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生物醫(yī)學傳感器與檢測技術,,,第八章 血氧飽和度和心輸出量的無創(chuàng)傷測量方法,1,8.1 血氧飽和度的無創(chuàng)傷測量方法,8.1-1 血氧飽和度的概念 細胞的氧的供給是通過人的呼吸運動將空氣中的氧吸人肺泡內，經過氣體交換進入血液，并隨動脈血向全身輸送，在毛細血管處與組織進行氣體再交 換，氧進入機體組織為細胞所攝取。 血中的氧分子絕大部分與紅細胞中的血紅蛋白作可逆性結合，很少一部分是溶解在血漿中的。氧與血紅蛋白的結合與解離是可逆反應，即：,2,8.1 血氧飽和度的無創(chuàng)傷測量方法,血紅蛋白可以結合O2的最大量稱為血液的氧容量，血紅蛋白實際結合的O2量稱為氧含量，氧含量占氧容量的百分比稱為氧飽和度SaO2(Blood oxygen saturation)： SaO2 = (氧含量/氧容量)×100%,3,8.1 血氧飽和度的無創(chuàng)傷測量方法,8.1-2 血氧飽和度測定的意義 由于氧通過呼吸進入細胞進而被血紅蛋白所氧合是由多個環(huán)節(jié)組成，其中任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題均可導致供氧障礙。 血氧飽和度，是臨床醫(yī)療上重要的基礎參數。 例如：除了呼吸、循環(huán)系統(tǒng)本身的疾病之外，由于麻醉引起的機體自動調節(jié)功能受抑、手術創(chuàng)傷以及其他治療、檢查時的損傷等。,4,8.1 血氧飽和度的無創(chuàng)傷測量方法,無創(chuàng)傷連續(xù)檢測動脈血氧飽和度的方法，即脈搏血氧測量法(Pulse Oximetry)。與以往各種方法的最大區(qū)別就是其傳感器置于體表動脈處，不需要插入血管，也不需要采血樣，所以極易為臨床應用場合所接受。 它實現(xiàn)了無創(chuàng)傷連續(xù)監(jiān)測血氧飽和度的功能，已被臨床接受，成為危重病人監(jiān)護，麻醉手術監(jiān)測所必不可少的設備。,5,8.1 血氧飽和度的無創(chuàng)傷測量方法,8.1-3 脈搏血氧測量法基本建模原理 脈搏血氧測量是基于傳統(tǒng)光吸收測量方法和光學脈搏容積描計法，在體表淺動脈處來實現(xiàn)測量的。其建模方法有三方面。 1. 溶液對單色光吸收的基本規(guī)則-比爾定律 當單色光通過溶液時，透射光的強度I符合比爾-朗伯特（Beer-Lambert）定律：,I0為入射光的強度，C是溶液的濃度，D是溶液的厚度，即光程。ε是 吸收系數，為常數。,6,8.1 血氧飽和度的無創(chuàng)傷測量方法,濃度測量或血氧飽和度 測量時，正是利用這個特性，通過測量光強從而求出濃度C。 取對數的形式：,A－表示吸光度(absorbance)。 測量出吸光度A值，利用上式就可以很容易地 算出濃度C。,7,8.1 血氧飽和度的無創(chuàng)傷測量方法,2. 血氧飽和度定義和血紅蛋白光吸收特性 在脈搏血氧測量法中，血氧飽和度指功能飽和度，常用SpO2表示血氧飽和度。 其條件是忽略動脈血管中其它成分影響僅考慮氧合血紅蛋白(HbO2)和還原血紅蛋白(Hb)，所以血氧飽和度SpO2的定義是：,CHbO2表示氧合血紅蛋白含量，CHb表示還原血紅蛋白含量,8,8.1 血氧飽和度的無創(chuàng)傷測量方法,兩種血紅蛋白的光吸收特性曲線如圖所示,9,8.1 血氧飽和度的無創(chuàng)傷測量方法,在紅光譜區(qū)(600 nm-700 nm)，HbO2和Hb的吸收差別很大，因而血液的光吸收程度極大地依賴于血氧飽和度的大??； 在近紅外光譜區(qū)(800 nm-1000 nm)，則其吸收差別較小，在805 nm左右為等吸收點。 