【正文】 大大簡(jiǎn)化。 進(jìn)一步分析 圖 ，可以看到，在紅光波長(zhǎng) 1?處，11 or ????。將這一雙波長(zhǎng)吸光度變化比率 R與血氧飽和度 2SpO 的定義 式 （ ） 聯(lián)立求解得到 ? ? ? ?1122 122 OrOr rr RRSpO ???? ?? ??? ??? （ ） 式中 的 R可以從光學(xué)測(cè)量值中求得。根據(jù)分析，可以得到一個(gè)起決定作 用的變量，即在兩波長(zhǎng) 1? 和 2? 條件下的吸光度變化的比值 R 。 圖 動(dòng)脈血管光程變化示意 動(dòng)脈充盈引起血管厚度 D增加到 DD ?? ，透光量則減少到 ACDCI ? ,為了求解，采用紅光（ 1? =660nm）和近 紅外光（ 2? =940nm）兩個(gè)波 長(zhǎng)比例的辦法 [2]，運(yùn)用比爾定律分別得到 ： ? ?? ?DCCII HbrHbOODCACDC ????? 111)( 2e x p ?? （ ） ? ?? ?DCCII HbrHbOODCACDC ????? 222)( 2e x p ?? （ ） 式 （ ）（ ） 中，四個(gè)光吸收系數(shù)1O?,2O?和1r?,2r?分別是 1? 和 2? 兩個(gè)動(dòng)脈血管 0I ACDCI ? 0I DCI ACDCI ? D D? 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 10 頁(yè) 波長(zhǎng)下的 2HbO 和 Hb 的光吸收系數(shù)，這里 1? 和 2? 分別為紅光和近紅外光的波長(zhǎng)；C( 2HbO )表示氧合血紅蛋白含量； C( Hb )表示還原血紅蛋白含量。 圖 2HbO 和 Hb 在近紅外區(qū)域的吸收系數(shù) 假設(shè)動(dòng)脈血的體積發(fā)生變化，導(dǎo)致動(dòng)脈血的光程變化 D? ，而舒張期的吸收作為背景吸收保持不變光程 D 。而紅外光吸光量的變化反映出較多的動(dòng)脈特性，主要反映動(dòng)脈血的變化。紅外光吸光量的變化主要反映氧合血紅蛋白 含量的變化；紅光吸光量的變化主要反映還原血紅蛋白含量的變化。血液的光吸收程度主要與血紅蛋白含量有關(guān)。根據(jù) LambertBeer定律，當(dāng)以一個(gè)特定波長(zhǎng)的光入射指端時(shí)，透射光強(qiáng)可分為兩部分 :一部分是恒定的成分， 稱為直流量 (DC)，主要反映指端各種非脈動(dòng)成分 (如肌肉、骨骼、色素、脂肪、水和靜脈血等 )對(duì)光的吸收； 另一部分為脈動(dòng)成分，稱為脈動(dòng)分量或交流量 (AC)，是由于血管床隨心臟搏動(dòng)而產(chǎn)生的收縮和舒張引起， 主要反映動(dòng)脈血中脫氧血紅蛋白 ( Hb )和氧合血紅蛋白( 2HbO )對(duì)光的吸收。非血成份不隨脈動(dòng)過(guò)程而變化 ,而血的成份隨脈動(dòng)過(guò)程引起的血液流入與流出血管床的容量變化而變化 ,因此前者 (非血成 份 )對(duì)光的吸收量是不變的 ,而后者對(duì)光的吸收量是脈動(dòng)的。它所檢測(cè)到的信號(hào)越弱 ,表示光信號(hào)穿透指尖時(shí) ,被那里的組織、骨骼和血液吸收掉的越多。 上壁固定了兩個(gè)并列放置的光二極管 ,發(fā)光波長(zhǎng)分別為 660nm紅光和 940nm紅 外光。如果忽略由于散射、反射等因素造成的衰減 ,由 朗 伯 比爾 (LambertBeer)定律可得 ： ? ?cdII ?exp0 ? （ ） 式 （ ） 中 :I — 透射光強(qiáng)度 0I — 入射光強(qiáng)度 ? —摩爾消光系數(shù) c —吸收物質(zhì)的摩爾濃度 d —光路的長(zhǎng)度 ,即吸收物質(zhì)的厚度 LambertBeer定律成立以下列條件為前提 :1)入射光為單色光 ； 2)吸收過(guò)程當(dāng)中各物質(zhì)無(wú)相互作用 ； 3)輻射與物質(zhì)的作用僅限于吸收過(guò)程 ,沒(méi)有散射、熒光和光化學(xué)反應(yīng)。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁(yè) 2 血氧信號(hào)檢測(cè)算法 血氧飽和度測(cè)量是基于動(dòng)脈血液對(duì)光的吸收量隨動(dòng)脈搏動(dòng)而變化的原理。