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脉搏血氧饱和度(血氧探头)监测的进展(2011-03-18 13:11:03)1发展简史和应用现状1.1 发展简史 Takuo Aoyagj利用光吸收曲线法测定心输出量的过程中,产生了研制脉搏血氧饱和度仪的想法,采用Wood法,先在耳垂加压使其缺血,并测其传导光线,然后去除耳垂加压以恢复其血流,再测其传导光线。此时,第一个 耳垂值是入射光强度,第二个值是透过光强度,计算两者的比值就是血液的光密度。研制中 利用动脉搏动振幅又可测得氧饱和度,并据此得出两个观点:通过搏动可显示动脉血颜色 ,从而不致受静脉血的影响,探测头可以放在任何部位;无需对组织加压使局部缺血,而 是通过简单地转换探头位置达到测定的目的。所选用的波长是受干扰最小的630nm和900nm。 1974年世界上第一台脉搏血氧饱和度(血氧探头)(SpO2)仪OLV5100问世。1982年,Nellcor研制 出一种性能更好的脉搏血氧饱和度仪N100,并形成了一种标准模式,系利用发光两极管作为光源、硅管作为光传感器、微型计算机进行信息处理,从而使脉搏血氧饱和度仪进入了新时代1.2 应用现状 脉搏血氧饱和度仪在麻醉、手术以及PACU和ICU大量临床应用资料表明,及时评价血氧饱和度和/或亚饱和度状态,了解机体氧合功能,尽早 发现低氧血症,足以提高麻醉和重危病人的安全性;尽早探知SpO2(血氧探头)下降可有效预防或减少 围术期和急症期的意外死亡。由此促使SpO2仪在临床上得到广泛应用。据统计,单独应用 SpO2仪可减少40的麻醉意外,如果与CO2监测仪并用则可减少91的麻醉意外。此外,可发现某些临床化验和治疗也难以预料的危险。因此,SpO2作为一种无创、 反应快速、可靠的连续监测指标,已得到公认,目前已推广到小儿病人的呼吸循环功能监测, 特别对新生儿、早产儿的高氧血或低氧血症的辨认尤其敏感。新生儿抗氧化能力弱,常可出 现慢性肺疾病,早产儿更易致视网膜病;在自主呼吸受到抑制时,容易导致呼吸停止。因此,连续监测SpO2不仅可及时发现低氧血症,正确评价新生儿的气道处理与复 苏效果,更可以设置SpO2高限报警以提供高氧血症预报,从而可为NICU新生儿的监护和治 疗提供重要信息16。鉴于小儿的解剖和生理与成人有别,特点是血容量、潮气量 和其他生理参数的安全范围都相对窄小,在NICU中利用SpO2就可以正确评价 小儿病人的氧合情况,可指导呼吸机的使用与撤离,提供可靠的依据。在其他 领域中,SpO2监测也能发挥重要作用,例如评估桡动脉与尺动脉、或足背动脉与颈后动脉 的侧支循环血流,可减少手或足血循环障碍并发症,也可评价断肢再植的血供状况。将SpO2安置在犬直肠表面以测定直肠表面氧合状况,可判断肠吻合后的肠功能状况。在康复病 房中应用SpO2仪可观察患者运动后的氧合状态。SpO2用于急诊室监测患者呼吸暂停、紫 绀和缺氧的严重程度,可决定进一步的抢救措施。Baker等利用SpO2仪和放射性同位素法 同时测定先心病患者的左向右分流状况,结果证实在心室分流水平上两者的相关性好(r=0.8 6),而心房水平上两者的分流相关性较差(r=0.64)。2 监测原理及其应用局限性2.1 基本原理2.1.1 SpO2是根据血红蛋白(Hb)具有光吸收的特性设计而成。SpO 2仪包括光电感应器、微处理机和显示部分三个主要部件。其基本原理是:HbO2与Hb 对两个波长的光吸收特性不一样;两个波长的光吸收作用都必须有脉搏波部分参与。根据 Beer定律,溶质浓度与通过溶质的光传导强度有关,如果将一个已知的溶质程序设计,置入 已知容积透明容器的纯溶液里,通过测定已知波长的入射光强度和透过光强度,就可计算出 溶质浓度:A = log(lin/lout) = ECD。注:lin=入射光强度;lout=透过光强度;光 密度A是消光系数E、浓度C和传导路程D的产物。