所以不同氧飽和度的血液光吸收程度主要與兩種 血紅蛋白含量比例有關。,10,8.1 血氧飽和度的無創(chuàng)傷測量方法,3. 動脈組織的模型和血氧飽和度計算公式 在體淺表動脈處用光電容積描記法獲取動脈脈搏波 區(qū)分動脈和其他組織，實現(xiàn)動脈血液中測量血氧飽和度。 假設組織模型由兩部分組成：無血組織(皮膚，骨骼，靜脈血，其它組織等)，動脈血管(由氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白組成的動脈血液)。 脈搏波傳感器接受的信號中包含兩種成分，分別以直流DC和交流AC的形式存在。用電路方法區(qū)分，獲得AC動脈信號。,11,8.1 血氧飽和度的無創(chuàng)傷測量方法,傳感器光信號成分分析圖,12,8.1 血氧飽和度的無創(chuàng)傷測量方法,動脈血管光程變化等效示意,13,8.1 血氧飽和度的無創(chuàng)傷測量方法,動脈充盈引起血管厚D增加到D+?D，透光量IDC則減少為IDC+AC，為了求解，采用紅光(?1=660nm)和近紅外光(?2=940nm)二個波長比例的方法，運用比爾定律分別得到：,?01, ?02和?r1, ?r2分別是?1和?2，兩波長下的HbO2和Hb的光吸收系數，CHbO2表示氧合血紅蛋白含量， CHb表示還原血紅蛋白含量。,14,8.1 血氧飽和度的無創(chuàng)傷測量方法,取K為兩波長吸光度的比值：,式中A1和A2分別表示兩波長?1和?2條件下吸光度的變化值。將雙波長吸光度比率與血氧飽和度SpO2定義聯(lián)立求解得到：,15,8.1 血氧飽和度的無創(chuàng)傷測量方法,在紅光波長?1下，?r1 ?01 近紅外光波長?2下，?r2≈ ?02簡化為：,SpO2和雙波長光吸收比K之間近似呈線性的關系。實際應用還須經實驗，用最小二乘曲線擬合方法得到最后的計算公式 SpO250%的測量情況下，經動物實驗得到 ：,16,8.1 血氧飽和度的無創(chuàng)傷測量方法,8.1-4 脈搏血氧測試系統(tǒng)的設計 1. 系統(tǒng)的硬件的組成及功能,17,8.1 血氧飽和度的無創(chuàng)傷測量方法,夾指傳感器,18,8.2 心輸出量的無創(chuàng)傷測定方法,8.2-1心輸出量 心臟輸出量是描述心臟功能的基本指標。一次心跳，一側心室射出的血液量，為每搏輸出量(或搏出量)。 每分鐘射出的血液量，稱為心輸出量，即心率與搏出量的乘積。 測量心輸出量(包括血流速度和流量)的方法很多，如費克法、指示劑法等有創(chuàng)傷測定方法和阻抗式容積脈圖儀、超聲血流計等無創(chuàng)傷測定方法。,19,8.2 心輸出量的無創(chuàng)傷測定方法,8.2-2直接費克法(Fick principle ) 費克原理：在一定時間內，某物質從某器官血液中放出，放出量應等于血液進入和離開該器官前后該物質在血液中的含量之差。 設t內，體積V的某物質從一器官血液中放出，進入和離開該器官前后該物質在單位體積血液中含量為Ci和Co，血液流量為Q：,20,8.2 心輸出量的無創(chuàng)傷測定方法,由上式可以得出：,如果能夠測得某一物質V (體積)、t (時間)、某一物質在單位體積血液中的含量Ci和Co，則血液的流量(心輸出量)即可以算出來。,21,8.2 心輸出量的無創(chuàng)傷測定方法,選擇“肺”作為“器官 ”，“氧”作為“物質”。 全身的血液在通過肺部時都要進行氧和二氧化碳的氣體交換 。 把通過肺部以前的血液和通過肺部后的血液分別進行血含氧量測定。 再測定呼吸耗氧量，就可以算出血液的總流量，即心輸出量。