基于multisim的血氧飽和度論文(編輯修改稿)
2024-10-04 13:40 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 子的極性強(qiáng)，所以其振動(dòng)在中紅外區(qū)有很強(qiáng)的吸收．但存約 700nm～ 900nm時(shí)的光吸收比其他譜區(qū)要小，使得 一 個(gè)“光譜窗”被打開，為檢測生物組織中的其它成分提供可能性．水的近紅外吸收光譜見圖 2． 2． 圖 共 頁 第 頁 4 不同的天然細(xì)胞色素具有不同的吸收光譜，天然細(xì)胞色素 b、 C C為紅色 細(xì)胞色素， aa3為綠色細(xì)胞色素．從細(xì)胞色素 b的吸收光譜可以看出 (見圖 2． 3)，它在近紅外光譜區(qū)的吸收率很小，對血氧飽和度檢鋇 4的影響不大．而以氧化銅為中心的細(xì)胞色素 C氧化酶 (Cyt02） 有與氧結(jié)合狀態(tài)相關(guān)聯(lián)的確定的吸收光譜．它在約 780 nm～ 870nm處有一個(gè)吸收峰．從單個(gè)分子的水平來比較， Cyt02的吸收峰比血紅蛋白的要高，且其與還 原態(tài)的吸收差異也比氧合與還原血紅蛋白的吸收差異要大．但與血紅蛋白比起來，細(xì)胞色素 C及其氧化酶的濃度要穩(wěn)定得多，一般會(huì)多天維持同一水平．而且因?yàn)榻M織中血紅蛋白的含量比細(xì)胞色素 c大的多，血紅蛋白對光總的吸收是細(xì)胞色素 C的十倍左右 。 圖 細(xì)胞色素 b 的吸收光譜 其它天然色素如褪黑激素也會(huì)給腦血氧檢測帶來較小的影響．同時(shí)膽紅素會(huì)降低腦 血氧飽和 度并減緩 其變化． 還有一些 組織生色 團(tuán) (如Cerebrocuprein和 Erythocuprein)的吸收光 譜也會(huì) 因 氧合狀態(tài)的改變而改變，但它們在近紅外光譜區(qū)對光的吸收都很小，可以忽略 。 近紅外光對人體有很強(qiáng)的穿透能力，它能透過頭發(fā)、頭骨、和腦組縱數(shù)厘米的深度．人腦 中 每 100克組織中含血紅蛋白 600— 1000mg，使人腦極適合近紅 外光譜法無創(chuàng)測量血 紅 蛋白和氧合血紅蛋白的含量． 第三節(jié)腦血氧監(jiān)測的基本原理和推導(dǎo)新的計(jì)算方法 氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白的近紅外吸收光譜見圖 2． 4．顯然在紅光譜區(qū) (600hm～ 700nm)Hb02和 Hb的吸光系數(shù)差別很大，在該波段內(nèi)，選用合適的波長的激光照 射組織，光的吸收程度將很大程度依賴于血氧飽和度；而在紅外光譜區(qū) (800nm～ 1000nm)， Hb02和 Hb的吸光系數(shù)差別不大，若使用等吸收波長 805nm左右的激光照射組織，光的吸收程度則主要反映了血紅蛋白 共 頁 第 頁 5 (Hb02和 Hb)的總量． 利 用氧合和還原血紅蛋白吸光系數(shù)的差異就可以測量血氧飽和度． 圖 2． 4 氧臺血紅蛋自和還原血紅蛋白的近紅外吸收光譜 腦血氧飽和度儀利用分光光度法直接測量大腦局部血氧飽和度(rSc02)．大腦組織中靜脈和動(dòng)脈占了絕大部分，腦血氧飽和度實(shí)質(zhì)是局部大腦血紅蛋白混合 氧飽和度，主要代表靜脈部分．因而能在低血壓、脈搏搏動(dòng)減 B日甚至心臟停止跳動(dòng)的情況下使用不受限制．腦組織位于由顱骨構(gòu)成的封閉腔內(nèi)，因而若采用遠(yuǎn)近兩個(gè) 不 同距離的光感受器，則近處光感受器所接收的信號較多的反映了淺表層組織 (頭皮、頭骨 )的信息，而遠(yuǎn)處光感受器所接收的信號較多的反映了深部組織的信息．其檢測模型基于圖 感受器模型．圖中 2代表近處和遠(yuǎn)處光感受器，接收波長 N和 R的光照射下來自表層組織 (皮膚、皮下組織、骨骼 )和腦組織的信息． 