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血氧飽和度檢測的基本原理和血氧傳感器


 氧是維繫人類生命的基礎,心臟的收縮和舒張使得人體的血液脈動地流過肺部,一定量的還原血紅蛋白(HbR)與肺部中攝取的氧氣結合成氧和血紅蛋白(HbO2),另有約2%的氧溶解在血漿里。這些血液通過動脈一直輸送到毛細血管,然後在毛細血管中將氧釋放,以維持組織細胞的新陳代謝。血氧飽和度(SO2)是血液中被氧結合的氧合血紅蛋白(HbO2)的容量占全部可結合的血紅蛋白(Hb)容量的百分比,即血液中血氧的濃度,它是呼吸循環的重要生理參數。而功能性氧飽和度為HbO2濃度與HbO2 Hb濃度之比,有別於氧合血紅蛋白所占百分數。因此,監測動脈血氧飽和度(SaO2)可以對肺的氧合和血紅蛋白攜氧能力進行估計。

2.1 血氧飽和度檢測分類

血氧濃度的測量通常分為電化學法和光學法兩類。

傳統的電化學法血氧飽和度測量要先進行人體采血(最常採用的是取動脈血),再利用血氣分析儀進行電化學分析,在數分鐘內測得動脈氧分壓(PaO2),並計算出動脈血氧飽和度(SaO2)。由於這種方法需要動脈穿刺或者插管,給病人造成痛苦,且不能連續監測,因此當處於危險狀況時,就不易使病人得到及時的治療。電化學法的優點是測量結果精確可靠,缺點是比較麻煩,且不能進行連續的監測,是一種有損傷的血氧測定法。

光學法是一種克服了電化學法的缺點的新型光學測量方法,它是一種連續無損傷血氧測量方法,可用於急救病房、手朮室、恢復室和睡眠研究中。目前採用最多的是脈搏血氧測定法(Pulse Oximetry),其原理是檢測血液對光吸收量的變化,測量氧合血紅蛋白(Hb02)占全部血紅蛋白(Hb)的百分比,從而直接求得SO2。該方法的優點是可以做到對人體連續無損傷測量,且儀器使用簡單方便,所以它已得到越來越普遍的重視。缺點是測量精度比電化學法低,非凡是在血氧值較低時產生的誤差較大。先後出現了耳式血氧計,多波長血氧計及新近問世的脈搏式血氧計。最新的脈搏式血氧計的測量誤差已經可以控制在1%以內,達到臨床使用的要求。儘管它們在某些方面還不盡如人意,但其所產生的臨床效益已被廣氾認同。

2.2 無損傷血氧飽和度檢測原理

臨床上多用功能氧飽和度來反映血液中氧含量的變化。無損傷血氧飽和度測量是基於動脈血液對光的吸收量隨動脈搏動而變化的原理來進行測量的。基礎研究表明,氧合血紅蛋白和非氧合血紅蛋白對不同波長入射光有着不同的吸收率。當單色光垂直照射人體,動脈血液對光的吸收量將隨透光區域動脈血管搏動而變化,而皮膚、肌肉、骨骼和靜脈血等其他組織對光的吸收是恆定不變的。當用兩種特定波長的恆定光λ1、λ2照射手指時,假如適當選擇入射光波長λ1(Hb02、Hb在此處具有等吸收特性,即約805nm),運用Lambert-Bear定律並根據氧飽和度的定義可推出動脈血氧飽和度的近似公式為:Sa02=a bQ
式中:Q為兩種波長(Hb02、Hb)的吸光度變化之比a、b為常數,與儀器傳感器結構、測量條件有關。
注重到生物組織是一個各向異性、強散射、弱吸收的複雜光學介質,因此在實際測量中無法用一個嚴格的公式來描述,所以一般是通過測量雙光束吸光度變化之比,然後通過經驗定標曲線最終獲取氧飽和度。而在選擇雙光束波長時,一般選擇入射光波長為660nm和940nm。

2.3 無損傷血氧飽和度檢測用光電傳感器[2,3]

血氧傳感器是檢測血氧飽和度的重要部件,它的損坏會直接導致檢測不准或整機癱瘓無法工作。血氧傳感器按外形主要可以分為指套型、耳垂型、包裹型和粘附型,按用途又可分為成人型和儿童型、嬰儿型幾種。不論外形和類型如何,血氧傳感器的原理構成是一樣的,它們均由發光器件和接收器件組成。發光器件是由波長為660nm(650nm)的紅光和波長為940nm(910nm)的紅外光發射管組成。光敏接收器件大都採用接收面積大,靈敏度高,暗電流小,噪聲低的PIN型光敏二極管,由它將接收到的入射光信號轉換成電信號。

最新開發的脈搏血氧計大多採用的是指套式傳感器探頭。使用時探頭套在指尖上。指套上壁固定了兩個併列放置的發光二極管,發光波長分別為660nm紅光和940nm紅外光。下壁是一個光敏接收器件,它將透射過手指的紅光和紅外光轉換成電信號。血氧計運行時,分時驅動電路讓兩個發光二極管按一定的時間間隔並以較低的占空比分別發光,根據光二極管發光強度與光電管接收到的透射光的強弱比值可分別計算出全血吸收率a660和a940,然後結合實驗標定的係數A和B,代入前述公式中,就可以算得血氧飽和度的數值了。


2.4 血氧儀系統框圖

脈搏血氧儀一般由血氧飽和度檢測模塊、工控機或PC機、血氧檢測探頭(一般為指套式)等部分組成。也有些是直接研製成一體的或便攜式的。假如採用的是已經研製好的血氧飽和度檢測模塊來搭建的系統,由於模塊與工控機或PC機之間的電平電壓不同,它們之間還要通過電平轉換模塊連接起來,這樣才能夠進行正確的通訊。

3 脈搏血氧計的操作使用

是否能夠正確操作使用血氧計,關係到檢測結果的準確性。透射式脈搏血氧計多以手指、耳垂、腳趾等作為檢測部位,因為這些部位是光線最輕易透射過的部位。而對於採用指套式傳感探頭的脈搏血氧計,檢測前最好應將手指非凡是指甲部位清洗乾淨,否則假如臟物過多,會阻礙光線的透射,從而對測量結果造成一定的影響。測量時將中指夾在指套里,注重指甲應正對上壁的發光管,夾好后還應注重指套四面是否密閉嚴實,以避免環境光的干擾。指套夾好並開機后,等待測量數據穩定后就可以讀出血氧飽和度了,現在的血氧計一般還可以讀出脈率值和脈搏波形。

 


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