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比例。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。本文一方面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途径因子，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 无创检测一 绪论11.1 人体血氧检测的背景和意义11.2 人体组织的血氧检测的发展21.3 近红外无创组织体血氧检测测量方法的研究31.3.1 连续波的血氧测量技术31.3.2 基于时间分辨血氧测量技术41.3.3 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52.1 连续波无创血氧检测系统的理论基础52.2 基于差分途径的连续波测量方法72.3 基于差分途径系数的连续波无创血氧测量方法7三 检测系统的研究83.1 系统总体设计方案83.2 硬件系统的设备选择和搭建93.2.1 光源系统的选择93.2.2 光电探测器的选择103.2.3单光子计数器的选择113.2.4 光路转换系统的选择123.3.1 AD 采集模块143.3.2 时序控制程序143.3.2 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比例。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,全社会对于疾病的初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的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。人体充足吸入氧,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比例。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,非常合用于实时连续检测,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边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,可有助于防止、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送过程对生命科学研究有着重大的意义。由于脉搏血氧检测系统可以快速准确地无创测定动脉血液中的氧饱和度与脉率,并且价格日趋便宜,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、便携性及低成本的规定，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，临床上重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。但其缺陷也很明显，由于血氧饱和度的有创检测方法不仅费时、易对患者导致痛苦甚至感染，并且不能提供连续、实时的血氧饱和度数据，在病人处在危险状况时，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。它是运用人体脉的搏动可以引起测试部位血液流量的变化，从而导致光吸取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，其重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映局部组织的氧合情况。虽然这种测试方法简朴易行，并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主线区别，特别是在低血压等情况下，无法准确测量。并且其应用的Beer-Lambert定律只合用于均匀介质的吸取，假如待测介质具有浑浊质点时，将产生强散射效应。人体组织结构是复杂的，手指尖不仅具有动静脉血，尚有皮肤、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。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重要分为三类：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，涉及初期的近红外光谱仪等。连续波测量法具有测量系统简朴、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取系数和散射系数所导致的影响，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途径系数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），仅仅通过测量通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，且通过组织体吸取和散射作用后的光很薄弱，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，可以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1.3.2 基于时间分辨血氧测量技术 近红外时间分辨研究理论和实验表白，从组织体出射的时间扩展曲线(Temporal Profile)，具有几甚至十几GHz的带宽，因此一般认为时间域的测量可以比频域方法提供更多的信息，但相应地规定期间分辨的测量系统必须要具有相称小的时间分辨率。随着科学理论和科学技术的不断发展，时间相关单光子计数方法（Time-correlated Single-photon Counting，简称TCSPC）被应用到了对薄弱光信号进行高时间分辨率的测量。时间相关单光子计数的测量方法具有信噪比高、灵敏度最高、线性度好、时间分辨率高的优点。目前，时间相关单光子计数方法系统价格越来越减少、设备体积也越来越小型化，其在临床近红外无创在体检测技术中的应用前景越来越广阔。图2-2 近红外基于时间分辨血氧测量方法采用基于时间相关单光子计数的血氧测量系统一般都采用透射测量方法。脉冲光入射人体组织，并用时间相关单光子计数器对出射光进行探测，由时间相关单光子计数系统测得时间扩展曲线。在测量人体组织的血氧饱和度时，忽略组织中散射系数的变化，并假设组织中的血液的血红蛋白重要以氧合血红蛋白（HbO2）和还原血红蛋白（Hb）形式存在，而肌肉组织中的其他发色团对吸取系数的变化奉献很小，对于半无限平面来说组织对光的散射的变化是很小的。因此，可以在计算时把这一部分看作是恒定不变的。由于吸光系数随波长改变的特性，运用多个波长的光源测量多波长下的吸取系数的值，从而获得组织的光学参数。以 Beer-Lambert 定律为基础，计算出氧合血红蛋白和还原血红蛋白的浓度以及组织体瞬时的血氧饱和度的值。1.3.3 基于频率分辨的血氧测量技术在光电检测系统中，常用的特性参数有非相干光的光通量的幅度、频率、相位和脉冲时间，众多的可调制参量增长了光载波信号的解决灵活性和多样性。在频域扩散光测量系统中，要对光源（一般是激光管或者发光二极管）进行射频强度的调制，使得振幅被几十到几百兆赫兹正弦波调制的光连续地照射到组织体上。可见出射光将保持同样的调制频率不变，但其幅度却由于组织体的吸取和散射而衰减，并且由于不同的光子从光源到探测器间经历的途径不同，光强波的相位会延迟。因此，组织的吸取和散射系数等光学参数信息可以通过测量出射光相对于入射光的直流偏置强度的衰减、交流幅度的衰减和相位延迟所得到。图2-3 近红外基于频率分辨血氧测量方法由于此类系统中高频信号相位和调制深度的测量都比较困难，并需要提高对弱信号的探测灵敏度，因此，频域外差法和零差法等技术被广泛地应用于频域系统当中。频域系统的最重要的优点是其较短的数据读取时间（和连续波测量系统的数据读取时间大体相同）。然而，由于组织体的光学系数的变化所可以引起的相位角变化是很小的，用相位作可测量量需要仪器的测量精度一般会较高。 二 近红外连续波无创血氧检测2.1 连续波无创血氧检测系统的理论基础近红外无创血氧检测系统就是以光与生物组织的互相作用的组织光学为理论基础，以光电子学的先进技术为前提的，最终满足临床的诊断需求。 当光照射入生物组织体内时，光与生物组织体之间会产生互相作用。近红外无创血氧检测方法就是运用光与生物组织体之间的互相作用为理论基础的。前面已经提到了生物组织体对光的传播存在吸取作用和散射作用。 在生物组织中，光的吸取可用吸取系数来表达，它代表在组织体内单位程长上一个光子被吸取的概率。吸取系数代表在组织体内单位程长上一个光子被吸取的概率。吸取系数越大，代表组织体对该波长的吸取也越大。吸取系数随波长的变化而明显变化，它受人体血容量、组织中氧化状态以及其他色素的含量的影响很大。生物组织体内对光有吸取作用的重要是组织体内的发色团。近红外 600900nm波长的“光谱窗”范围，发色团中吸取最强的物质是还原血红蛋白和氧合血红蛋白，除此以外尚有