当传导路程(D)和lout(l)发生变化 时,光密度的变化如下:A =loglout/(loutl)= ECD10。由于存 在散射,E值可能出现变化。在散射物质中,光线在传导过程中可能有较多的丢失,这取决 于光学结构中的很多因素,由此使公式A变得很复杂。相反,公式A的入射光强度和透过光 强度由于同时消散,由此可给SpO2读数提供高精确度的条件,这也是SpO2读数高精确性 的原理21。2.1.2 HbO2与Hb的分子可吸收不同波长的光线:HbO2吸收可见光 ,波长为660nm,而Hb吸收红外线,波长为940nm。根据分光光度计比色原理,一定量的光线 传到分光光度计探头,光源和探头之间随着动脉搏动性组织而吸收不同的光量(无搏动的皮 肤和骨骼则无吸收光量的作用)。搏动性组织吸收的光量转变为电信号,传入血氧饱和度仪 ,通过模拟计算机以及数字微处理机,将光强度数据转换为搏动性的SpO2百分比值。2.1.3 SpO2仪在光传导的途径上,除动脉血血红蛋白可吸收光外, 其它组织(如皮肤、软组织、静脉血和毛细血管血液)也可吸收光。当入射光经过手指或耳 垂时,光可被搏动性血液及其它组织同时吸收,但是两者的光强度是不同的:搏动性动脉血 吸收的光强度(AC)随着动脉压力波的变化而改变,而其它组织吸收的光强度(DC)不随搏动 和时间而改变,且保持相对稳定。动脉床搏动性膨胀,使光传导路程增大,因而光吸收作用 增强,形成AC。利用光电感应器可测知穿过手指或耳廓的透过光强度,在搏动时测得的光强 度较小,与每两次搏动之间测得的光强度比较,其减少的数值就是搏动性动脉血所吸收的光 强度。据此,就可计算出在两个波长中的光吸收比率(R)。R=(AC 660/DC 660)/(AC 940DC 940)。R与SpO2呈负相关,在标准曲线上可得出相应的SpO2值。当R为1时,SpO2值大 约为85。标准曲线是根据正常志愿者的数据建立,并储存于微处理机内。各种计算步骤通 过微机处理后,显示在屏幕上。2.2 SpO2仪在使用上的局限性 鉴于工程技术上和生理学方面尚存 在某些不足,因此SpO2仪在实际使用上尚存在某些局限性。2.2.1 血红蛋白异常 该仪器只适用于测定HbO2和Hb。如果血液中 出现某些病理情况,例如MetHb和COHb浓度异常增高时,SpO2的读数就会出现错误。HbO 2只在波长660nm时被吸收,在波长940nm时不被吸收,但可以吸收增高的COHb。这样R值就增大,从而可出现SpO2降低的假象。动物实验表明,COHb与SpO2的关系是:SpO2(HbO 2+0.9 COHb)总Hb100。又如在波长660nm时,吸收MetHb与吸收Hb几乎相等,但在波 长940nm时同样可吸收MetHb。随着MetHb浓度增高,而SpO2无改变时,由于MetHb在两个波 长中都被吸收,因此R值趋于固定为1,即使MetHb处于高水平,患者的SpO2仍应85,如果SpO285应视为错误的假象。2.2.2 静脉内染料 在搏动性血液中的任何物质(例如亚甲蓝几靛胭脂 静脉注射)都可被660nm和940nm光吸收,因此可影响SpO2的正确性。例如动物静脉注射亚 甲蓝实验显示,SpO2呈快速显著下降,而实际的SaO2并没有减少。又如静脉注射吲哚花 青绿可使SpO2出现假性下降,但幅度较小;静脉注射靛蓝二磺钠则对SpO2似乎毫无影响 。2.2.3 外周脉搏减弱 危重病人的血流动力学波动较大,在低灌注和 末梢血管阻力大时,SpO2信号将消失或精确度降低。由于脉搏幅度减小,SpO2仪对外光 源(如室内荧光灯)呈敏感状态,由此可影响SpO2值。2.2.4 活动性伪差 病人活动时对信号的吸收会发生很大的波动,是 最难以消除的伪差因素,尤其在恢复室或ICU使用时,几乎可使SpO2失去应有的价值。2.2.5 静脉搏动 SpO2监测仪是以动脉血流搏动的光吸收率为依据 ,但静脉血流的光吸收也有搏动成分,由此可影响SpO2值,在静脉充血时SpO2读数往往 偏低。