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血氧检测

血氧检测

摘 要

众所周知，人体各项生命活动离不开氧的参与。人体吸入的氧绝大多数随血液循环被输送到全身各处的组织细胞。只要对血液中的氧含量做到准确的检测,就可以了解身体各个组织器官是否缺氧，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。人体血氧饱和度值作为一个非常重要的生理指标,己经被用到了实时监护、临床医学等各个方面。

由于近红外光谱技术具有无创伤、灵敏度高、响应速度快等特点，在医学诊断和治疗领域有着广泛的应用。近红外光谱技术具有无创伤、灵敏度高、响应速度快等特点，因此，在医学诊断和治疗领域有着广泛的应用。本文首先分析了血氧检测的研究背景及意义，用近红外连续波作为组织检测系统的设计方案，并应用时间分辨方法估算组织体的差分路径因子，并根据修正的朗伯-比尔定律计算出组织血氧饱和度方案和由光子漫射方程理论推导出的基于空间分辨组织血氧饱和度的测量方案。

关键词 朗伯-比尔定律 血氧饱和度值 红外连续波 无创检测

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血氧检测

一 绪论 .................................................. 1

1.1 人体血氧检测的背景和意义 .................................... 1 1.2 人体组织的血氧检测的发展 .................................... 2 1.3 近红外无创组织体血氧检测测量方法的研究 ...................... 3

1.3.1 连续波的血氧测量技术 ........................................... 3 1.3.2 基于时间分辨血氧测量技术 ....................................... 4 1.3.3 基于频率分辨的血氧测量技术 ..................................... 5

二 近红外连续波无创血氧检测 .............................. 5

2.1 连续波无创血氧检测系统的理论基础 ............................ 5 2.2 基于差分路径的连续波测量方法 ................................ 7 2.3 基于差分路径系数的连续波无创血氧测量方法 .................... 7

三 检测系统的研究 ....................................... 8

3.1 系统总体设计方案 ............................................ 8 3.2 硬件系统的设备选择和搭建 .................................... 9

3.2.1 光源系统的选择 ................................................. 9 3.2.2 光电探测器的选择 .............................................. 10 3.2.3单光子计数器的选择 ............................................ 11 3.2.4 光路转换系统的选择 ............................................ 12 3.3.1 AD 采集模块 .................................................. 14 3.3.2 时序控制程序 ................................................. 14 3.3.2 LCD 显示程序控制程序 ......................................... 14

四 总结 ................................................. 16 致谢 .................................................... 17 参考文献 ................................................ 18 附 录 ................................................... 19

血氧检测

一 绪论

1.1 人体血氧检测的背景和意义

氧是生命活动的基础。正常情况下,进入血液中的氧大约有溶解在血浆中,这一部分被称作,它代表动脉血浆中的氧分压。其余约的氧则与血浆中的血红蛋白分子结合,形成氧合血红蛋白,没有与氧结合的血红蛋白分子被称为还原血红蛋白。以形式存在的氧被称作,代表动脉血液中血红蛋白的氧饱和度。图为和在血浆中所占百分比。血液中的氧以这两种方式运载到全身各处组织毛细血管。在毛细血管中,氧合血红蛋白释放氧,以维持组织细胞的新陈代谢,从而变为还原血红蛋白。最后血液经静脉系统回流到心脏,开始下一轮的循环。

着社会的进步和人民生活水平的提高,全社会对于疾病的早期检查发现越 来越重视,开发方便准确稳定的生理指标检测仪器成为一件非常迫切的事情,这对于实现全民普适化医疗保障的目标也具有重要的推动作用。人体各项生命活动 离不开氧的参与。人体充分吸入氧,使足够的氧溶入动脉血液中,对维持生命是至关重要的。医学上认为,人体组织缺氧是导致许多疾病的根源,严重的甚至直接危及生命。人体吸入的氧绝大多数随血液循环被输送到全身各处的组织细胞。只要对血液中的氧含量做到准确的检测,就可以了解身体各个组织器官是否缺氧,受检者是否存在呼吸障碍等疾病。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。人体血氧饱和度值作为一个非常重要的生理指标,己经被用到了实时监护、临床医学等各个方面。基于近红外光谱技术的无创人体血氧检测系统不会让受检者产生创伤,同时具有较高的准确性,非常适用于实时连续检测,在实际生活中得到了广泛的推广与应用。

