧饱和度是利用氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白独
特的光谱吸收特性得出脉搏血氧饱和度，从而间接反映出动脉血氧饱和度。其理
论基础最早可以追溯到1851年，August Beer(德)发表吸收光测定基本原理，即
Lambert-Beer法则。这一理论阐述了：当特定波长的光穿过一定厚度的溶液时，光
强的衰减程度。此理论到目前为止仍作为大多数血氧仪监测血氧饱和度的基础。
其后一些研究人员又针对吸收光谱与血氧饱和度之间的变化关系做了大量研究。
上世纪70年代末出现了最早的较为完善的实用化脉搏血氧计商品仪器。进入
80年代，透射式脉搏血氧计出现，这种仪器从指尖或耳垂测量透射光，假设透射
光的波动完全由动脉波产生，并由此计算动脉血氧饱和度，从而使其逐渐进入工
业生产及临床实用阶段[3]。
在透射式脉搏血氧计发展同时，利用光谱法测量重要器官和组织血氧的研究
工作也相应有所进展。自1977年Jobsis将红外光用于测量脑组织氧代谢以来，到80
年代中期，Jobsis、Wyatt JS及Delpy DT都在研究透射模式的脑血氧监测装置，并
初步用于早产儿及新生儿的临床监护。进入90年代，MoCormick利用反射光谱及独
特的深浅双光路对比检测的传感器设计，完成了可实用化的脑血氧饱和度测量装
置的研制[4,5]，并由Somanetics公司改进后推向临床，成为商品化的脑血氧计[6]。
红外光谱法在运动学方面，对肌肉血氧含量的测量取得了一定的进展。美国
宾夕法尼亚大学医学院Britton Chance率先推出肌肉血氧饱和度检测装置[7]。
§1.2.2 人体腔道介入式动脉血氧饱和度的监测
常规的血氧饱和度测量，传感器通常置于体表。具备良好的末梢组织灌注是
实现体表稳定测量
2
SpO
的基本保证，当患者大面积烧伤，或进行体外循环术时，
第一章 绪论
3
平均动脉压（MAP）和温度降低的情况下，指端血氧饱和度探头测定的结果受到
影响，外周测定的血氧饱和度可信度受到置疑。并且，在低灌注和机械干扰的情
况下，手指和耳朵等外周部位测定的血氧饱和度往往不准[8~10]。已有研究表明：将
血氧计置入人体内血管丰富的地方，诸如食道、咽、气管，可以提供更精确的
2
SpO
读数。因此，医学上要求利用近红外光谱技术无创（微创）、实时检测体内腔道
组织血氧饱和度。
由于腔道介入式血氧监护需要探头深入体内，加上人体本身结构的复杂性，
用近红外光谱法监测混合静脉血氧饱和度的研究起步比较晚，目前仍处于实验室
研究阶段。
1．经左支气管无创监测动脉血氧饱和度
Brimacombe 等根据主动脉弓部和左颈总动脉紧邻左气管的解剖关系，实现
经左支气管无创监测
2
SpO
。他们将一次性儿童脉搏血氧探头用粘贴手术巾附在一
个内直径为 7.5mm 标准气管导管左侧的套囊上，如图 1－1。通过检喉镜指导气管
导管插入气管，使套囊位于气管中部且血氧探头朝向左气管。当套囊膨胀时，探
头紧贴左支气管，气管
2
SpO
读数比指端
2
SpO
读数更接近
2
SaO
[8]。这说明气管及
其相邻的组织比指端灌注更好。
这一发现说明通过气管壁记录动脉脉搏血氧饱和度是可行的，同时他们的实
验证明气管内
2
SpO
信号主要来源不是气管黏膜，而是更深处的主动脉或颈动脉等
大动脉。
2．经食管监测动脉血氧饱和度
Kyriacou等将研制的血氧探头置入食道[11~14]，如图1－2，检测食道内距离上切
牙分别为15cm,20cm,25cm,30cm,35cm处血氧PPG信号。结果发现在25cm处具有最
图1－1血氧探头附于气管导管左侧的套囊上[8]
肺动脉血氧饱和度检测系统研究
4
强PPG信号，在所有检测深度上，无论红光还是红外光均能获得高信噪比的PPG信
号，且红光PPG信号振幅约是相应深度上红外光信号的0.45倍。据此，他们得出结
论食道可以作为动脉血氧饱和度检测的又一监测点。
国内四川大学华西医院麻醉科做了经食管监测主动脉血氧饱和度（
2
SteO
）的
研究[15]。他们根据食管下端紧邻降主动脉的解剖关系，将自制SteO2探头置入食管
下段，调节探头在食管内的位置和方向至
2
SteO
读数和图像稳定。整个监测过程中
保持
2
SteO
探头的位置和角度不变。监测结果证明：经食道监测主动脉血氧饱和度
具有可行性。主动脉血氧饱和度（
2
SteO
）对急性缺氧、供氧状态的反应敏感性高
于
2
SpO
。监测SteO2早发现急性缺氧并及早处理，能在预警条件下，提前100s左右
报警，这对医务工作者提高监测的认识水平，节约每1秒钟抢救患者生命，赢得了
十分宝贵时间，具有十分重要的临床意义。
这种连续监测
2
SteO
方法，属于微创或无创技术，操作简单、方便易行，仪器
不需要定标，可以随时使用，并可以根据需要设置上、下限报警，普通医务人员
无须特殊专业训练即可完成，普通临床常用的生命体征监护仪即可完成，同时可
以在围手术麻醉期、ICU和病房床旁完成，成本远低于多次血气分析
2
SaO
，更无
穿刺创伤和血液浪费之虑，优点突出。具有潜在的临床意义和社会效益。
图1－2血氧探头置入食道图示
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