血氧飽和度和心輸出量的無(wú)創(chuàng)傷測(cè)量方法ppt課件

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生物醫(yī)學(xué)傳感器與檢測(cè)技術(shù),,,第八章 血氧飽和度和心輸出量的無(wú)創(chuàng)傷測(cè)量方法,1,8.1 血氧飽和度的無(wú)創(chuàng)傷測(cè)量方法,8.1-1 血氧飽和度的概念 細(xì)胞的氧的供給是通過(guò)人的呼吸運(yùn)動(dòng)將空氣中的氧吸人肺泡內(nèi)，經(jīng)過(guò)氣體交換進(jìn)入血液，并隨動(dòng)脈血向全身輸送，在毛細(xì)血管處與組織進(jìn)行氣體再交 換，氧進(jìn)入機(jī)體組織為細(xì)胞所攝取。 血中的氧分子絕大部分與紅細(xì)胞中的血紅蛋白作可逆性結(jié)合，很少一部分是溶解在血漿中的。氧與血紅蛋白的結(jié)合與解離是可逆反應(yīng)，即：,2,8.1 血氧飽和度的無(wú)創(chuàng)傷測(cè)量方法,血紅蛋白可以結(jié)合O2的最大量稱為血液的氧容量，血紅蛋白實(shí)際結(jié)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(wú)創(chuàng)傷測(cè)量方法,8.1-2 血氧飽和度測(cè)定的意義 由于氧通過(guò)呼吸進(jìn)入細(xì)胞進(jìn)而被血紅蛋白所氧合是由多個(gè)環(huán)節(jié)組成，其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題均可導(dǎo)致供氧障礙。 血氧飽和度，是臨床醫(yī)療上重要的基礎(chǔ)參數(shù)。 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(jī)體自動(dòng)調(diào)節(jié)功能受抑、手術(shù)創(chuàng)傷以及其他治療、檢查時(shí)的損傷等。,4,8.1 血氧飽和度的無(wú)創(chuàng)傷測(cè)量方法,無(wú)創(chuàng)傷連續(xù)檢測(cè)動(dòng)脈血氧飽和度的方法，即脈搏血氧測(cè)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(dòng)脈處，不需要插入血管，也不需要采血樣，所以極易為臨床應(yīng)用場(chǎng)合所接受。 它實(shí)現(xiàn)了無(wú)創(chuàng)傷連續(xù)監(jiān)測(cè)血氧飽和度的功能，已被臨床接受，成為危重病人監(jiān)護(hù)，麻醉手術(shù)監(jiān)測(cè)所必不可少的設(shè)備。,5,8.1 血氧飽和度的無(wú)創(chuàng)傷測(cè)量方法,8.1-3 脈搏血氧測(cè)量法基本建模原理 脈搏血氧測(cè)量是基于傳統(tǒng)光吸收測(cè)量方法和光學(xué)脈搏容積描計(jì)法，在體表淺動(dòng)脈處來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量的。其建模方法有三方面。 1. 溶液對(duì)單色光吸收的基本規(guī)則-比爾定律 當(dāng)單色光通過(guò)溶液時(shí)，透射光的強(qiáng)度I符合比爾-朗伯特（Beer-Lambert）定律：,I0為入射光的強(qiáng)度，C是溶液的濃度，D是溶液的厚度，即光程。ε是 吸收系數(shù)，為常數(shù)。,6,8.1 血氧飽和度的無(wú)創(chuàng)傷測(cè)量方法,濃度測(cè)量或血氧飽和度 測(cè)量時(shí)，正是利用這個(gè)特性，通過(guò)測(cè)量光強(qiáng)從而求出濃度C。 取對(duì)數(shù)的形式：,A－表示吸光度(absorbance)。 測(cè)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(wú)創(chuàng)傷測(cè)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(cè)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(dòng)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(wú)創(chuàng)傷測(cè)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(wú)創(chuàng)傷測(cè)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(diǎn)。 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(guān)。