在對(duì)經(jīng)過(guò) 組織的透射光做光電轉(zhuǎn)換后，利 用A/D轉(zhuǎn)換，提高了系統(tǒng)檢測(cè)的動(dòng)態(tài)范圍，利用數(shù)字技術(shù)的優(yōu)勢(shì)取代了復(fù)雜的模擬放大濾波電路，簡(jiǎn)化了硬件電路。 本文的主要研究?jī)?nèi)容 傳統(tǒng)的脈搏血氧飽和度檢測(cè)系統(tǒng)多是通過(guò)模擬技術(shù)完成信號(hào)調(diào)制解調(diào)、雙 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 6 頁(yè) 光束分離、交直流分離、濾波放大、脈搏波檢出等一系列工作的，這種方法不僅硬件復(fù)雜，而且增加了系統(tǒng)不可靠和不穩(wěn)定因素。在呼吸睡眠的研究中，可以通過(guò)對(duì) 2SpO 的監(jiān)測(cè)來(lái)判斷患者是否有睡眠呼吸暫停綜合癥或夜間低氧飽和度等情況；社區(qū)醫(yī)療的監(jiān)護(hù)過(guò)程中及時(shí)快速的對(duì) 2SpO 的監(jiān)測(cè)，對(duì)中風(fēng)病人 和心肌梗塞等患者的及時(shí)發(fā)現(xiàn)及時(shí)治療都有非常重要的意義。 可以預(yù)見(jiàn)， 無(wú)創(chuàng)脈搏血氧 儀 將更加廣泛地應(yīng)用 于 臨床危重癥患者的監(jiān)護(hù)和手術(shù)中麻醉的監(jiān)護(hù)以及手術(shù)后患者的恢復(fù)情況、呼吸睡眠的研究、社區(qū)醫(yī)療監(jiān)護(hù)等方面。 應(yīng)用前景分析 自從脈搏血氧飽和度 ( 2SpO )理論建立以來(lái)， 2SpO 值監(jiān)測(cè)具有正確、安全、無(wú)創(chuàng)、有效、操作簡(jiǎn)單、價(jià)格適中等優(yōu)點(diǎn)， 已 是手術(shù)室、監(jiān)護(hù)室的基本監(jiān)測(cè)手段之一，也用于臨床研究、評(píng)價(jià)和診斷等領(lǐng)域，為臨床醫(yī)學(xué)做出了重大貢獻(xiàn)。這也是 國(guó)內(nèi)產(chǎn)品與國(guó)外一些知名產(chǎn)品存在差距的 地方。 由于在臨床使用上，儀器處于不同的工作環(huán)境，往往受到各種干擾的影響，從而給脈搏波信號(hào)的提取帶來(lái)困難，導(dǎo)致血氧飽和度測(cè)量難以準(zhǔn)確甚至發(fā)生錯(cuò)誤，影響了儀器的正常使用。 目前國(guó)內(nèi)的研究水平 國(guó)內(nèi)的許多大學(xué)科研院所也都致力于血氧監(jiān)護(hù)儀的研制，如秦皇島康泰有限公司生產(chǎn)的手指血氧儀、深圳邁瑞有限公司 、 深圳理邦精密儀器有限公 司 生產(chǎn)的手指脈搏血氧儀 ， 具有較高的性價(jià)比和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力 ； 如中國(guó)航天工業(yè)總公司第一研究院第十三研究所的無(wú)創(chuàng)傷脈率血氧飽和度監(jiān)護(hù)儀，北京 奧博光電技術(shù)有限公司的反射式血氧飽和度監(jiān)測(cè)儀，華中理工大學(xué)的脈 血氧多波長(zhǎng)測(cè)量方法及其脈搏 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 5 頁(yè) 血氧飽和度監(jiān)護(hù)儀，北京惠普生物醫(yī)學(xué)工程公司的血氧飽和度探測(cè)接頭，西安籃港數(shù)字醫(yī)療科技股份有限公司的手指 血 氧儀 。 Philips公司是個(gè)大型醫(yī)療器械公司，它收購(gòu)了 HP的血氧 模塊。 Masimo公司的 Masimo SET系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是為了充分解決運(yùn)動(dòng)噪聲、弱灌注、低信噪比的問(wèn)題，大大的拓寬了血氧儀的應(yīng)用范圍。 N595型 Nellcor血氧儀連接到MAXFAST前額粘貼式傳感器，探頭被放置在病人的左眉毛上方并用頭巾保護(hù)，研究顯示前額與手指相比沒(méi)有那么易受血管收縮的影響，并且病人在弱灌注的情況 下，對(duì) 2SaO 的變化更具反映能力。 