作业帮如何测量血氧饱和度和呼吸?
来源：学生作业帮 编辑：拍题作业网作业帮 分类：综合作业 时间：2024/04/28 08:49:10
如何测量血氧饱和度和呼吸?
言：人体的新陈代谢过程是生物氧化过程,而新陈代谢过程中所需要的氧,是通过呼吸系统进入人体血液,与血液红细胞中的血红蛋白(Hb),结合成氧合血红蛋白(HbO2),再输送到人体各部分组织细胞中去.在全部血液中,被氧结合的HbO2容量占全部可结合容量的百分比称为血氧饱和度SO2.许多临床疾病会造成氧供给的缺乏,这将直接影响细胞的正常新陈代谢,严重的还会威胁人的生命,所以动脉血氧浓度即SO2的实时监测在临床救护中非常重要.
传统的血氧饱和度测量方法是先进行人体采血,再利用血气分析仪进行电化学分析,测出血氧分压PO2,计算SO2.这种方法比较麻烦,且不能进行连续的监测.应用现代光电技术,本文研制成脉搏式血氧饱和度仪,该仪器采用指套式光电传感器,测量时,只需将传感器套在人手指上,仪器即可显示人体血氧饱和度,为临床提供了一种连续无损伤血氧测量仪器.
1 测量原理
无损伤血氧饱和度测量是基于动脉血液对光的吸收量随动脉搏动而变化的原理.假设波长为λ光强为I0的单色光垂直照射人体,当透光区域动脉血管搏动时,动脉血液对光的吸收量将随之变化,而皮肤、肌肉、骨骼和静脉血等其他组织对光的吸收是恒定不变的.如果忽略由于散射、反射等因素造成光的衰减,按照LAMBERT-BEER定律,通过人体透射光的强度为：
I=I0F10-E0C0L0.10-(E1C1+E2C2)L=
I′010-(E1C1+E2C2)L, (I′0=F10-E0C0L0) (1)
其中,F是非血液组织的吸光率,E0、C0、L0分别是静脉血液的吸光系数、浓度和光路长度,E1,C1分别是动脉血液中HbO2的吸光系数和浓度,E2、C2分别是动脉血液中HbR的吸光系数和浓度,L是动脉血液的光路长度,I′0是非血液组织和静脉血液的吸光量,为常量,可看作光在穿过非血液组织及静脉血液后,未穿过动脉血液的光强.由(1)式得动脉血液的吸光度为：
当动脉搏动血管舒张,动脉血液光路长度由L增加△L,相应的透射光强由I减少△I,所引起动脉血液吸光度W的变化量为：
假设血管收缩时最大透射光强Imax,血管收缩舒张过程中透射光强的最大变化量△Imax代入(3)式：
由(3)式可求动脉血液中HbO2浓度和全部Hb浓度的比值即SO2；
(5)式中的SO2与(C1+C2),△L有关,为了消除这两个参数,采用另一路波长为λ′的单色光进行同时测量,可得类似的(6)式：
其中E′1、E′2分别是动脉血液中HbO2和HbR对λ′的吸光系数.△W′是动脉搏动时动脉血液对波长为λ′光的吸光度变化量.
联立(5)(6)式,得：
当波长λ=805 nm时,E2=E1=E,(7)式简化为：
将(4)式代入(8)式：
A、B是与动脉血液中HbO2和HbR光吸收系数有关的常数,原则上可以由计算得到,但考虑到光源发光二极管的个体差别,一般根据实验测量来确定.为了增大检测灵敏度,要求B尽可能小,可选λ′=650 nm,此时E′1、E′2的差值最大.
2 样机的研制
脉搏式SO2检测仪原理结构图和软件流程如图1、2所示.整机由：单片机、光源驱动、指套式光电传感器、放大器、高速A/D转换和显示器六大部分组成.80C552具有丰富的计数器和I/O口资源且功耗低,所以单片机选用80C522,A/D转换选用AD7870以满足速度和精度上的要求,放大器选用LF353,为了方便测量,一般把人的手指作为SO2测量的部位,所以选用指套式光电传感器.
本仪器采用脉冲式光源,80C552周期性地分时送出两路电脉冲信号,经光源驱动电路分别送到指套式光电传感器的λ、λ′发光二极管,使其分时发射周期性脉冲光束.测量时,将人体中指插入指套,当手指动脉搏动时,透过手指传到λ、λ′接收二极管的光强也随之变化,并被转换成相应的电脉冲,经LF353放大,送AD7870采样,80C552根据所采数据,计算出Ω,由(9)式可得SO2,送显示器显示.
A、B值采用INDEX SPO2定标仪测定.定标时,从指套式传感器送入标准血氧饱和度信号,单片机测得相应Ω值,再经线性回归得到A、B值,代入(9)式得：
SO2=118.3346658-37.83509Ω (10)
由(10)式即可求SO2.