,10,8.1 血氧飽和度的無(wú)創(chuàng)傷測(cè)量方法,3. 動(dòng)脈組織的模型和血氧飽和度計(jì)算公式 在體淺表動(dòng)脈處用光電容積描記法獲取動(dòng)脈脈搏波 區(qū)分動(dòng)脈和其他組織，實(shí)現(xiàn)動(dòng)脈血液中測(cè)量血氧飽和度。 假設(shè)組織模型由兩部分組成：無(wú)血組織(皮膚，骨骼，靜脈血，其它組織等)，動(dòng)脈血管(由氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白組成的動(dòng)脈血液)。 脈搏波傳感器接受的信號(hào)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(dòng)脈信號(hào)。,11,8.1 血氧飽和度的無(wú)創(chuàng)傷測(cè)量方法,傳感器光信號(hào)成分分析圖,12,8.1 血氧飽和度的無(wú)創(chuàng)傷測(cè)量方法,動(dòng)脈血管光程變化等效示意,13,8.1 血氧飽和度的無(wú)創(chuàng)傷測(cè)量方法,動(dòng)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(gè)波長(zhǎng)比例的方法，運(yùn)用比爾定律分別得到：,?01, ?02和?r1, ?r2分別是?1和?2，兩波長(zhǎng)下的HbO2和Hb的光吸收系數(shù)，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(wú)創(chuàng)傷測(cè)量方法,取K為兩波長(zhǎng)吸光度的比值：,式中A1和A2分別表示兩波長(zhǎng)?1和?2條件下吸光度的變化值。將雙波長(zhǎng)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(wú)創(chuàng)傷測(cè)量方法,在紅光波長(zhǎng)?1下，?r1 ?01 近紅外光波長(zhǎng)?2下，?r2≈ ?02簡(jiǎn)化為：,SpO2和雙波長(zhǎng)光吸收比K之間近似呈線性的關(guān)系。實(shí)際應(yīng)用還須經(jīng)實(shí)驗(yàn)，用最小二乘曲線擬合方法得到最后的計(jì)算公式 SpO250%的測(cè)量情況下，經(jīng)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)得到 ：,16,8.1 血氧飽和度的無(wú)創(chuàng)傷測(cè)量方法,8.1-4 脈搏血氧測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1. 系統(tǒng)的硬件的組成及功能,17,8.1 血氧飽和度的無(wú)創(chuàng)傷測(cè)量方法,夾指?jìng)鞲衅?18,8.2 心輸出量的無(wú)創(chuàng)傷測(cè)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(biāo)。一次心跳，一側(cè)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(cè)量心輸出量(包括血流速度和流量)的方法很多，如費(fèi)克法、指示劑法等有創(chuàng)傷測(cè)定方法和阻抗式容積脈圖儀、超聲血流計(jì)等無(wú)創(chuàng)傷測(cè)定方法。,19,8.2 心輸出量的無(wú)創(chuàng)傷測(cè)定方法,8.2-2直接費(fèi)克法(Fick principle ) 費(fèi)克原理：在一定時(shí)間內(nèi)，某物質(zhì)從某器官血液中放出，放出量應(yīng)等于血液進(jìn)入和離開該器官前后該物質(zhì)在血液中的含量之差。 設(shè)t內(nèi)，體積V的某物質(zhì)從一器官血液中放出，進(jìn)入和離開該器官前后該物質(zhì)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(wú)創(chuàng)傷測(cè)定方法,由上式可以得出：,如果能夠測(cè)得某一物質(zhì)V (體積)、t (時(shí)間)、某一物質(zhì)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(lái)。,21,8.2 心輸出量的無(wú)創(chuàng)傷測(cè)定方法,選擇“肺”作為“器官 ”，“氧”作為“物質(zhì)”。 全身的血液在通過(guò)肺部時(shí)都要進(jìn)行氧和二氧化碳的氣體交換 。 把通過(guò)肺部以前的血液和通過(guò)肺部后的血液分別進(jìn)行血含氧量測(cè)定。 