Nellcor是一家研究和制造血氧測(cè)量?jī)x器及血氧探頭的老牌公司，主要采用傳統(tǒng)血氧技術(shù)。一些歐洲國(guó)家如荷蘭、英國(guó)、德國(guó)等也在這方面有所進(jìn)展，在亞洲，日本、韓國(guó)在 血氧監(jiān)護(hù)儀方面也有所突破 ， 基于雙波長(zhǎng)的各種血氧測(cè)量?jī)x器不斷被研制出來(lái)，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的廣泛應(yīng)用大大提高了測(cè)量的精度，脈搏血氧飽和度測(cè)量設(shè)備已經(jīng)在臨床實(shí)踐上得到了普遍的 應(yīng)用，成為不可或缺的臨床診斷與監(jiān)護(hù)設(shè)備。 進(jìn)入 90年代 ,McCormick利用反射光譜及獨(dú)特的深淺雙光路對(duì)比檢測(cè)的傳感器設(shè)計(jì) , 完成了可實(shí)用化的腦血氧飽和度測(cè)量裝置的研制 ,并由 Somaics公司改進(jìn)后推向臨床 ,成為商品化的腦血氧計(jì)。 在脈搏血氧計(jì)發(fā)展的同時(shí) ,利用光譜法測(cè)量重要器官和組織血氧的研究工作也相應(yīng)有所進(jìn)展。進(jìn)入 80年代 ,脈搏血氧計(jì)出現(xiàn)。其后 ,發(fā)光二極管(LED)和光電三極管的應(yīng)用使用于皮膚的光電傳感器體積大大減小。在 60%以上的血氧飽和度范圍內(nèi)，與動(dòng)脈血樣測(cè)量的血氧飽和度進(jìn)行比較后，相關(guān)甚好。該儀器的光纖傳感器安放在耳垂上，儀器內(nèi)部每分鐘 1300轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤(pán)四周上，均勻放置八個(gè)窄帶濾光片，當(dāng)其中一個(gè)濾光片轉(zhuǎn)到光源前時(shí)，某一波長(zhǎng)的光束濾過(guò)濾光片經(jīng)光纖傳到耳垂部位，耳垂部位的光電池檢測(cè)到這個(gè)波長(zhǎng)的透射光信號(hào)，又經(jīng)過(guò)光纖傳回到儀器并記錄下來(lái)；同理，其余波長(zhǎng)的透射光信號(hào)也被記錄下來(lái)。 1964年 Robert F. Shaw研制出一 種八波長(zhǎng)自身調(diào)整血氧計(jì) ,成為第一種獲得臨床廣泛應(yīng)用的血氧計(jì)，如 HP47201A型耳血氧計(jì)。 Sekely 等人則為進(jìn)一步完善這種裝置做了許多工作。然而 Elam和Coworker在經(jīng)過(guò)對(duì)受壓耳朵的透射光研究后指出，即使加上 200mmHg的壓力， 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3 頁(yè) 在耳輪里仍然保留著一些血。第二個(gè)條件下測(cè)量的透射光強(qiáng)，減去第一個(gè)條件下測(cè)量的 透射光強(qiáng)，最后得到與動(dòng)脈血光吸收有關(guān)的透射光強(qiáng)信號(hào)，由此去除了組織本身光吸收的影響 。在第一個(gè)條件下，測(cè)量的信號(hào)是與組織有關(guān)的光吸收，如肌肉、骨骼、皮膚等，但不包括血的光吸收 。%。這種設(shè)備由于光源穩(wěn)定要求較高，沒(méi)有應(yīng)用于臨床實(shí)踐中。 1949年，Wood重新設(shè)計(jì)了脈搏血氧儀，給它加了一個(gè)氣囊，氣囊的作用是將耳部的血液擠走以獲得絕對(duì)零點(diǎn)來(lái)改進(jìn)血氧飽和度測(cè)量的準(zhǔn)確性。 緊接著許多研究者如 Brinkman、 Wood、 Sekely、 Tait 等對(duì)無(wú)創(chuàng)傷測(cè)量動(dòng)脈血氧飽和度和組織血氧飽和度的裝置各自進(jìn)行了研究。當(dāng)時(shí) ,Millikan研制了從原理上能從前額無(wú)創(chuàng)傷測(cè)量動(dòng)脈血氧飽和度的探索裝置。這種早期設(shè)備采用紅光和綠光作為光源，改進(jìn)后改用紅光和紅外光，提高了該設(shè)備的測(cè)量精確度。 1935年， Matthes研制了第一個(gè)雙波長(zhǎng)的耳部血氧測(cè)量探頭。 