,22,8.2 心輸出量的無創(chuàng)傷測定方法,例如，進入肺部的混合靜脈血含氧量為13%，而動脈血含氧量為19%，呼吸耗氧量為250ml/min,則心輸出量應為：,23,8.2 心輸出量的無創(chuàng)傷測定方法,8.2-3 指示劑稀釋法 將某種己知量的物質注入心腔或血管中，根據指示劑被血流稀釋的濃度變化曲線推算血液流量的一種方法。 研究心輸出量的常用方法 例如：在血管某處注入指示劑，沿血流方面在另一處檢查血液中指示劑的濃度。,24,8.2 心輸出量的無創(chuàng)傷測定方法,設指示劑質量為M，該處瞬時濃度為C。設血液平均流量為Q。則在很短的時間?t內流過血液中指示劑含量為QC?t。全部指示劑都流過去時，應為：,25,8.2 心輸出量的無創(chuàng)傷測定方法,指示劑稀釋 濃度C的曲線：,濃度C的積分等于濃度曲線所包圍的面積 實際按延長虛線下面積計算。實線表示流過含指示劑血液二次再返回表現(xiàn)出指示劑濃度。,26,8.2 心輸出量的無創(chuàng)傷測定方法,指示劑選擇：考慮定量分析方面具有什么物理 特性(電化學、光學、熱學、放射線等)。 例如，便于光學定量分析(比色方法)的有心臟綠(indocyanine green)等染料指示劑。 便于熱學方面定量分析(即所謂熱稀釋法)的有冷的(18～22℃)氯化納溶液或5%葡萄糖液。,27,8.2 心輸出量的無創(chuàng)傷測定方法,例如：熱稀釋法： 把含一定熱量的液體（10ml、0℃、5%的葡萄糖）注入上腔靜脈或右心房 經右心房和右心室與血液混合后,在肺動脈處由導管熱敏電阻感知血液溫度的變化曲線 再通過電子計算機將信號放大、計算處理,28,8.2 心輸出量的無創(chuàng)傷測定方法,應用曲線計算心輸出量公式：,M：注入的指示劑量(ml)； 血液和注入物的溫度Tb和Ti； 血液和注入物的比重Sb和Si； 血液和注入物的比熱Cb和Ci； ?Tb為血液的溫度變化。,29,8.2 心輸出量的無創(chuàng)傷測定方法,熱稀釋法優(yōu)點： ①能迅速測知心輸出量，可重復測量； ②指示劑無毒性，沒有顯著血液動力學影響； ③在身體組織中充分彌散，無染料指示劑的顯著再循環(huán)現(xiàn)象。 缺點是： ①需要插心導管，不是所有患者都可使用； ②注入的熱指示劑通過導管、心室和血管壁時有溫度隨外因上升問題。雖然通過循環(huán)使對溫度影響減小，但稀釋曲線仍出現(xiàn)“阻尼”現(xiàn)象。,30,8.2 心輸出量的無創(chuàng)傷測定方法,8.2-4 阻抗式容積脈圖儀 阻抗式容積脈圖儀(impedance plethysmogram) 是一種采用阻抗法測定心輸出量的無創(chuàng)傷方法。 當脈搏式血流通過血管時，血管容積將會發(fā)生周期性變化。把血管容積的這種變化描記下來，成為容積脈圖。 容積變化直接反映心輸出量變化。,31,8.2 心輸出量的無創(chuàng)傷測定方法,描記容積脈圖的方法：有電容式容積脈圖儀和阻抗式容積脈圖儀。 目前較為常用是阻抗式容積脈圖儀。 阻抗式容積脈圖儀基本原理： 利用電阻抗和血管容積之間一定比例關系，描記電阻抗變化來間接表示血管容積變化，電阻抗變化曲線來代表容積脈圖，叫做阻抗容積脈圖。,32,8.2 心輸出量的無創(chuàng)傷測定方法,利用阻抗式容積脈圖儀描記心、肝、肺、腎、頭部、四肢等部位的動脈容積的變化脈圖。 容積脈圖也稱為血流圖，如腦血流圖、肝血流圖、肺血流圖、腎血流圖等等。 阻抗式心輸出量測量是無損傷性的。 比其他方法（費克法、指示劑指稀釋法等）要方便，更具備實際應用的價值。,33,8.2 心輸出量的無創(chuàng)傷測定方法,1. 庫比塞克阻抗法測心輸出量原理圖,測量原理： 測量用4個電極： 外側兩電極連到100kHz的恒定正弦電流源 內側兩電極連到高輸入阻抗的放大器，測定兩個內側電極處： 1）基礎阻抗 2）隨心動周期而變化的阻抗 3）阻抗的一階導數,34,8.2 心輸出量的無創(chuàng)傷測定方法,設心臟每搏量為?V (ml),?