共 頁 第 頁 6 圖 腦血氧檢測的雙光源 雙感受器模型 血氧飽和度的計(jì)算基于朗伯一比爾定律 (The LambertBeer Law)和吸 光度加和定律，朗伯一比爾定律是： (1． 1) 其中 I0和 I分別表示發(fā)射光強(qiáng)和接收光強(qiáng)， c表示待測物質(zhì)濃度， L表示光穿過組織的路徑長度， E表示待測成分的摩爾吸光系數(shù)， W為光吸收度． 對生物組織而占，由于光子在組織中吸收與散射的隨機(jī)性，朗伯一比爾定律應(yīng)改進(jìn)為： 此時(shí)的 G表示待測成分在組織中的平均 濃度， L指的是光子在組織中行走的平均光程， 一 般為光源到光感受器間距離的 4— 6倍 (對一百個(gè)成年人的腦顱和前臂分別進(jìn)行測量，得到這個(gè)倍數(shù)分別為 6． 26和 4． 16，散射因子 G用來彌補(bǔ)因散射而減弱的光強(qiáng)，對于特定的檢測對象， G一般假定為常數(shù)． 吸光度加和定律是指在某一波長下，樣品溶液中含有多種對光產(chǎn)生吸收的物質(zhì)，那么該溶液對該波長光的總吸光度 m，應(yīng)該等于溶液中每一成分的吸光度之線性加和．吸光度加和定律是多組分混合體系對光吸收的重要性質(zhì)，是對多組分混合體系進(jìn)行定量分析的理論依據(jù)。 作者認(rèn)為，吸光度加和定律實(shí)際 上是朗伯一比爾定律的推論．設(shè)待測樣品溶液中含 n種光吸收物質(zhì)，若將這 11種物質(zhì)視為分層排列，那么第一種物質(zhì)的入射光強(qiáng)足 Io，出射光強(qiáng)為 I1，作為第二種物質(zhì)的入射光強(qiáng)．同理類推，對于第 n種物質(zhì)，其入射光強(qiáng)是 In1，出射光強(qiáng)是 In．這樣從 1到 n種物質(zhì)的吸光度之和為 簡化得 即總吸光度．在生物組織中可以進(jìn)行類似推導(dǎo)． 具體到雙波長雙感受器腦血氡無創(chuàng)監(jiān)測模型，光子穿透的組織是多組分混合體系，體系包括皮膚、皮 F組織、骨骼、腦組織 (特指不含血紅蛋白的 腦組織 )、氧化血紅蛋白和還 原血紅蛋白等．因而據(jù)吸光度加和定律有： 共 頁 第 頁 7 式中， W總表示總的吸光度， W非 腦組織 表示皮膚、皮 下 組織、骨骼等非腦組織的吸光度 ， W腦組織 表示只不含血紅蛋白的腦組織的吸光度，則分別表示氧化血紅蛋白和還原 血 紅蛋白的吸光度． 下面進(jìn)行新的腦血氧計(jì)算方法的推導(dǎo)，在推導(dǎo)中，符號及對應(yīng)的意義如下： N：近紅外光 R：紅光 下標(biāo) 1：近處光電池下標(biāo) 2：遠(yuǎn)處光電池 NI：從近處光電池得到的近紅外光后向散射信號 Rl：從近處光電池得到的紅光后向散射信號 N2：從遠(yuǎn)處光電池得到的近紅外光后向散射 信號 R2：從遠(yuǎn)處光電池得到的紅光后向散射信號 IOR：紅光光源的發(fā)射光強(qiáng) ION：近紅外光源的發(fā)射光強(qiáng) 對于 N光遠(yuǎn)處光電池有，總的吸光度 對于 N光近處光電池有，總的吸光度 近似認(rèn)為， 即遠(yuǎn)近兩條光通路在除腦組織外的部分吸光度相等，也即近似認(rèn)為遠(yuǎn)近兩通路在非腦組織部分的光程一致 (從腦血氧無 創(chuàng) 檢測雙光源雙感受器模型看來，這里的近似是很顯然的 )．且，令為 ，即氧合血紅蛋白與還原血紅蛋白在選定的近紅外波長上吸光系數(shù)近似相等．設(shè) ，將上述兩式相減得遠(yuǎn)近兩光 共 頁 第 頁 8 電轉(zhuǎn)換器在近紅外光 源下的總的吸光度之差為： 據(jù)朗伯一比爾定律有： 故： 同理對于 R 光遠(yuǎn)處光電池有，總的吸光度： 對于 R 光近處光電池有，總的吸光度： 同樣近似認(rèn)為， ，上述兩式相減得遠(yuǎn)近兩光電池在紅光光源下的總的吸光度之差： 據(jù)朗伯一比爾定律有： 共 頁 第 頁 9 故： 聯(lián)合式 ， 推得腦血氧飽和度為 ：
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