Bunsen和 Kirchhoff于 1860年改進(jìn)分光光度計(jì)和隨后不久 Stokes和 HoppeSeyler對(duì)血色素的氧氣運(yùn)輸功能的闡述，為血氧飽和度測(cè)量的發(fā)展鋪平了道路。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 2 頁(yè) 紅外光譜血氧儀發(fā)展概況 基于 LambertBeer定律的血氧飽和度測(cè)量的研制可以追溯到十九世紀(jì)。血氧飽和度 ( 2SpO )是氧合血紅蛋白 ( 2HbO )在整個(gè)血紅蛋白所占 的百分比。人體內(nèi)的血液通過(guò)心臟的收縮和舒張脈動(dòng)地流過(guò)肺部，一定含量的還原血紅蛋白 (Hb )與肺泡中的 98%的氧氣結(jié)合變成了氧合血紅蛋白 ( 2HbO )。人體組織細(xì)胞的正常生理活動(dòng)均有賴于連續(xù)而充足的氧供應(yīng)。 氧是維持人體生命的重要物質(zhì)，氧的含量只有達(dá)到一定的濃度才能滿足人體正常的新陳代謝所需。 這種方法比較麻煩 ,且不能進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測(cè) 。最后血液經(jīng)靜脈系統(tǒng)回流到心臟 , 開(kāi)始下一輪的循環(huán) 。這些血通過(guò)動(dòng)脈系統(tǒng)一直到達(dá)毛細(xì)血管。血氧飽和度 ( 2SpO )是氧合血紅蛋白在 整個(gè)血紅蛋白所占的百分比，是血液攜氧能力的重要指標(biāo)。 it is the ideal choice for people who want to detect their arterial blood oxygen degree. Key words: LambertBeer Law, blood oxygen saturation, pulse oximetry, noninvasive detection, pulse wave 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 IV 頁(yè) 目 錄 摘要 ................................................................................................................................. I ABSTRACT ..................................................................................................................II 1 緒論 ............................................................................................................................ 1 本課題研究領(lǐng)域的意義 .................................................................................. 1 紅外光譜血氧儀發(fā)展概況 .............................................................................. 2 目前世界的研究水平 ...................................................................................... 4 目前國(guó)內(nèi)的研究水平 ...................................................................................... 4 應(yīng)用前景分析 .................................................................................................. 5 本文的主要研究?jī)?nèi)容 ................................................