该仪器对λ、λ′的接收、放大和A/D采集均用同一通道,克服了多通道传输中由于通道特性不一致造成的误差,提高了测量精度.由于λ、λ′脉冲信号是分时传送,所以不会造成相互影响和干扰,信号以脉冲形式发送还可降低λ、λ′发光二极管的功耗,延长其使用寿命.
3 结束语
脉搏式血氧饱和度仪测量速度快、显示结果直观、体积小、功耗低、使用方便,能连续测量血氧饱和度和心率值.该仪器现正准备临床应用,转化成产品
传统的血氧饱和度测量方法是先进行人体采血,再利用血气分析仪进行电化学分析,测出血氧分压PO2,计算SO2.这种方法比较麻烦,且不能进行连续的监测.应用现代光电技术,本文研制成脉搏式血氧饱和度仪,该仪器采用指套式光电传感器,测量时,只需将传感器套在人手指上,仪器即可显示人体血氧饱和度,为临床提供了一种连续无损伤血氧测量仪器.
1 测量原理
无损伤血氧饱和度测量是基于动脉血液对光的吸收量随动脉搏动而变化的原理.假设波长为λ光强为I0的单色光垂直照射人体,当透光区域动脉血管搏动时,动脉血液对光的吸收量将随之变化,而皮肤、肌肉、骨骼和静脉血等其他组织对光的吸收是恒定不变的.如果忽略由于散射、反射等因素造成光的衰减,按照LAMBERT-BEER定律,通过人体透射光的强度为：
I=I0F10-E0C0L0.10-(E1C1+E2C2)L=
I′010-(E1C1+E2C2)L, (I′0=F10-E0C0L0) (1)
其中,F是非血液组织的吸光率,E0、C0、L0分别是静脉血液的吸光系数、浓度和光路长度,E1,C1分别是动脉血液中HbO2的吸光系数和浓度,E2、C2分别是动脉血液中HbR的吸光系数和浓度,L是动脉血液的光路长度,I′0是非血液组织和静脉血液的吸光量,为常量,可看作光在穿过非血液组织及静脉血液后,未穿过动脉血液的光强.由(1)式得动脉血液的吸光度为：
当动脉搏动血管舒张,动脉血液光路长度由L增加△L,相应的透射光强由I减少△I,所引起动脉血液吸光度W的变化量为：
假设血管收缩时最大透射光强Imax,血管收缩舒张过程中透射光强的最大变化量△Imax代入(3)式：
由(3)式可求动脉血液中HbO2浓度和全部Hb浓度的比值即SO2；
(5)式中的SO2与(C1+C2),△L有关,为了消除这两个参数,采用另一路波长为λ′的单色光进行同时测量,可得类似的(6)式：
其中E′1、E′2分别是动脉血液中HbO2和HbR对λ′的吸光系数.△W′是动脉搏动时动脉血液对波长为λ′光的吸光度变化量.
联立(5)(6)式,得：
当波长λ=805 nm时,E2=E1=E,(7)式简化为：
将(4)式代入(8)式：
A、B是与动脉血液中HbO2和HbR光吸收系数有关的常数,原则上可以由计算得到,但考虑到光源发光二极管的个体差别,一般根据实验测量来确定.为了增大检测灵敏度,要求B尽可能小,可选λ′=650 nm,此时E′1、E′2的差值最大.
2 样机的研制
脉搏式SO2检测仪原理结构图和软件流程如图1、2所示.整机由：单片机、光源驱动、指套式光电传感器、放大器、高速A/D转换和显示器六大部分组成.80C552具有丰富的计数器和I/O口资源且功耗低,所以单片机选用80C522,A/D转换选用AD7870以满足速度和精度上的要求,放大器选用LF353,为了方便测量,一般把人的手指作为SO2测量的部位,所以选用指套式光电传感器.
本仪器采用脉冲式光源,80C552周期性地分时送出两路电脉冲信号,经光源驱动电路分别送到指套式光电传感器的λ、λ′发光二极管,使其分时发射周期性脉冲光束.测量时,将人体中指插入指套,当手指动脉搏动时,透过手指传到λ、λ′接收二极管的光强也随之变化,并被转换成相应的电脉冲,经LF353放大,送AD7870采样,80C552根据所采数据,计算出Ω,由(9)式可得SO2,送显示器显示.
A、B值采用INDEX SPO2定标仪测定.定标时,从指套式传感器送入标准血氧饱和度信号,单片机测得相应Ω值,再经线性回归得到A、B值,代入(9)式得：
SO2=118.3346658-37.83509Ω (10)
由(10)式即可求SO2.
该仪器对λ、λ′的接收、放大和A/D采集均用同一通道,克服了多通道传输中由于通道特性不一致造成的误差,提高了测量精度.由于λ、λ′脉冲信号是分时传送,所以不会造成相互影响和干扰,信号以脉冲形式发送还可降低λ、λ′发光二极管的功耗,延长其使用寿命.
3 结束语
脉搏式血氧饱和度仪测量速度快、显示结果直观、体积小、功耗低、使用方便,能连续测量血氧饱和度和心率值.该仪器现正准备临床应用,转化成产品