提高血氧测量精度的方法和系统

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摘要：本文把血液中含有的胆红素、高铁血红蛋白和碳氧血红蛋白等物质对血氧测量的影响考虑在内，在传统的脉搏式血氧饱和度测量光吸收模型基础上，提出了一种改进的光吸收模型；同时为了增加血氧饱和度测量的精确度，在新的光吸收模型上，推导一种非线性的血氧饱和度检测方法；最后，设计了一套血氧测量系统，通过验证，该方法扩大了血氧测量范围，提高血氧测量的精度，能满足不同应用领域的测量要求。

关键词：血氧饱和度 光吸收模型 方法 精度

0 引言

Brinkman和Zijlstra是最早提出脉搏波血氧饱和度测量方法的两位科学家。随后，日本人Aoyaji于1972年利用红光和红外光的穿透机理直接算出了脉搏血氧饱和度。青柳卓雄等人在1974年发表了代表性文章，该文章中提出了脉搏血氧计的测量方法[1]，紧接着，世界上第一台基于该测量方法的脉搏血氧饱和度测量仪原型问世；基于该原型仪器被很多公司不断完善，最终推出了无创、连续的血氧测量的商业化仪器，并快速地被推广普及。1982年，随着光学研究方面的不断进步，Nellcor采用双波长测量技术和计算机信息处理技术，快速处理光传感器反馈回来的光信号信息，设计了标准的血氧测量仪，标志着血氧测量进入了新时代。90年代后，该标准测量仪被不断完善并得到广泛应用，成为一种不可缺少的临床诊断设备。[2]

尽管上述的各种血氧测量方法和装置的出现和应用使得血氧饱和度的无创连续检测达到了较为理想的境界，但双波长透射式的脉搏血氧饱和度测量方法在实际应用中仍存在着一些难以解决的问题：由于上述的标准血氧测量设备中仅仅考虑了血液中两种血红蛋白（氧合血红蛋白和还原血红蛋白）对光的吸收作用，对于血氧中的其他血红蛋白（碳氧血红蛋白（COHb），高铁血红蛋白（METHb），胆红素[3]等）的光吸收作用采用忽略不计的测量方法，所以，这种双波长的测量方法的精确度会受很大影响，存在血氧饱值和度估计过高或低。

1 改进的光吸收模型

透射式脉搏波血氧饱和度检测的传统模型包含了下面两个假设：

①动脉血中血红蛋白只有氧合血红蛋白和还原血红蛋白，其他血红蛋白忽略不计。

②氧合血红蛋白和还原血红蛋白两者的吸光系数[4]近似相等，在测量方法推导过程中采用两者吸光系数曲线的交点。

对于传统模型中，在建模过程中，发现测量所得的血氧饱和度高于血气分析仪测得的数据，原因是忽略了碳氧血红蛋白和高铁血红蛋白的影响。特别是碳氧血红蛋白和高铁血红蛋白含量越高时，误差越大。当动脉搏动时，动脉血中存在很多因素会使光的吸收发生变化，这些因素不仅仅包含了氧合血红蛋白和还原血红蛋白，还有动脉血中的其他成分如碳氧血红蛋白、高铁血红蛋白等；同时动脉周围的肌肉、组织骨骼和静脉血随着动脉的博动其形态方面也会发生变化，这些因素都会影响到透射光强。相比起氧合血红蛋白和还原血红蛋白对吸光光强的影响，其他因素对光强变化影响要小。[5]下面我们要介绍一种改进的光吸收模型，该模型会充分考虑上述几个因素对光吸收量的作用，全面分析测试区域对光强的吸收过程。

改进的血氧模型除了采用了传统模型的特征外，主要有下面两个不同点：

①为了避开复杂的计算推导，同时由毛细血管的生理特性可知，其形状对光强的影响甚微，假设毛细血管是方形的管状物。由下面血管模型可知，方形表示血管，方形内区域是动脉血液，方形之外是周围的肌肉、骨骼、组织和静脉血。整个透光区域的吸光光程为l0，在动脉血管搏动之前，方形腔变长为2l，搏动后边长增加l。

②动脉中氧合血红蛋白（HbO2）吸光系数和浓度分别为ε■，C■；还原血红蛋白（Hb）的吸光系数和浓度分别为ε■，C■；其他形式的血红蛋白和物质的吸光系数和浓度分别表示为ε■，C■；动脉血管周围的肌肉、组织、骨胳、静脉血等对检测光的吸光系数及浓度分别表示为ε■，C■。采用单色平行光垂直照射被测组织，光强为i0。

在动脉搏动前，根据Lambert－Beer定律可得透过该组织区域的透射光强为：

Iout=2Δ*i0*e■+2l*i0*e■*

e■ （1）

搏动后，透射光强重新表示为：

I′out=2（l+Δl）*i0*e■*

e■（2）

ΔI=Iout-Iout′

=2Δ*i0[e■-e■]+2li0[e■*e■-e■*

e■]

=2e■Δl*i0[1-e■]+

2li0e■*

[1-e■]

为了方便表示，记A=ε■*C■+ε■C■+ε■C■-ε■C■

可得：

ΔI=2e■Δl*i0[1-

e■]+2li0e■*[1-e■]

=2li0e■+2e■Δl*i0-2e■*(l+Δl)*i0*e■

当Δl0时，上式中e■Δl*i0可以忽略，l+Δl≈l，因此，上式可以简化为

Δl=2li0e■*(1-e■) （3）

记IDC=2li0e■，可以看出IDC与光程变化量l无关，但是与模型中的吸光系数和浓度有关，因此把I看作是透射光强交流分量，而IDC作为是透射光强的直流分量则：

IAC=IDC*（1-e■） （4）

对上式取自然对数：

ln(■)=-2A*Δl （5）

从而可以推导出：

■=2A*Δl

=2(ε■*C■+ε■C■+ε■C■-ε■C■) （6）

从6式可以看出，在新的光吸收模型中，透过被测区域的光强变化率不仅仅受动脉血内氧合血红蛋白、还原血红蛋白的影响，其他形式血红蛋白及物质和管外物质也会对其产生影响。

2 基于改进模型的新血氧测量方法

上节在传统吸光模型的基础上对吸光模型进行改进和校正，把动脉血中其他血红蛋白及动脉血管周围的肌肉、组织、骨胳、静脉血以和皮肤等物质的影响考虑在内，全面分析光强在血氧中的透射吸收过程。同时，我们根据新的血氧模型，对经典血氧饱和度测量方法[6]进行修改如下：