再測(cè)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(wú)創(chuàng)傷測(cè)定方法,例如，進(jìn)入肺部的混合靜脈血含氧量為13%，而動(dòng)脈血含氧量為19%，呼吸耗氧量為250ml/min,則心輸出量應(yīng)為：,23,8.2 心輸出量的無(wú)創(chuàng)傷測(cè)定方法,8.2-3 指示劑稀釋法 將某種己知量的物質(zhì)注入心腔或血管中，根據(jù)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(wú)創(chuàng)傷測(cè)定方法,設(shè)指示劑質(zhì)量為M，該處瞬時(shí)濃度為C。設(shè)血液平均流量為Q。則在很短的時(shí)間?t內(nèi)流過(guò)血液中指示劑含量為QC?t。全部指示劑都流過(guò)去時(shí)，應(yīng)為：,25,8.2 心輸出量的無(wú)創(chuàng)傷測(cè)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(shí)際按延長(zhǎng)虛線下面積計(jì)算。實(shí)線表示流過(guò)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(wú)創(chuàng)傷測(cè)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(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、放射線等)。 例如，便于光學(xué)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(xué)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(wú)創(chuàng)傷測(cè)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(jīng)右心房和右心室與血液混合后,在肺動(dòng)脈處由導(dǎo)管熱敏電阻感知血液溫度的變化曲線 再通過(guò)電子計(jì)算機(jī)將信號(hào)放大、計(jì)算處理,28,8.2 心輸出量的無(wú)創(chuàng)傷測(cè)定方法,應(yīng)用曲線計(jì)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(wú)創(chuàng)傷測(cè)定方法,熱稀釋法優(yōu)點(diǎn)： ①能迅速測(cè)知心輸出量，可重復(fù)測(cè)量； ②指示劑無(wú)毒性，沒(méi)有顯著血液動(dòng)力學(xué)影響； ③在身體組織中充分彌散，無(wú)染料指示劑的顯著再循環(huán)現(xiàn)象。 缺點(diǎn)是： ①需要插心導(dǎo)管，不是所有患者都可使用； ②注入的熱指示劑通過(guò)導(dǎo)管、心室和血管壁時(shí)有溫度隨外因上升問(wèn)題。雖然通過(guò)循環(huán)使對(duì)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(wú)創(chuàng)傷測(cè)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(cè)定心輸出量的無(wú)創(chuàng)傷方法。 當(dāng)脈搏式血流通過(guò)血管時(shí)，血管容積將會(huì)發(fā)生周期性變化。把血管容積的這種變化描記下來(lái)，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(wú)創(chuàng)傷測(cè)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(guān)系，描記電阻抗變化來(lái)間接表示血管容積變化，電阻抗變化曲線來(lái)代表容積脈圖，叫做阻抗容積脈圖。,32,8.2 心輸出量的無(wú)創(chuàng)傷測(cè)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(dòng)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(cè)量是無(wú)損傷性的。 比其他方法（費(fèi)克法、指示劑指稀釋法等）要方便，更具備實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值。,33,8.2 心輸出量的無(wú)創(chuàng)傷測(cè)定方法,1. 庫(kù)比塞克阻抗法測(cè)心輸出量原理圖,測(cè)量原理： 測(cè)量用4個(gè)電極： 外側(cè)兩電極連到100kHz的恒定正弦電流源 內(nèi)側(cè)兩電極連到高輸入阻抗的放大器，測(cè)定兩個(gè)內(nèi)側(cè)電極處： 1）基礎(chǔ)阻抗 2）隨心動(dòng)周期而變化的阻抗 3）阻抗的一階導(dǎo)數(shù),34,8.2 心輸出量的無(wú)創(chuàng)傷測(cè)定方法,設(shè)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(chǔ)阻抗(Ω)； ?Z為心臟收縮時(shí)最大阻抗變化。