动脉血的血氧饱和度是反映血液循环系统以及呼吸循环系统的重要参数。及时检测动脉中氧含量是否充足,是判断人体呼吸系统、循环系统是否出现障碍或者周围环境是否缺氧的重要指标。实验证明,通过对血氧饱和度的测量分析,可有助于预防、判别疾病,并对评价治疗效果也有一定的指导意义。实时检测人体组织中氧的代谢及运输过程对生命科学研究有着重大的意义。由于脉搏血氧检

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血氧检测

测系统能够快速准确地无创测定动脉血液中的氧饱和度与脉率,而且价格日趋便宜,因此正被广泛使用在肺科、手术室、急救室、危重病人监护病房等多种科室及救护车和救护直升机等场合。相对于其他一些检测方法，近红外组织检测技术可检测人体局部组织的光学参数并由此诊断组织的健康状况或病变情况，并已成为人体无创测量新的发展方向。

1.2 人体组织的血氧检测的发展

目前发展较为成熟的技术有：血气分析法、极谱电极测量法，核磁共振法，磷光光谱法等等。这几种方法各有特点，但还不能完全满足科学研究与临床诊断对实时、无创性、便携性及低成本的要求，这使它们的应用受到很大的限制。

血氧饱和度检测一般分为：有创测量方法和无创测量方法。

常规的方法是血气分析的方法。它是一种有创的血氧测量方法，临床上主要取动脉血测量其中的氧分压来计算血氧饱和度，其能准确地反映机体的呼吸和人体的血氧饱和度，并已成为危重病人监测的重要方法之一。但其缺点也很明显，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，在病人处于危险状况时，不易使病人得到及时有效地抢救。因此采用无创性的快速准确的检测方法来监测血氧饱和度，便具有广泛而实际的意义。

脉搏氧饱和度（SpO2）检测是一种近红外无创检测方法。它是利用人体脉的搏动能够引起测试部位血液流量的变化，从而导致光吸收量的变化的原理来进行血氧检测的。脉搏氧饱和度检测的是指端动脉血的氧饱和度，其主要反映的是静脉血管和毛细血管中的血氧饱和度，因此，脉搏氧饱和度检测不能准确的反应局部组织的氧合情况。虽然这种测试方法简单易行，而且解决了无创和实时检测的问题，但测量原理依赖于指端动脉的波动，因此测量的只是末端动脉血管的血氧饱和度与组织氧有着根本区别，特别是在低血压等情况下，无法准确测量。而且其应用的Beer-Lambert定律只适用于均匀介质的吸收，如果待测介质含有浑浊质点时，将产生强散射效应。人体组织结构是复杂的，手指尖不仅含有动静脉血，还有皮肤、指甲等其它参量，同样也会导致测量的不准确。因此，脉搏氧饱和度检测的方法并不令人满意。

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1.3 近红外无创组织体血氧检测测量方法的研究

近红外无创血氧检测测量方法的种类很多，分类方式也多种多样。我们一般 根据系统所采用的光源的种类进行划分。目前，近红外光谱的测量方法主要分为 三类：基于连续波的测量方法、基于时间分辨的测量方法和基于频域分辨的测量 方法。

1.3.1 连续波的血氧测量技术

通常所说的连续波系统，包括早期的近红外光谱仪等。连续波测量法具有测量系统简单、数据获取时间相对较短等优点，但是其在单一光源和探测器的距离下无法区分吸收系数和散射系数所造成的影响，所以绝大多数的连续波血氧检测系统都应用多波长多距离的方法来消除由组织的散射衰减和差分路径系数DPF带来的误差。

普遍采用高强度的近红外连续波光源（例如：半导体激光器 LD 或发光二极管 LED），仅仅通过测量经过人体组织透射或散射后的光强化来计算人体组织光学参数。探测器一般采用光电倍增管 PMT、光电二极管或雪崩二极管 APD等。连续波的血氧测量方法需要对光源强的绝对值进行测量，但在实际测量过程中，是很难校正实际入射到组织体内的光强，且经过组织体吸收和散射作用后的光很微弱，所以，国外研制的很多基于连续波的血氧测量系统采用了多光源和多探测器的方式。系统探测器一般选用光电倍增管，由于其增益较大且灵敏度较高，能够提高系统的准确性和测量精度。其原理示意图如图 2-1 所示。

图2-1 近红外连续波的血氧测量方法

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