為血液電阻率(平均值為150Ω·cm)； L為兩電極平均距離(cm)； Z0為兩電極間基礎阻抗(Ω)； ?Z為心臟收縮時最大阻抗變化。,35,8.2 心輸出量的無創(chuàng)傷測定方法,2. 實際測量公式推導：,Z0為血液從心臟輸出前胸廓阻抗，基礎； ZS為隨心輸出量變化大動脈圓柱阻抗,胸廓阻抗 等效電路,36,8.2 心輸出量的無創(chuàng)傷測定方法,阻抗變化?Z：,可得到：(在Z0?Z),37,8.2 心輸出量的無創(chuàng)傷測定方法,血液電阻公式：,?：血液電阻率 L： 血管長度（兩電極間距離） S： 血管的截面積。 設?V為每搏輸出量，則：?V = L·S,38,8.2 心輸出量的無創(chuàng)傷測定方法,已知血液電阻率，測得血管長度L，胸部基礎阻抗Zo和阻抗變化量?Z，可計算出每搏輸出量 問題在于如何正確測量?Z：在實際臨床測量中，庫比塞克方法是利用阻抗微分圖上的峰值(dz/dt)max和射血時間Tz(Tz=c)的乘積來代替?Z：即 ?Z = (dz/dt)max ? Tz,39,8.2 心輸出量的無創(chuàng)傷測定方法,實際的心臟每搏輸出量?V關系式，即用阻抗容積圖的庫比塞克計算方法：,若已知心率HR(heart rate)，則心輸出量Q的計算公式： Q = ?V · HR,40,8.2 心輸出量的無創(chuàng)傷測定方法,舉例：采用阻抗法測人體心輸出量，若受試者心率為每分鐘65次。從阻抗微分圖上測得(dz/dt)max=2.4?/s，射血時間Tz =0.3s。已知L= 25cm，Z0= 27?，取血液電阻率?=135?·cm。試計算心臟每搏輸出量和心輸出量。 解：每搏輸出量：,?V=135×(25/27)2×2.4×0.3=83(ml) 已知心率為65次/分，則心輸出量： Q = ?V · HR = (83/1000)×65 = 5.4(L/min),41,8.2 心輸出量的無創(chuàng)傷測定方法,3. 基于導納的關系式 計算心臟每搏輸出量公式中將阻抗換成導納關系，結果會變得更簡便一些。無須測量基礎阻抗Zo，省去一項測量。,證明：,Y：導納； S：血管的橫截面積；L：血管的長度；?：血管電阻率；V：血管的體積。 代入 ?V = ?S · L 可得： ?V = ?S · L =?L2?y,42,8.2 心輸出量的無創(chuàng)傷測定方法,實際測量每搏輸出量計算公式：,?V：心臟每搏輸出量， L：電極間的距離，σ：血液電導率，(dy/dt)max導納的導數最大值，Ty：微分圖上確定的心室射血時間。 用導納法公式不需要基礎導納，這是一個優(yōu)點。,43,8.2 心輸出量的無創(chuàng)傷測定方法,4. 阻抗圖的其它臨床應用 阻抗法除了用于測心輸出量外，還可以用于人體不同部位血流量的測量，例如可以記錄腦阻抗圖、肝阻抗圖、肺阻抗圖、腎阻抗圖等容積描記圖。可以為臨床診斷、治療或有關基礎生理的研究提供一個客觀的測量指標。 正常的阻抗圖的波形如下圖。阻抗圖的波形反映了血管的生理狀態(tài)。,44,8.2 心輸出量的無創(chuàng)傷測定方法,阻抗波形圖,h1為收縮波幅度，h2為舒張波幅度，M為第一峰，N為第二峰(重搏波)，A流入時間，B為流出時間，C為重搏波切跡高度，L為重搏波深度。,45,8.2 心輸出量的無創(chuàng)傷測定方法,5. 阻抗法心輸出量測量的儀器 阻抗法心輸出量測量儀一般又稱之為阻抗容積描記器或阻抗血流圖儀。這種儀器的種類比較多，但是儀器的原理基本相同。 阻抗心輸出量測量儀主要由振蕩器、高頻放大器、整流器、直流放大器、?Z放大器、輸出放大器、定標信號發(fā)生器和Z0指示器組成。此外，尚需配用微分器，以便記錄dZ/dt，其框圖如圖所示。,46,8.2 心輸出量的無創(chuàng)傷測定方法,阻抗心輸出量測量儀框圖,47,