,35,8.2 心輸出量的無(wú)創(chuàng)傷測(cè)定方法,2. 實(shí)際測(cè)量公式推導(dǎo)：,Z0為血液從心臟輸出前胸廓阻抗，基礎(chǔ)； ZS為隨心輸出量變化大動(dòng)脈圓柱阻抗,胸廓阻抗 等效電路,36,8.2 心輸出量的無(wú)創(chuàng)傷測(cè)定方法,阻抗變化?Z：,可得到：(在Z0?Z),37,8.2 心輸出量的無(wú)創(chuàng)傷測(cè)定方法,血液電阻公式：,?：血液電阻率 L： 血管長(zhǎng)度（兩電極間距離） S： 血管的截面積。 設(shè)?V為每搏輸出量，則：?V = L·S,38,8.2 心輸出量的無(wú)創(chuàng)傷測(cè)定方法,已知血液電阻率，測(cè)得血管長(zhǎng)度L，胸部基礎(chǔ)阻抗Zo和阻抗變化量?Z，可計(jì)算出每搏輸出量 問(wèn)題在于如何正確測(cè)量?Z：在實(shí)際臨床測(cè)量中，庫(kù)比塞克方法是利用阻抗微分圖上的峰值(dz/dt)max和射血時(shí)間Tz(Tz=c)的乘積來(lái)代替?Z：即 ?Z = (dz/dt)max ? Tz,39,8.2 心輸出量的無(wú)創(chuàng)傷測(cè)定方法,實(shí)際的心臟每搏輸出量?V關(guān)系式，即用阻抗容積圖的庫(kù)比塞克計(jì)算方法：,若已知心率HR(heart rate)，則心輸出量Q的計(jì)算公式： Q = ?V · HR,40,8.2 心輸出量的無(wú)創(chuàng)傷測(cè)定方法,舉例：采用阻抗法測(cè)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(cè)得(dz/dt)max=2.4?/s，射血時(shí)間Tz =0.3s。已知L= 25cm，Z0= 27?，取血液電阻率?=135?·cm。試計(jì)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(wú)創(chuàng)傷測(cè)定方法,3. 基于導(dǎo)納的關(guān)系式 計(jì)算心臟每搏輸出量公式中將阻抗換成導(dǎo)納關(guān)系，結(jié)果會(huì)變得更簡(jiǎn)便一些。無(wú)須測(cè)量基礎(chǔ)阻抗Zo，省去一項(xiàng)測(cè)量。,證明：,Y：導(dǎo)納； S：血管的橫截面積；L：血管的長(zhǎng)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(wú)創(chuàng)傷測(cè)定方法,實(shí)際測(cè)量每搏輸出量計(jì)算公式：,?V：心臟每搏輸出量， L：電極間的距離，σ：血液電導(dǎo)率，(dy/dt)max導(dǎo)納的導(dǎo)數(shù)最大值，Ty：微分圖上確定的心室射血時(shí)間。 用導(dǎo)納法公式不需要基礎(chǔ)導(dǎo)納，這是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。,43,8.2 心輸出量的無(wú)創(chuàng)傷測(cè)定方法,4. 阻抗圖的其它臨床應(yīng)用 阻抗法除了用于測(cè)心輸出量外，還可以用于人體不同部位血流量的測(cè)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?？梢詾榕R床診斷、治療或有關(guān)基礎(chǔ)生理的研究提供一個(gè)客觀的測(cè)量指標(biāo)。 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(wú)創(chuàng)傷測(cè)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(shí)間，B為流出時(shí)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(wú)創(chuàng)傷測(cè)定方法,5. 阻抗法心輸出量測(cè)量的儀器 阻抗法心輸出量測(cè)量?jī)x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(cè)量?jī)x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(biāo)信號(hào)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(wú)創(chuàng)傷測(cè)定方法,阻抗心輸出量測(cè)量?jī)x框圖,47,