2.2.6 半影效应 如果传感器没有正确放在手指或耳垂上,传 感器的光束通过组织就会擦边而过,由此可产生半影效应,信号减少,噪音比加大,Sp O2值低于正常。因此当SpO2传感器光源偏离正确位置时,对低氧血症病人实际SpO2值 的评估可能偏高或偏低,由此可产生误导。2.2.7 氧离曲线 氧离曲线指出,SaO2与PaO2在一定范围内呈线 型相关,当PaO213.3kPa(100mmHg)时,氧离曲线呈平坦;全身麻醉及机械通气时FiO2 常0.3,如果病人的肺功能正常,PaO2可达23.94kPa(180mmHg),此时SpO2测定为100% ;即使PaO2降至13.3kPa(100mmHg),SpO2值仍不会改变。当FiO21.0时,PaO2即使下降39.966.5kPa(300500mmHg),SpO2仍为100%。因此,在高氧分压下,SpO 2不 能准确反映PaO2,因系与氧离曲线特性所决定。另一方面,病情改变使氧离曲线左移或右 移时,也可影响SaO2与PaO2的相关性。3 新技术的进展3.1 多种波长反射性脉搏血氧饱和度仪3.1.1 现用的光反射性脉搏血氧饱和度仪(血氧探头)的主要原理是通过传感器局 限性地从体表低密度血管分布区域记录相对较弱的光体积描记图(PPGs)。如果设计一种能在 身体不同部位探测到足够强的反射光体积描记图,并利用特殊的运算处理较弱的和经常受干 扰的PPGs,这样光反射性脉搏血氧饱和度仪的本质可得到完全改变。现用的光传感器是由一 个单独的光探测器,以及检测经皮肤的反射光和一对红光和红外线的发光双极体(LEDs)组成 。此类传感器依赖于探头接触的解剖组织结构的位置,如果传感器的位置与组织之间发生变 异,就会导致很大的误差。为捕捉到大部分的反向散射波,光探测器必须能探测到从中心区 域发射的光,据此就设计出一种新型的光反射传感器,包括三个LEDs和两个连续光探测环, 对称性、等距离地排列在LEDs的中心位置。这种新配置与现用的传统光探测器相比,能更全 面地探测到光体积描记图。多个光探测器的结构虽然复杂些,但可加强搜集远离光探测仪区 域的额外反向散射波的能力。3.1.2 脉搏氧饱和度的读数与传感器的正确使用有直接关系。身体不 同部位的组织血容量变化与皮肤表面的血管数量和分布有关。另外,传感器与皮肤接触会影 响皮肤表面的血液分布和光散射的效果。多波长的新型传感器具有独特的几何学结构,改进 辨别光射的能力,排除人为移动或高敏性所致的相对较弱的光体积描记图,由此可提高氧饱 和度读数的精确性,也是将来用于临床监测新生儿和胎儿SpO2的重要仪器。3.2 Masimo信号萃取技术3.2.1 Masimo信号萃取技术与传统方法不同。今已认识到:压力相对 较低的静脉血对病人活动时所产生干扰影响相当敏感。以手指为例,血管床内的静脉血在病 人活动时很容易发生变化,而形成生理信息所在频带内的明显噪声。另外,静脉血是一种很 强的光吸收剂,因此,当病人活动时,静脉血对总光强度可产生明显噪声源影响。如果能测 定噪声基准,就可以采用自调谐噪声消除器来处理相应于静脉血噪声源的影响。3.2.2 在生理信号中可检测到红光强度Ird与红外线强度Iir,分别由 有用信号部分(Srd,Sir)及无用信号部分(Nrd,Nir)组成。在氧饱和度仪中通常理解为:这 两个有用信号部分(Srd,S1r)彼此间成正比,其比值即为动脉光强度比ra。因此,从红光 产生的生理信号中,减去红外线产生的生理信号与动脉光强度之比的乘积,其结果就包含仅 有噪声部分的基准信号,即为噪声基准信号N。氧饱和度选通转换(DST)技术,能够将相应 于动脉氧饱和度的光强度比(ra)与相应于静脉氧饱和度估计值的光强度比(rv)区分开来 ,随后计算出这两个光强度比(ra和rv)。由光强度比的每一个选定值,计算出相应的基 准信号,再由自调谐噪声消除器进行处
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